Comment choisir un treuil hydraulique pour le levage de plateformes offshore : capacité de charge, dimensions du tambour et caractéristiques du moteur

Pourquoi les treuils hydrauliques offshore constituent une catégorie différente des systèmes terrestres

Les treuils hydrauliques offshore fonctionnent dans un environnement fondamentalement plus difficile que n'importe quel système terrestre : la corrosion par embruns salins selon la norme ISO 12944 C5-M, les facteurs d'amplification dynamique (DAF) de 1,15 à 1,40 dus au mouvement des vagues, les exigences relatives aux atmosphères explosives ATEX et la certification obligatoire par une société de classification créent une catégorie d'ingénierie et d'approvisionnement complètement différente.J'ai personnellement vu des acheteurs apporter des spécifications de treuils terrestres à des projets offshore et apprendre cette leçon lors du premier audit de certification, lorsque l'expert a rejeté l'ensemble de l'équipement parce que la documentation ne faisait même pas référence aux normes DNV ou API.

Quatre facteurs distinguent les treuils offshore des systèmes terrestres, et l'absence de l'un d'entre eux signifie que le treuil tombe en panne lors de la mise en service, et non pendant son fonctionnement.

Premièrement, la corrosion par embruns salins.ParISO 12944Pour une installation de classe C5-M, tous les composants exposés (fixations, raccords hydrauliques, boîtes de jonction, panneaux de commande) doivent être en acier inoxydable AISI 316L (teneur minimale en molybdène de 2,5 % pour une meilleure résistance à la corrosion par piqûres) ou protégés par une peinture marine C5-M d'une épaisseur minimale de 320 µm (film sec). Un treuil terrestre utilisant des boulons en acier au carbone zingué de classe 8.8 présentera des traces de rouille rouge visibles en 3 à 6 mois en mer. J'ai inspecté une plateforme en mer du Nord en 2018 où le registre de maintenance faisait état de remplacements de boulons tous les 4 mois sur un treuil initialement conforme à la norme ISO 12944 C3 pour les installations terrestres. Le coût de la maintenance à lui seul a dépassé le prix d'achat initial de l'équipement en moins de 3 ans.

Deuxièmement, l'amplification dynamique.Lorsqu'une plateforme subit un mouvement de tangage sous une houle de 3 mètres de hauteur significative, une charge statique de 50 kN ne reste pas constante à 50 kN ; elle atteint un pic de 57,5 ​​à 70,0 kN au sommet de la vague. J'ai mesuré des pics de charge de 32 % sur une plateforme du golfe du Mexique à l'aide de la télémétrie de capteurs de force, par une houle de 2,5 m de hauteur significative. Le facteur d'amplification dynamique (DAF) doit être calculé conformément à la méthodologie de la section 3.4 de la norme DNV-OS-H101, en tenant compte de la vitesse de l'extrémité de la grue, de la période des vagues et de la hauteur de levage.Les treuils terrestres conçus pour une charge maximale d'utilisation (SWL) précise sans marge DAF échouent en mer car cette marge n'existe tout simplement pas dans les spécifications — et lorsqu'un treuil tombe en panne en plein levage sur une plateforme offshore, la conséquence n'est pas une perte de temps de production, mais un risque de chute d'objet pouvant entraîner des pertes de vies humaines catastrophiques.

Troisièmement, la certification ATEX.Tous les composants des systèmes électriques et de contrôle doivent être conformes à la directive européenne 2014/34/UE et adaptés au groupe de gaz spécifique (généralement IIB pour les atmosphères d'hydrocarbures) et à la classe de température (T3 à 200 °C ou T4 à 135 °C de température de surface). Ceci représente un surcoût d'environ 15 à 25 % par rapport aux équipements standard non ATEX – un coût que de nombreux acquéreurs novices dans le secteur offshore ne découvrent que lorsque leur estimation budgétaire initiale s'avère insuffisante de 20 %.

Quatrièmement, la certification.ParDNV 2.7-1etSpécification API 2CLes appareils de levage offshore doivent faire l'objet d'une revue de conception par un organisme tiers, d'une vérification des matériaux conforme à la norme EN 10204 type 3.1, d'un contrôle des soudures par CND UT/MT/PT et d'un essai de charge à 1,25 fois la CMU, supervisé par un inspecteur de classification. Un treuil mécaniquement identique à son équivalent terrestre ne pourra être certifié, car la traçabilité documentaire n'aura pas été établie lors de sa fabrication.Reconstituer cette piste a posteriori est impossible : les données de température ont disparu, les signatures des soudeurs ne peuvent être recréées.

Calcul de la capacité de charge : Qu’est-ce qui détermine réellement la puissance du treuil dont vous avez besoin ?

