Titre de l'invention : Dispositif de guidage et de maintien vertical d'un monopieu et procédé de mise en place d'un monopieu utilisant un tel dispositif

Domaine Technique

[0001] La présente invention se rapporte au domaine général de l'installation de monopieux métalliques dans un sol rocheux, notamment en mer dans un fond marin rocheux recouvert d'une couche de sol meuble.

[0002] Un exemple non limitatif de domaine d'application de l'invention est celui de la mise en place des fondations d'un champ d'éoliennes offshore.

Technique antérieure

[0003]Typiquement, une éolienne offshore est installée en mer au moyen d'une fondation constituée par un monopieu métallique tubulaire de très grand diamètre, généralement de l'ordre de 7 à 8m de diamètre, qui est enfiché d'une trentaine de mètres de profondeur dans le fond marin rocheux.

[0004]A cet effet, il est connu de forer le fond marin composé d'un substratum rocheux recouvert par une couche de sol meuble d'un trou de diamètre et de profondeur donnés pour y installer le pieu. Ce forage est le plus souvent réalisé à partir d'une barge supportant un atelier de forage et de cimentation. Du ciment est ensuite coulé dans le trou pour sceller le pieu dans le trou. Lorsque la capacité portante du pieu ainsi installé est assurée par la tenue du ciment, le pieu est relâché pour pouvoir déplacer la barge portant l'atelier de forage et de cimentation jusqu'à l'emplacement de l'éolienne suivante.

[0005] Cette technique de mise en place des fondations d'un champ d'éoliennes offshore présente cependant de nombreux inconvénients. En particulier, le forage du trou et la mise en place du pieu dans celui-ci entraîne un risque d'instabilité des parois du trou dans la couche de sol meuble. Par ailleurs, cette technique engendre une surconsommation de ciment lors du scellement du pieu dans le fond marin. De plus, les propriétés du ciment ont tendance à se dégrader en milieu marin et sous les conditions cycliques des efforts de houle et de vent sur le pieu. En outre, cette technique nécessite d'assurer la verticalité et la tenue du pieu pendant son scellement, ce qui requiert des moyens d'installation conséquents et du temps.

[0006] Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé dans la publication WO 2020/025864 un procédé d'installation d'un monopieu métallique tubulaire dans un sol rocheux, comprenant successivement l'installation d'un tube métallique jusqu'au toit du rocher d'un diamètre plus grand que le forage pour maintenir la couche de sol meuble, le forage du sol rocheux pour former une cavité de diamètre et de profondeur prédéterminés, le remplissage de la cavité par un matériau granulaire, l'arrangement du matériau granulaire présent dans la cavité par vibration, et l'installation du monopieu dans la cavité par vibro-fonçage ou par battage. Cette technique d'installation est particulièrement avantageuse en ce qu'elle permet de supprimer le scellement du monopieu par du ciment avec tous les inconvénients que cela comporte.

Exposé de l'invention

[0007] En pratique, pour mettre en oeuvre une telle technique d'installation, il existe un besoin de disposer d'un dispositif de guidage et de maintien vertical du monopieu lors de sa mise en place dans l'excavation réalisée dans un fond marin et remplie de matériaux granulaires compactés.

[0008] Conformément à l'invention, ce besoin est atteint grâce à un dispositif de guidage et de maintien vertical d'un monopieu tubulaire lors de sa mise en place dans une excavation réalisée dans un fond marin, remplie de matériaux granulaires compactés et consolidée par un tube métallique de renfort, comprenant : une structure de support destinée à être positionnée à la verticale de l'excavation réalisée dans le fond marin et montée sur au moins quatre pieds qui sont chacun réglable en hauteur ; - un cadre de positionnement de la structure de support par rapport au tube de renfort, le cadre de positionnement ayant une forme de U fermé, étant monté sur une partie basse de la structure de support et étant destiné à assurer le positionnement de la structure de support par rapport à une extrémité supérieure du tube de renfort ;

- une cage s'étendant selon un axe longitudinal et montée à l'intérieur de la structure de support au-dessus du cadre de positionnement afin de recevoir le monopieu, la cage comprenant une partie basse fermée et une partie haute munie d'une porte apte à s'ouvrir pour permettre une insertion latérale du monopieu dans la cage et à se fermer pour maintenir le monopieu dans la cage ;

