Recommandations relatives aux essais mécaniques des câbles sous-marins pour les applications dynamiques

Introduction

Le recours à des plateformes flottantes a des conséquences sur différents composants de la ferme dont les câbles. Ces derniers, étant connectés à la structure flottante, doivent être en mesure de supporter les déplacements induits par la plateforme tout au long de sa durée de vie. Ce type de câble, appelé câble dynamique, est dimensionné et testé pour être en capacité de résister aux chargements dynamiques pendant toute sa durée de vie.

Le groupe de travail CIGRE B1.63 a été lancé en 2017 dans l’objectif de rédiger une brochure technique fournissant des recommandations relatives aux essais mécaniques des câbles sous-marins utilisés dans les applications dynamiques (ex : éolien flottant). Ce groupe a été initié en réponse au développement de l’éolien flottant et pour répondre à un besoin : celui de disposer de recommandations claires et communes sur les essais mécaniques des câbles dynamiques. Ce travail s’est appuyé sur l’expérience acquise ainsi que sur les normes existantes (en particulier, l’ISO 13628-5 [1] et la DNVGL-RP-F401 [2] portant sur le dimensionnement, l’analyse et les essais des ombilics) issues de l’industrie pétrolière et gazière. Les brochures techniques CIGRE existantes ont également été prises en compte, en particulier la CIGRE TB 610 [3], CIGRE TB 623 [4] and CIGRE TB 722 [5].

Les normes et recommandations les plus pertinentes, applicables aux câbles sous-marins ont tout d’abord été analysées dans l’objectif d’identifier celles applicables aux câbles dynamiques. La brochure décrit les différents éléments constitutifs du système de câble dynamique, ce qui inclue les composants de la section du câble mais aussi les équipements auxiliaires. Les défis techniques posés par les câbles dynamiques pour éolien flottant sont également exposés. Comme l’analyse représente une part importante du dimensionnement du système de câble dynamique, un chapitre de la brochure lui est dédié. Il décrit les différents types d’analyses à effectuer et fournit des recommandations sur la manière de les réaliser. Enfin, le dernier chapitre porte sur la séquence d’essai avec une attention particulière portée sur les essais mécaniques spécifiques aux câbles dynamiques. L’essai en fatigue y est notamment détaillé et des recommandations sont émises. Cet essai a pour objectif de vérifier qu’un design de câble peut supporter les chargements attendus pendant la durée de service prévue.

Analyse des normes et recommandations existantes

Un état de l’art des normes et recommandations applicables aux câbles sous-marins a été réalisé. L’objectif de cette analyse était d’identifier ceux qui seraient aussi applicables aux câbles dynamiques. Cette étude couvre les normes IEC (ex: IEC 63026 [6], 60840 [7], 60502-2 [8], 63067 [9]), les recommandations CIGRE comme la TB 490 [10], TB 610 [3],  TB 623 [4], TB 722 [5] ainsi que les normes issues de l’industrie pétrolière et gazière comme l’ISO 13 628-5 [1], l’API 17E [11] ou les normes/recommandations applicables émises par DNVGL comme la DNVGL-RP-F401 [2].

Cette analyse a porté une attention plus particulière sur les normes et recommandations en lien avec le dimensionnement, l’analyse dynamique et les essais des câbles dynamiques.

Bien que plusieurs normes et recommandations existent pour les câbles dynamiques, aucune ne couvre à lui-seul tous les aspects des câbles d’énergie dynamiques. La brochure s’est attachée à identifier les limitations des normes actuelles vis-à-vis des câbles dynamiques pour l’éolien flottant. 

Dimensionnement du système de câble

Contrairement à un câble statique, un câble dynamique sera exposé à des chargements en fatigue se présentant sous la forme de chargements répétitifs en tension et flexion. Ceci a un impact sur les choix de design et les caractéristiques d’un câble dynamique. La configuration d’installation du câble (accessoires inclus), entre la plateforme flottante et le fond marin est aussi un élément important du dimensionnement du système.

Le dimensionnement d’un système de câble dynamique est basé sur les besoins fonctionnels spécifiques d’un projet et est le résultat d’un processus itératif, qui inclut une analyse thermique et électrique ainsi qu’une analyse mécanique.