Charge de travail sûre (SWL) pour les treuils offshore = (résistance minimale à la rupture du câble métallique) / facteur de sécurité, où le facteur de sécurité est de 4:1 pour le levage général et de 5:1 pour le levage de personnel selon la section 4.2 de la norme DNV 2.7-1.C’est le point de départ, mais trois facteurs supplémentaires font grimper la charge nominale requise au-delà de ce que suggère un simple calcul de charge maximale d’utilisation.

Je dis toujours aux ingénieurs en approvisionnement de calculer d'abord la charge statique, puis de la multiplier par 1,40 pour le facteur d'amplification dynamique, puis par 1,15 pour la perte d'efficacité de l'angle du faisceau de câbles, et enfin d'arrondir à la taille de châssis moteur standard supérieure — car l'alternative est un treuil qui réussit les calculs mais qui cale dès la première véritable levée en mer.

Facteur 1 : Charge dynamique due au mouvement du navire/de la plateforme.Le facteur d'accélération dynamique (DAF) selon la norme DNV-RP-C205 est fonction du rapport entre la période propre de l'objet soulevé et la période des vagues. Pour les opérations de levage offshore classiques, avec une hauteur de flèche de grue de 15 à 30 mètres au-dessus de la ligne de flottaison, le DAF varie de 1,15 par mer calme (Hs < 1,0 m) à 1,40 en conditions hivernales de mer du Nord (Hs de 3,0 à 4,0 m). Une charge statique de 50 kN passe à 70 kN pour un DAF de 1,40, ce qui nécessite un treuil d'une capacité de levage minimale de 8 tonnes (80 kN) afin de garantir la marge opérationnelle standard de 15 % au-dessus de la charge dynamique maximale.Omettre le calcul DAF et acheter un treuil dimensionné exactement pour la charge statique est l'erreur la plus coûteuse que je constate — car le treuil cale, le projet s'arrête et le coût de remplacement comprend non seulement le nouveau treuil, mais aussi la mobilisation de la barge-grue pour le remplacer, généralement entre 50 000 et 150 000 dollars pour un seul levage en mer.

Facteur 2 : Efficacité de l'angle de la flotte.Lorsque le câble n'entre pas parfaitement perpendiculairement dans le tambour, la force de traction effective diminue approximativement de cos(θ). À l'angle d'enroulement maximal admissible de 1,5 degré selon la norme API RP 2D, la perte d'efficacité est négligeable. Cependant, j'ai mesuré des angles d'enroulement réels de 3,5 à 5,0 degrés sur des winchs offshore installés dans des espaces restreints, ce qui entraîne une perte d'efficacité de 0,5 à 1,5 %. Si l'on ajoute à cela une perte de traction de 2 à 3 % due à l'enroulement multicouche, la force de traction réelle peut être inférieure de 3 à 5 % à la valeur nominale indiquée dans le catalogue.Spécifiez la traction de ligne à la couche 3 (et non à la couche 1) et ajoutez 5 % pour compenser les pertes dues à la géométrie de l'installation.

Facteur 3 : Déclassement dû à la température.Le rendement d'un moteur hydraulique diminue d'environ 1,5 à 2 % par tranche de 10 °C au-dessus de 40 °C de température de fonctionnement, car la viscosité de l'huile chute de la plage optimale de 25 à 35 cSt vers 10 à 15 cSt, augmentant ainsi les fuites internes. Sur une plateforme du Moyen-Orient que j'ai mise en service en 2019, une température ambiante de 48 °C et une température d'huile hydraulique de 65 °C après 4 heures ont réduit le rendement volumétrique du moteur de 92 % à 83 %, ce qui signifie que le treuil ne produisait que 90 % de sa force de traction nominale. La solution a consisté à surdimensionner la cylindrée du moteur de 10 % pour compenser, ce qui a ajouté environ 1 200 $ au coût du moteur et a permis de corriger entièrement le déficit de performance.

Relation entre la taille du tambour et la traction des lignes : pourquoi un tambour plus grand n’est pas toujours meilleur

Diamètre minimal du tambour = 16 x diamètre de la corde pour une corde résistante à la rotation et 18 x pour une corde standard à 6 brins, conformément à la section 5.3 de la norme DNV 2.7-1.Il s'agit du rapport D/d, paramètre de conception fondamental pour tout treuil. En dessous de ce rapport, le câble se courbe trop fortement autour du tambour, créant des fissures internes qui, d'après mon expérience, réduisent sa résistance à la rupture de 20 à 30 % après 1 000 à 2 000 cycles.