- la partie haute de la cage comprend une pluralité de tampons amortisseurs répartis autour de l'axe longitudinal de la cage, dimensionnés pour permettre un contact réparti avec le monopieu, et aptes à venir amortir la dynamique du monopieu et maintenir radialement en appui contre le monopieu lorsqu'il est inséré dans la cage afin de stabiliser et modifier son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de la cage ; et

- la partie basse de la cage comprend une pluralité de lames s'étendant selon l'axe longitudinal de la cage et réparties autour de celui-ci, lesdites lames étant dimensionnées pour permettre un contact réparti avec le monopieu, aptes à venir radialement en appui contre le monopieu lorsqu'il est inséré dans la cage afin de le guider lors de sa descente dans la cage et de modifier son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de la cage jusqu'à atteindre une résistance de sol suffisante pour maintenir naturellement le positionnement en angle et en translation.

[0009] Le dispositif selon l'invention présente de nombreux avantages du fait de sa structure. En particulier, ce dispositif permet la pré-installation de la structure de support au-dessus du tube de renfort, ainsi que l'ajustement de la structure de support au profil du fond marin. En outre, la cage avec sa partie haute munie d'une porte permet d'autoriser une insertion latérale du monopieu, ce qui permet de limiter les critères de hauteur de la grue de levage. [0010] Au cours du chargement du monopieu, la présence des tampons amortisseurs dans la partie haute de la cage permet d'absorber l'énergie de mouvement du monopieu due aux charges hydrodynamiques. Le monopieu est ensuite capturé en position et guidé progressivement dans sa descente, mettant en oeuvre au cours de la descente, en complément des tampons amortisseurs, des lames positionnées dans la partie basse de la cage pour atteindre la verticalité requise.

[0011] Au moins certains des tampons amortisseurs positionnés au niveau de la partie haute de la cage peuvent être montés sur vérin de façon à permettre de modifier leur position selon une direction radiale.

[0012] Dans ce cas, les tampons amortisseurs montés sur vérin sont de préférence au nombre de deux et sont associés à deux tampons amortisseurs fixes diamétralement opposés de façon à assurer un maintien homogène du monopieu autour de l'axe longitudinal de la cage.

[0013] Chaque tampon amortisseur positionné au niveau de la partie haute de la cage peut comprendre un bouclier rigide qui est destiné à venir en appui contre le monopieu pour répartir la pression de contact et limiter la friction, et qui est monté sur un support fixe par l'intermédiaire d'au moins une défense réalisée en élastomère.

[0014] De plus, les tampons amortisseurs positionnés au niveau de la partie haute de la cage peuvent être répartis sur au moins deux rangées espacées longitudinalement l'une de l'autre.

[0015] Par ailleurs, au moins certaines des lames positionnées au niveau de la partie basse de la cage peuvent être montées sur coulisseaux de façon à permettre de modifier leur position selon une direction radiale.

[0016] Avantageusement, la porte de la cage comprend des tampons destinés à amortir les chocs et à assurer un guidage du monopieu lors de son insertion latérale dans la cage.

[0017] Avantageusement également, le cadre de positionnement est mobile en rotation autour de deux axes perpendiculaires à l'axe longitudinal de la cage et est mobile en translation le long dudit axe longitudinal de la cage. Cette caractéristique permet de faciliter l'installation latérale du tube de renfort.

[0018] Avantageusement encore, chaque pied de la structure de support comprend une assiette articulée autour d'un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal de la cage.

[0019] De préférence, l'un des pieds se termine à une extrémité haute par un cône de réception de ballast.

[0020] La structure de support peut comprendre deux colonnes centrales qui se terminent à une extrémité haute par un cône de réception d'un outil de levage hydraulique.

[0021] De plus, le cadre de positionnement de la structure de support peut comprendre une barre amovible de fermeture.

[0022] L'invention a également pour objet un procédé de mise en place d'un monopieu tubulaire dans une excavation réalisée dans le fond marin, comprenant successivement :

- la consolidation de l'excavation par un tube métallique de renfort,

- le forage du fond marin jusqu'à la profondeur souhaitée,

- le remplissage de l'excavation par des matériaux granulaires suivi d'un compactage des matériaux granulaires,

- la dépose sur le fond marin à la verticale de l'excavation d'un dispositif tel que défini précédemment, le cadre de positionnement de la structure de support venant s'insérer autour de l'extrémité supérieure du tube de renfort,

- le soulèvement du monopieu par le haut,

- le guidage du monopieu pour l'insérer à l'intérieur de la cage en faisant passer l'extrémité inférieure du monopieu latéralement par la porte de la cage,

- l'abaissement du monopieu dans la cage, - l'enfoncement partiel du monopieu dans les matériaux granulaires compactés tout en corrigeant son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de la cage pour corriger des défauts de verticalité du monopieu, et

- la récupération du dispositif.