Le dimensionnement de la configuration d’installation dépend de plusieurs facteurs comme les déplacements de la plateforme par rapport à sa position nominale, le risque de collision avec la plateforme ou les lignes d’ancrage, les conditions environnementales et les caractéristiques du câble. Les configurations les plus courantes sont :

• La configuration dite en lazy wave, où des modules de flottaison sont attachés au câble dynamique de manière à créer une forme similaire à une vague dans la colonne d’eau.
• La configuration dite en tethered wave, semblable à la lazy wave mais avec une longe (tether) connectée au câble à proximité du point de contact sur le fond.

Des accessoires sont utilisés pour réaliser cette configuration et protéger le câble. Ces équipements peuvent être de différentes natures comme :

• Le hang-off, utilisé pour assurer une connexion fixe entre le câble et la plateforme flottante.
• Le bend stiffener, qui permet d’augmenter graduellement la raideur en flexion du câble au niveau de l’interface avec la plateforme.
• Des modules de flottaison, qui permettent de créer la configuration en forme de vague grâce à la flottabilité qu’ils fournissent au câble.
• Un système d’ancrage qui assure le maintien du système de câble dynamique en place. Ce système est composé d’une bride (clamp) installée autour du câble et connectée à une ancre sur le fond marin à l’aide d’un tendon (tether).
• Des protections mécaniques, dont le rôle est de protéger le câble contre, par exemple, le risque d’abrasion au niveau du point de contact avec le sol (touch down point).

Un des défis importants lors du dimensionnement du système de câble dynamique est la prise en compte des salissures marines (ex : algues, moules). Ces dernières peuvent s’accumuler sur le câble, en particulier le long de la portion la plus proche de la surface. Cela entraine une augmentation du diamètre du câble et une augmentation de sa masse. Cela peut avoir un impact très important sur les résultats de l’analyse dynamique et sur le choix de la configuration. Cela doit être pris en compte lors du dimensionnement du système.

Les défis techniques de l’éolien flottant

Si on compare les systèmes de câbles utilisés pour raccorder les fermes éoliennes fixes ou aux applications dynamiques de l’industrie pétrolière et gazière, il apparait que les câbles pour les applications éolien flottant sont confrontés à de nouveaux besoins et défis techniques.

Dans l’éolien flottant, il est par exemple fréquent d’utiliser des lignes d’ancrage relativement lâches afin de réduire les efforts structurels et les coûts globaux. De fait, les structures flottantes peuvent se déplacer de manière importante (par rapport à la profondeur d’eau) par rapport à leur position nominale. Pour s’adapter à ces grands mouvements horizontaux, le recours à des configurations et des systèmes de câbles plus complexes peut s’avérer nécessaire.

Un autre défi est celui des éoliennes flottantes installées dans des eaux peu profondes. Elles sont confrontées à des conditions plus difficiles, notamment vis-à-vis de la stabilité des fonds marins. En effet, la combinaison de la vitesse du courant et des orbitales de houle peut être significative. Des études plus complexes de stabilité des fonds marins incluant une analyse plus détaillée de la bathymétrie et des caractéristiques du fond marin peuvent donc être nécessaires.

En ce qui concerne la maintenance des éoliennes flottantes, différentes options sont actuellement à l’étude. L’une d’elle consiste à déconnecter l’éolienne flottante et à la remorquer jusqu’au port afin d’effectuer la maintenance à quai plutôt qu’en mer. Cela implique de pouvoir déconnecter le câble dynamique de manière contrôlée et de pouvoir le mettre en attente, pendant la période de maintenance de la turbine, afin de le reconnecter au retour de la turbine.

Analyses liées aux câbles dynamiques

Les simulations qui permettent de dimensionner un câble dynamique comprennent deux catégories d’analyse : l’analyse globale et l’analyse locale. La méthodologie, les outils ainsi que les normes employés pour ce type d’analyse ont été développés, depuis de nombreuses années, au sein de l’industrie pétrolière et gazière offshore pour les produits flexibles, tels que les conduites flexibles et les ombilics qui sont connectés aux plateformes pétrolières flottantes.

L’analyse globale permet d’étudier la réponse et les interactions des différents composants du système dynamique en fonction des différents états de mer. Cela inclut l’estimation des chargements lors des évènements météorologiques extrêmes ainsi que les chargements en fatigue pendant toute la durée de service du câble.

L’analyse locale permet de passer des chargements globaux calculés grâce à l’analyse globale à des chargements locaux sur les différents éléments constitutifs du câble. Cela est utilisé pour estimer le dommage en fatigue cumulé à l’issue de la durée de service, pour chacun de ces éléments. L’analyse locale permet aussi de calculer les propriétés mécaniques du câble dynamique, la raideur en flexion notamment. Ces caractéristiques sont utilisées comme données d’entrée de l’analyse globale.