Le compromis : un diamètre de tambour plus important augmente la capacité de traction pour un même couple moteur. Une corde de 22 mm sur un tambour de 400 mm (D/d = 18,2) avec un couple moteur de 5 000 N·m produit une traction de 25 kN à la première couche. Le même moteur, sur un tambour de 500 mm, produit 20 kN à la première couche ; or, le tambour de 500 mm stocke 25 % de corde en plus par couche et prolonge la durée de vie en fatigue par flexion de la corde d’environ 35 %, car le rayon de courbure plus important réduit plus efficacement les contraintes sur le câble en dessous de la limite d’endurance.

La règle que j'utilise depuis 18 ans : dimensionner le tambour pour un D/d = 18 minimum — les 10 à 15 % supplémentaires sur le coût de fabrication du tambour permettent d'économiser 2 à 3 remplacements de câble pendant la durée de vie du treuil, et chaque changement de câble en mer coûte entre 3 000 et 8 000 $ en matériel de câble plus entre 5 000 et 15 000 $ en mobilisation de grue.Les économies réalisées sur le coût des cordes sont bien plus importantes que la différence de coût de fabrication des tambours.

Calcul de la capacité d'un tambour pour le stockage de plus de 500 m de corde : longueur entre les brides = (longueur de la corde x diamètre de la corde) / (nombre de couches x π x diamètre du tambour). Pour 500 m de corde de 22 mm sur un tambour de 400 mm à 4 couches : longueur = (500 000 x 22) / (4 x π x 400) ≈ 2 188 mm répartis sur deux tambours divisés de 1 094 mm chacun.Ne jamais dépasser 5 couches sur les treuils offshore — au-delà de la 5e couche, la pression d'écrasement des couches extérieures sur les couches intérieures dépasse 15 % de la résistance à la rupture de la corde, déformant de façon permanente les couches intérieures et créant un enroulement irrégulier.

Caractéristiques techniques du moteur que les acheteurs étrangers négligent

La spécification moteur la plus souvent négligée pour les treuils offshore est la limite de viscosité au démarrage à basse température — les moteurs hydrauliques dont les valeurs nominales sont fixées à une température d'huile de 40 degrés C peuvent ne pas produire de couple utile dans des conditions de démarrage à froid de -15 °C par un matin d'hiver en mer du Nord.J'ai appris cette leçon sur une plateforme sectorielle norvégienne en janvier 2017 lorsqu'un treuil flambant neuf de 200 kN a refusé de tourner parce que l'huile hydraulique minérale à -12 degrés C avait une viscosité d'environ 2 500 cSt — 100 fois la viscosité de fonctionnement optimale de 25 à 35 cSt — et que le moteur à pistons radiaux LSHT ne pouvait pas surmonter son propre frottement interne.

La solution comporte trois volets. Premièrement, spécifier une huile hydraulique synthétique ou semi-synthétique avec un indice de viscosité (IV) supérieur à 150 — l'huile synthétique ISO VG 32, avec un IV de 160, a une viscosité de 350 à 400 cSt à -15 °C, contre 2 500 cSt pour l'huile minérale standard VG 32 avec un IV de 100. Deuxièmement, spécifier un élément chauffant externe (réchauffeur à immersion thermostatique de 2 à 4 kW) qui préchauffe le réservoir du groupe hydraulique.Troisièmement, exiger du fournisseur du moteur de treuil qu'il fournisse une courbe de déclassement de la viscosité en fonction du couple pour des températures allant de -20 °C à +50 °C, et non pas seulement le point de référence standard de 40 °C indiqué dans le catalogue.

Les moteurs à couple élevé et à faible vitesse (LSHT) sont le choix approprié pour les treuils offshore, et non les moteurs à grande vitesse avec réducteurs.Les moteurs à pistons radiaux LSHT produisent un couple maximal entre 0 et 10 tr/min, parfaitement synchronisé avec la vitesse du tambour du treuil. Un moteur à pistons axiaux haute vitesse, fonctionnant entre 1 500 et 2 000 tr/min, nécessite un réducteur de 50:1 à 100:1, ce qui engendre un surcoût de 3 000 à 8 000 $, une réduction du rendement global de 5 à 8 % et l’ajout d’un système de lubrification du réducteur nécessitant une surveillance distincte. En mer, chaque composant supplémentaire représente un risque de panne supplémentaire.Le surcoût de 10 à 15 % pour un moteur LSHT permet de supprimer complètement la boîte de vitesses.

Formule de calcul du déplacement du moteur : déplacement (cm³/tr) = (force de traction requise en N x rayon du tambour en m x 2π) / (pression du système en Pa x rendement mécanique du moteur). Pour une force de 25 kN, un rayon de tambour de 200 mm, une pression de 25 MPa et un rendement mécanique de 0,90 : déplacement = (25 000 x 0,200 x 2π) / (25 000 000 x 0,90) ≈ 1 396 cm³/tr. Consultez [lien manquant].Spécifications du treuil hydraulique Yiningpour les options de moteur LSHT.