[0023] De préférence, le compactage des matériaux granulaires est réalisé par vibration et l'enfoncement partiel du monopieu dans les matériaux granulaires compactés est réalisé par vibro-fonçage.

[0024] De préférence également, le procédé comprend outre l'ajustement de la cage au diamètre du monopieu par le réglage des tampons positionnés au niveau de la partie haute de la cage et des lames positionnées au niveau de la partie basse de ladite cage.

Brève description des dessins

[0025] [Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de guidage et de maintien vertical d'un monopieu selon l'invention.

[0026] [Fig. 2] La figure 2 montre en détails le cadre de positionnement de la structure de support du dispositif de la figure 1.

[0027] [Fig. 3] La figure 3 montre en détails les tampons amortisseurs de la partie haute de la cage du dispositif de la figure 1.

[0028] [Fig. 4] La figure 4 montre en détails les lames de la partie basse de la cage du dispositif de la figure 1.

[0029] [Fig. 5A] à [Fig. 5D] Les figures 5A, 5B, 5C et 5D représentent un exemple de différentes étapes d'un procédé de mise en place d'un monopieu tubulaire dans une excavation réalisée dans le fond marin au moyen du dispositif selon l'invention.

Description des modes de réalisation [0030] L'invention concerne un dispositif de guidage et de maintien vertical d'un monopieu tubulaire tel que représenté sur la figure 1.

[0031] Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans la mise en place d'un tel monopieu dans une excavation réalisée dans un fond marin, remplie de matériaux granulaires compactés et consolidée par un tube métallique de renfort permettant de maintenir la couche de sol meuble comme décrit notamment dans la publication WO 2020/025864.

[0032]Selon l'invention, le dispositif 2 comprend notamment une structure de support 4 qui est destinée à être positionnée à la verticale de l'excavation réalisée dans le fond marin et qui est montée sur au moins quatre pieds 6 qui réglable chacun en hauteur.

[0033] Le dispositif 2 comprend en outre un cadre 8 permettant le positionnement de la structure de support 4 par rapport au tube métallique de renfort (non représenté sur la figure 1) qui est utilisé pour consolider l'excavation.

[0034]Comme représenté plus précisément sur la figure 2, ce cadre de positionnement 8 présente une forme de U et est monté sur une partie basse de la structure de support 4. Il est destiné à assurer le positionnement de la structure de support par rapport à l'extrémité supérieure du tube de renfort.

[0035]A cet effet, le cadre de positionnement 8 comprend une ouverture latérale 10 pour venir positionner l'extrémité supérieure du tube de renfort.

[0036] De plus, l'ouverture latérale 10 du cadre de positionnement peut être refermée au moyen d'une barre amovible de fermeture 11.

[0037] Par ailleurs, pour permettre de s'adapter à la surface du fond marin et de faciliter le positionnement latéral du tube de renfort, le cadre de positionnement 8 est avantageusement mobile en rotation autour de deux axes Y-Y et Z-Z perpendiculaires à l'axe longitudinal X-X de la structure de support et est mobile en translation le long de cet axe longitudinal X-X.

[0038] Par exemple, on pourra conférer une capacité de rotation de plus ou moins 5° à la fois par rapport à l'axe Y-Y et par rapport à l'axe Z-Z. Cette capacité de rotation est par exemple obtenue grâce au jeu des roulements dans des guides verticaux orientés selon l'axe X-X.

[0039] Le dispositif 2 comprend encore une cage 14 dont l'axe longitudinal est confondu avec l'axe longitudinal X-X de la structure de support 4 et qui est montée à l'intérieur de celle-ci au-dessus du cadre de positionnement 8 afin de recevoir le monopieu.

[0040] De façon plus précise, la cage 14 comprend une partie basse 14a qui est fermée et une partie haute 14b qui est munie d'une porte 16 apte à s'ouvrir pour permettre une insertion latérale du monopieu dans la cage et à se fermer pour maintenir le monopieu dans la cage.