Les analyses globales et locales sont réalisées de manière itérative jusqu’à l’obtention d’un résultat conforme aux requis du projet.

Une quantité importante de données est nécessaire à la réalisation de ces analyses. Cela inclut des données environnementales, les caractéristiques de déplacement de la plateforme flottante, les détails du système d’ancrage, la position du hang-off, la profondeur d’eau, les propriétés du câble, etc. Un récapitulatif des données requises est présenté dans la brochure.

Des outils spécifiques permettent de réaliser les analyses globale et locale. L’analyse globale peut être réalisée à l’aide de modélisations éléments finis. Pour l’analyse locale, des méthodes analytiques ou basées sur les éléments finis peuvent être employées. L’analyse en fatigue, quant à elle, peut être menée avec un seul et même outil ou via la combinaison de plusieurs outils permettant de gérer les résultats des analyses globale et locale.

Les systèmes typiques considérés lors de l’analyse globale comprennent un câble en configuration lazy wave (ou similaire). La Figure 2 présente un exemple de modèle d’analyse globale d’un câble connecté à une éolienne flottante.

L’analyse globale permet d’optimiser la configuration du câble, d’identifier les accessoires nécessaires et vérifier la faisabilité de l’ensemble du système de câble. L’analyse de la configuration comporte un certain nombre de vérifications comme :

• La souplesse de la configuration pour s’adapter aux déplacements de la plateforme.
• Vérification de la configuration statique : tension maximale et rayon de courbure minimal à la position nominale et lorsque les déplacements extrêmes de la plateforme sont appliqués ; hauteur libre suffisante par rapport au fond marin ; position du point de contact avec le fond (touch-down point) ; angle de sortie du câble au niveau du bas du I Tube. Pour ce faire les conditions dites de début de vie et de fin de vie sont prises en compte. Les conditions de fin de vie prennent en compte l’impact des salissures marines et de la perte de flottabilité des modules de flottaison au fil du temps.
• Analyse dynamique des événements extrêmes pour s’assurer que la tension du câble, le niveau de compression, le rayon de courbure et les chargements sur les accessoires restent dans les limites spécifiées, même pour le pire scénario. Là aussi les conditions de début et de fin de vie sont prises en compte.
• Analyse des interférences pour s’assurer que le câble n’heurtera pas d’autres câbles, lignes d’ancrage ou autres structures.
• Analyse globale du chargement en fatigue. Pour cela, l’analyse est divisée en un grand nombre de cas de chargements représentatifs des conditions de service. Les résultats se présentent sous forme d’une matrice de cas de chargements en fatigue, établie pour différentes combinaisons hauteur de vague/période de vague, le tout combiné avec des informations directionnelles (ex : direction des courants). Pour construire cette matrice, plusieurs méthodes existent comme la méthode dite Rainflow, l’analyse en vagues régulières ou encore la méthode spectrale.

Les résultats de l’analyse globale en fatigue sont ensuite utilisés comme données d’entrée de l’analyse locale en fatigue. Les séries temporelles de la tension et de la courbure sont ensuite converties, en chaque point de la liaison, en des contraintes locales sur les différents composants de la section transverse du câble. Il est alors possible de calculer le dommage cumulé en fatigue, D, pour chacun des composants du câble. Pour cela, il est nécessaire de connaitre la durée de vie en fatigue des composants internes du câble, exprimée via des courbes S-N (qui relient l’amplitude du cycle de contrainte S au nombre de cycles N à la rupture). Pour chaque composant considéré dans cette analyse, le dommage cumulé en fatigue calculé pour la durée de service du câble doit être inférieur à :

Où DFF est le facteur de sécurité de design. Il permet de couvrir certaines incertitudes portant sur l’estimation des chargements sur les structures ainsi que celles portant sur les variations des propriétés de certains matériaux. Il est en général pris égal à 10.

A noter que les coefficients de friction entre les différents constituants du câble sont des paramètres essentiels dans l’analyse locale pour pouvoir établir le lien entre les chargements globaux et les contraintes locales. Les phénomènes de friction sur des composants hélicoïdaux conduisent à un comportement collant/glissant du câble lors des mouvements de flexion. Ces coefficients doivent être choisis de manière à être représentatifs des conditions attendues dans le câble en opération. Ils dépendent de différents paramètres tels que la température, l’usure, les pressions de contact, etc.