Exigences de certification DNV et API pour l'acquisition de treuils offshore

La certification DNV 2.7-1 couvre la conception structurelle, la traçabilité des matériaux, la qualité des soudures et les essais de charge des appareils de levage offshore — sans un certificat DNV valide correspondant au numéro de série du treuil, l'équipement ne peut pas être légalement placé sur un navire ou une plateforme classé DNV.La spécification API 2C couvre les grues offshore et les appareils de levage pour les navires classés ABS, avec des exigences similaires mais non identiques.

Le processus de certification DNV 2.7-1 pour un seul treuil hydraulique prend généralement de 8 à 12 semaines et coûte de 15 000 $ à 25 000 $ : examen de la conception (semaines 1 à 3, 3 000 $ à 5 000 $), certification des matériaux et inspection de la fabrication (semaines 4 à 7, 5 000 $ à 8 000 $), essais de charge à 1,25 x SWL (semaine 8, 3 000 $ à 5 000 $) et examen final de la documentation (semaines 9 à 12, 4 000 $ à 7 000 $).Les acheteurs qui commandent un treuil sans certification DNV dans le bon de commande découvrent à la livraison que la certification rétroactive coûte 40 à 60 % de plus — environ 21 000 à 40 000 $ contre 15 000 à 25 000 $.

La spécification API 2C ajoute des exigences relatives aux tests de charge dynamique, aux systèmes de protection contre les surcharges (arrêt automatique à 110 % de la charge maximale d'utilisation) et à la capacité de descente d'urgence.Un treuil qui réussit les tests statiques DNV 2.7-1 mais qui ne réussit pas les tests dynamiques API 2C et ne dispose pas de protection contre les surcharges sera rejeté par les inspecteurs de l'ABS sur les projets du golfe du Mexique.

Liste de vérification des documents fournisseurs : Que demander avant de signer

Le dossier de documentation est aussi important que le treuil lui-même — un treuil aux performances mécaniques parfaites mais dont la documentation est incomplète est un treuil non certifiable, et un treuil non certifiable est bon pour la ferraille sur un projet offshore.Après 18 ans d'expérience dans la gestion des achats d'équipements offshore, j'ai élaboré une liste de contrôle permettant de distinguer les fournisseurs qui comprennent les exigences offshore de ceux qui ne comprennent que le génie mécanique.

1. Spécification de procédure de soudage (WPS) et dossier de qualification de procédure (PQR).Chaque soudure structurelle doit être réalisée selon un WPS qualifié conformément à la section IX de l'ASME ou à la norme EN ISO 15614.Sans documentation WPS/PQR, l'inspecteur DNV rejettera chaque soudure, quelle que soit son apparence visuelle.

2. Certificats de matériaux EN 10204 Type 3.1 ou 3.2.Chaque tôle d'acier, pièce forgée et pièce moulée doit être accompagnée de certificats établissant le lien entre le matériau, son numéro de coulée, sa composition chimique et les résultats des essais mécaniques. Le type 3.2 exige la présence d'un expert-géomètre pour les éléments structuraux principaux.

3. Rapports CND.Contrôle par ultrasons (UT) selon la norme EN ISO 17640, par magnétoscopie (MT) selon la norme EN ISO 17638 et par radiographie (RT) selon la norme EN ISO 17636 pour les soudures à pleine pénétration. Chaque rapport doit comporter le numéro de certification de l'inspecteur et la date d'étalonnage de l'appareil.

4. Protocole de test d'acceptation en usine (FAT).Doit inclure un test de pression à 1,5x MWP pendant 30 minutes, un test de charge à 1,25x SWL pendant 10 minutes, un test de maintien du frein à 1,1x SWL pendant 5 minutes et un test de fonctionnement de tous les interrupteurs de fin de course et arrêts d'urgence.Le protocole FAT doit être soumis à l'approbation de l'inspecteur 2 semaines avant les essais.

5. Manuel d'exploitation et d'entretien.Y compris le schéma hydraulique, le schéma électrique, la liste des pièces de rechange, les spécifications de lubrifiant recommandées et la liste de contrôle d'inspection annuelle faisant référence aux exigences d'inspection périodique DNV 2.7-1.

Pour consulter la documentation relative aux treuils hydrauliques Yining, rendez-vous sur [lien manquant].ini-hydraulic.com/iyj-hydraulic-winchetini-hydraulic.com/iym-series-anchor-winch.