[0041] La porte 16 de la cage 14 comprend des tampons 18 qui sont destinés à amortir les chocs et à assurer un guidage du monopieu lors de son insertion latérale dans la cage.

[0042] Par ailleurs, la partie haute 14b de la cage comprend une pluralité de tampons amortisseurs 20 qui sont répartis autour de l'axe longitudinal X-X de la cage. Ces tampons amortisseurs 20 sont aptes à venir radialement en appui contre le monopieu lorsqu'il est inséré dans la cage afin de stabiliser et modifier son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de la cage, sans contraindre trop fortement le monopieu, assurant ainsi la préservation de celui-ci.

[0043]A cet effet, comme représenté plus en détails sur la figure 3, au moins certains des tampons amortisseurs positionnés au niveau de la partie haute 14b de la cage sont montés sur vérin de façon à permettre de modifier leur position selon une direction radiale.

[0044] Sur l'exemple de la figure 3, la partie haute 14b de la cage comprend sept tampons amortisseurs 20-1 à 20-7 régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal X-X de la cage. Parmi ces tampons amortisseurs, deux d'entre eux (à savoir les tampons amortisseurs 20-1 et 20-7 qui encadrent l'ouverture de la porte 16) sont montés sur vérin 22 et sont associés à deux tampons amortisseurs fixes diamétralement opposés (à savoir les tampons amortisseurs 20-3 et 20-5) de façon à assurer un maintien homogène du monopieu autour de l'axe longitudinal X-X de la cage.

[0045] La position des supports fixes 26 est réglable au moyen d'un coulisseau 100 (figure 3) permettant d'adapter la structure selon l'invention à plusieurs diamètres de monopieu (par exemple 3 diamètres à régler selon le besoin : 7.0m, 7.5m et 7.75m).

[0046] De manière générale, chaque tampon amortisseur 20 positionné au niveau de la partie haute 14b de la cage comprend un bouclier rigide 24 qui est destiné à venir en appui contre le monopieu pour répartir la pression de contact et limiter la friction, et un support fixe 26 sur lequel est monté le bouclier rigide par l'intermédiaire d'au moins une défense 28 réalisée en élastomère.

[0047]Sur l'exemple de réalisation de la figure 3, le bouclier rigide 24 de chaque tampon amortisseur est monté sur le support fixe 26 par l'intermédiaire de deux défenses 28 en élastomère.

[0048] Dans un mode de réalisation non représenté sur les figures, les tampons amortisseurs qui sont positionnés au niveau de la partie haute de la cage sont répartis sur au moins deux rangées espacées longitudinalement l'une de l'autre (c'est-à-dire espacées selon l'axe longitudinal de la cage).

[0049]Toujours selon l'invention, comme représenté sur la figure 4, la partie basse 14a de la cage 14 comprend une pluralité de lames 30 qui s'étendent selon l'axe longitudinal X-X et qui sont réparties autour de celui-ci.

[0050]Ces lames 30 sont aptes à venir radialement en appui contre le monopieu lorsqu'il est inséré dans la cage afin de le guider lors de sa descente dans la cage et de modifier son inclinaison par rapport à l'axe longitudinal de la cage (par exemple de l'ordre de plus ou moins 0,25° par rapport à la verticale). Les lames 30 assurent ainsi un resserrage du guidage, menant à une maîtrise de l'angle du monopieu toujours plus précise.

[0051] De préférence, ces lames 30 sont au nombre de huit et au moins certaines d'entre elles sont montées sur coulisseaux 32 de façon à permettre de modifier leur position selon une direction radiale. [0052] Selon une disposition avantageuse représentée sur la figure 1, chaque pied 6 de la structure de support 4 comprend une assiette 6a articulée autour de deux axes Y'- Y', Z'-Z' perpendiculaires à l'axe longitudinal X-X de la cage afin de permettre d'ajuster le positionnement de la structure de support au profil de surface du fond marin.

[0053] Selon une autre disposition avantageuse, l'un des pieds 6 de la structure de support se termine à une extrémité haute par un cône 34 de réception de ballast.

[0054] Selon encore une autre disposition avantageuse, la structure de support 4 comprend deux colonnes centrales 36 qui se terminent chacune à une extrémité haute par un cône 38 de réception d'un outil de levage hydraulique.