Une annexe de la brochure fournit un exemple détaillé étape par étape d’une analyse en fatigue d’un câble connecté à une éolienne flottante.

Les essais des câbles dynamiques

Les câbles dynamiques étant exposés à des conditions de chargement très variées, des essais sont nécessaires pour démontrer qu’un design de câble peut supporter les chargements attendus pendant sa durée de service. La brochure présente les séquences d’essais applicables aux câbles dynamiques, en mettant l’accent sur les essais mécaniques qui leur sont spécifiques. Cela inclut l’essai en fatigue sur câble complet ainsi que des essais mécaniques additionnels permettant notamment de caractériser les propriétés mécaniques du câble et de ses composants, ainsi que les essais spécifiques liés aux conditions de chargement des applications dynamiques comme l’essai de compression, l’essai de glissement des dispositifs de serrage, etc.

La description de l’essai en fatigue se base sur celle fournie par la brochure CIGRE TB 623 [4] mais en lui apportant plus de détails sur le moyen d’essai, les conditions d’essai et les critères d’acceptation.

L’objectif de cet essai en fatigue est de s’assurer que le câble dynamique est en mesure de supporter les chargements en fatigue attendus pendant la durée de service. Pour réaliser cet essai, différents dispositifs peuvent être mis en oeuvre :

• La méthode à rotation imposée. Une rotation est imposée à un câble tendu. Un bend stiffener permet de contrôler la courbure (Figure 3).
• La méthode à flexion imposée, pour laquelle un câble tendu est poussé latéralement par un gabarit imposant une courbure uniforme au câble (Figure 4).

Les caractéristiques et spécificités de chacun de ces bancs sont détaillées dans la brochure.

Pendant l’essai, une courbure cyclique est appliquée au câble. L’essai est découpé en plusieurs blocs (au moins 5). Chaque bloc est défini par un effort de traction, un rayon de courbure et un nombre de cycles par bloc. Le nombre total de cycles de tous les blocs doit être au moins égal à 1.5x106. Cette division de l’essai en blocs permet d’accélérer la fatigue du câble dans des conditions de laboratoire, tout en conservant une distribution du dommage en fatigue entre faibles et grandes courbures similaire à ce que le câble subira pendant sa durée de service. Le découpage en blocs est déterminé à partir des résultats de l’analyse en fatigue (voir paragraphe précédent). Il est défini de telle sorte que le dommage cumulé en fatigue à l’issu du test est égal ou supérieur au dommage en fatigue cumulé, estimé pour la durée de service (calculé lors de l’analyse en fatigue).

Pendant l’essai en fatigue plusieurs paramètres sont surveillés, en particulier :

• L’effort de tension
• La courbure
• Le nombre de cycles
• La fréquence de l’essai
• La température

A la fin de l’essai, des essais électriques de routine sont effectués ainsi qu’une inspection visuelle et enfin une dissection du câble. La brochure détaille les critères de sanction de l’essai en fatigue ainsi que les différents points à prendre en compte lors de la mise en oeuvre d’un tel essai.

L’essai en fatigue sur câble complet est un essai complexe et qui prend du temps. Il apparait donc souhaitable de définir les conditions dans lesquelles une extension de l’approbation de type peut être accordée, afin d’éviter d’avoir à refaire un essai en fatigue pour chaque projet, lorsque les câbles ont un dimensionnement similaire et que les conditions de chargement sont d’amplitudes voisines. Cette nouvelle brochure détaille les conditions dans lesquelles un nouvel essai en fatigue sur câble complet ou sur un composant du câble est requis.

En plus de l’essai en fatigue, certains essais dits de caractérisation mécanique sont importants. La brochure en fournit une description.

L’une des caractéristiques les plus importantes des câbles dynamiques est leur raideur en flexion car cela influence la réponse en flexion du câble lors des chargements dynamiques. La raideur en flexion d’un câble sous-marin n’est pas linéaire. Par ailleurs, elle peut varier en fonction de la température, de la vitesse de flexion et de l’amplitude. La brochure fournit une description d’un test de raideur en flexion. Lors de cet essai, un moment de flexion est appliqué au câble. La réponse en courbure qui en résulte est alors mesurée. Cet essai permet de mesurer la courbe de raideur flexurale et d’établir la relation hystérétique entre le moment de flexion et la courbure.

Des essais sur des composants peuvent également s’avérer nécessaires pour, par exemple, déterminer les courbes S-N des composants du câble (ex : brins d’armure, brins des conducteurs, fils d’écran). Les essais en fatigue sur composants sont décrits dans la brochure. Les normes d’essais associées sont également indiquées. De même, les essais sur composants permettant de déterminer les performances du câble vis-à-vis de l’abrasion sont décrits et les références aux normes existantes fournies.