[0055]Au pied des colonnes centrales 36, la rigidité du système permet de faire passer les efforts lors du transport, considérant que la structure est sécurisée via les pieds de ces colonnes au pont du navire.

[0056] En liaison avec les figures 5A à 5D, on décrira maintenant un exemple de mise en place d'un monopieu tubulaire dans une excavation réalisée dans le fond marin au moyen du dispositif tel que décrit précédemment.

[0057]Selon une étape préliminaire non représentée sur les figures, un tube métallique de renfort 44 est mis en place dans le sol meuble S-M jusqu'au toit du rocher S-R, puis une excavation 46 est réalisée dans le fond marin et le rocher S- R est foré jusqu'à la profondeur souhaitée. L'excavation 46 est alors remplie par des matériaux granulaires qui sont ensuite compactés par vibration comme cela est décrit dans la publication WO 2020/025864, les matériaux granulaires compactés venant jusqu'au-dessus du fond marin mais sous la partie supérieure du tube métallique de renfort.

[0058] Le dispositif 2 selon l'invention est alors déposé sur le fond marin à la verticale de l'excavation 46 à partir d'un navire d'installation en surface, le cadre de positionnement 8 de la structure de support venant s'insérer autour de l'extrémité supérieure du tube de renfort 44.

[0059] Une fois correctement positionné et aligné, la porte 16 de la cage est ouverte afin de permettre l'insertion latérale du monopieu 40. A cet effet, le navire d'installation en surface soulève le monopieu 40 par le haut à l'aide d'une grue de levage (non représentée sur les figures) et le guide pour l'insérer à l'intérieur de la cage en faisant passer l'extrémité inférieure du monopieu latéralement par la porte de la cage (figure 5A).

[0060] L'insertion latérale du monopieu dans la cage de la structure de support permet de limiter la hauteur de levage du monopieu (par rapport à une insertion verticale).

[0061]Au cours de cette insertion, les tampons positionnés au niveau de la porte de la cage permettent d'amortir les chocs et à assurer le guidage du monopieu à l'intérieur de la cage et les tampons amortisseurs répartis dans la partie haute de la cage permettent de stabiliser verticalement le monopieu, sans le contraindre à l'excès. Le système d'amortissement permet de fait de tolérer une dynamique significative du monopieu et ainsi d'utiliser un navire d'installation de type flottant et non amarré au sol.

[0062] Une fois le monopieu 40 inséré dans la partie haute 14b de la cage, il est guidé au moyen de la grue de levage vers le bas de la cage (figure 5B). Dans un premier temps, le monopieu 40 passe entre les lames de la partie basse de la cage, resserrant le guidage, puis vient toucher le toit des matériaux granulaires compactés remplissant l'excavation 46.

[0063] Le monopieu 40 est alors enfoncé partiellement dans les matériaux granulaires compactés, de préférence dans un premier temps par gravité puis par vibro-fonçage mis en oeuvre au moyen d'un vibrateur 42 monté sur l'extrémité supérieure du monopieu et activé par la grue de levage (figure 5C).

[0064]Au cours de cette opération d'enfoncement partiel du monopieu, l'inclinaison de celui-ci par rapport à l'axe longitudinal X-X de la cage est corrigée au moyen notamment des lames de la partie basse de la cage de façon à corriger d'éventuels défauts de verticalité du monopieu.

[0065] Lorsque le monopieu 40 est suffisamment enfoncé dans le sol (la profondeur d'enfoncement est d'environ 15m-20m), le sol participant est suffisamment rigide pour maintenir le monopieu en position horizontale et angulaire. Un dernier réglage à l'aide des tampons amortisseurs et des lames de la cage est alors réalisé pour finaliser en douceur le positionnement vertical du monopieu à plus ou moins 0,25° (figure 5D).

[0066] On notera qu'une fois effectuée cette opération de mise à la verticale du monopieu, le sol maintient celui-ci en position latérale et angulaire et le vibrofonçage est poursuivi pour atteindre la profondeur souhaitée, en conservant la verticalité.

[0067] Dans une dernière étape non représentée sur les figures, le dispositif peut être récupéré et remonté en surface sur le navire d'installation. [0068] De préférence, le procédé comprend outre l'ajustement de la cage au diamètre du monopieu par le réglage des tampons positionnés au niveau de la partie haute de la cage et des lames positionnées au niveau de la partie basse de ladite cage.