Un câble dynamique peut également être soumis à une compression axiale, c’est à dire une tension négative, en raison des mouvements dynamiques du câble et/ou de la plateforme. Il a été montré que la combinaison de chargements en compression et de cycles de flexion du câble peut initier un flambement latéral des brins d’armure. La brochure inclut une description d’un essai de compression combiné à de la flexion. Cet essai est réalisé en appliquant à une échantillon de câble soumis à un cyclage en flexion un effort constant de compression.

Les accessoires tels que les modules de flottaison ou les brides sont fixés au câble dynamique et maintenus en place grâce aux frottements générés par la force de serrage du dispositif. Cette pression de serrage doit être suffisante pour éviter le glissement de l’accessoire, non seulement pendant l’installation, mais aussi pendant toute la durée de service du câble, en conditions de service normales comme en conditions météorologiques extrêmes.  La brochure présente deux essais liés aux dispositifs de serrage. Le premier est l’essai de serrage (clamp squeeze test). Il permet de vérifier que le câble peut supporter la pression de serrage prévue pour le dispositif qui sera installé. Il permet aussi de caractériser le comportement à court et long terme des câbles vis-à-vis des efforts de serrage. Le second essai est l’essai de glissement. Il permet de vérifier que la bride de serrage ne glissera pas lorsqu’elle sera soumise aux chargements maximaux en tension attendus en service et lors des phases d’installation.

Conclusion

L’éolien flottant est en fort développement. Cette technologie nécessite l’emploi de câbles dynamiques capables de supporter les déplacements induits par le flotteur, pendant toute sa durée de vie. La façon dont ce type de câble est dimensionné et testé est complexe et diffère, en particulier sur les aspects mécaniques, de ce qui est classiquement fait sur des câbles sous-marins statiques. Son dimensionnement mécanique repose sur un processus itératif incluant une analyse globale et une analyse locale. A l’issue de ces analyses, un essai en fatigue sur câble complet peut être réalisé pour valider un design pour un projet donné. La brochure technique rédigée par le groupe de travail CIGRE B1.63 détaille les différentes étapes du dimensionnement d’un câble dynamique et émet des recommandations quant à la réalisation des analyses globale, locale et de l’essai en fatigue.

Références

1. ISO, ISO 13628-5: Design and operation of subsea production systems - Part 5: Subsea Umbilicals, 2009.
2. DNVGL, DNVGL-RP-F401: Electrical power cables in subsea applications, 2019.
3. CIGRE, TB 610: Offshore Generation Cable Connections, 2015 : https://e-cigre.org/publication/610-offshore-generation-cable-connections
4. CIGRE, TB 623: Recommendations for mechanical testing of submarine cables, 2015 : https://e-cigre.org/publication/623-recommendations-for-mechanical-testing-of-submarine-cables
5. CIGRE, TB 722: Recommendations for Additional Testing for Submarine Cables from 6kV (Um=7.2 kV) up to 60 kV (Um = 72.5 kV), 2018 : https://e-cigre.org/publication/722-recommendations-for-additional-testing-for-submarine-cables-from-6-kv-um72-kv-up-to-60-kv-um--725-kv
6. IEC, IEC 63026: Submarine power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 60 kV (Um = 72,5 kV) – Test methods and requirements, 2019.
7. IEC, IEC 60840: Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV (Um = 36 kV) up to 150 kV (Um = 170 kV) – Test methods and requirements, 2020.
8. IEC, IEC 60502-2: Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages from 1 kV (Um = 1,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV)- Part 2: Cables for rated voltages from 6 kV (Um = 7,2 kV) up to 30 kV (Um = 36 kV), 2014.
9. IEC, IEC 63067: Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltage above 150 kV (Um=170 kV) up to 500 kV (Um=550 kV) - Test methods and requirements, 2011.
10. CIGRE, TB 490: Recommendations for Testing of Long AC Submarine Cables with Extruded Insulation for System Voltage above 30 (36) to 500 (550) kV, 2012 : https://e-cigre.org/publication/490-recommendations-for-testing-of-long-ac-submarine-cables-with-extruded-insulation-for-system-voltage-above-30-36-to-500-550-kv-this-tb-replaces-electra-article-elt1891
11. API, API 17E: Specification for Subsea Umbilicals, 2017.