Accouplements pour plateformes de forage en mer : Fiabilité technique en bord de mer

Dans un accouplement à engrenages, le couple est transmis par l'engrènement des dents bombées des moyeux avec celles de la bague extérieure. Le profil en développante de cercle des dents, généralement conforme aux normes DIN ou AGMA avec un angle de pression de 20°, répartit la charge simultanément sur plusieurs contacts, permettant d'obtenir une densité de couple élevée dans un format compact. La géométrie bombée des dents – dont les faces sont arrondies plutôt que droites – est la caractéristique essentielle qui permet aux accouplements à engrenages de compenser un désalignement angulaire jusqu'à 1,5° par moitié d'accouplement sans générer de contraintes excessives sur les bords. Ce principe fait des accouplements à engrenages le choix privilégié pour les arbres de transmission principaux des treuils et des tables de rotation des plateformes offshore, où un couple élevé et un désalignement angulaire continu sont inévitables.

Les accouplements à disques fonctionnent selon un principe mécanique totalement différent. De fins disques métalliques laminés — généralement en acier inoxydable austénitique ou en alliage Inconel — fléchissent tangentiellement sous l'effet d'une charge de torsion, créant ainsi une souplesse comparable à celle d'un ressort qui compense les défauts d'alignement angulaires et axiaux sans aucun contact glissant. En l'absence de frottement métal sur métal en fonctionnement normal, les accouplements à disques ne génèrent aucune usure, ne nécessitent aucune lubrification et ne produisent aucun jeu. Ces caractéristiques en font la solution privilégiée pour les systèmes d'entraînement de précision sur les plateformes offshore où un fonctionnement propre et l'absence de jeu sont essentiels, comme les bancs d'essai de moteurs de forage directionnel, les entraînements de propulseurs à positionnement dynamique et les groupes compresseurs marins où les vibrations doivent être strictement maîtrisées pour des raisons de préservation des équipements et d'acoustique.

Sur une plateforme de forage, la chaîne cinématique n'est pas un système à couple constant. La garniture de forage rencontre des changements de formation imprévisibles – du schiste tendre à la calcite dure – qui engendrent des inversions de couple instantanées et des chocs. Si ces impulsions se propagent sans atténuation dans la chaîne cinématique, elles peuvent fissurer les dents d'engrenage, rompre les bagues de roulement et fatiguer les enroulements du moteur en quelques semaines seulement. Des accouplements flexibles, composés d'éléments en polyuréthane, néoprène ou caoutchouc interposés entre les brides menante et menée, permettent d'introduire une rigidité et un amortissement contrôlés. L'élément se déforme élastiquement pour absorber les pics de charge, puis restitue progressivement l'énergie emmagasinée, lissant ainsi la forme d'onde du couple transmis au moteur. Le choix de la dureté de l'élément – ​​mesurée en Shore A – est un paramètre d'ingénierie critique qui doit être adapté à la fréquence naturelle de torsion de l'ensemble de la chaîne cinématique afin d'éviter une amplification de la résonance au lieu d'une atténuation.

Les accouplements à engrenages marins de la série EP délivrent des couples nominaux de 800 Nm à 2 800 000 Nm par accouplement, avec une capacité de surcharge maximale de 2,5 fois le couple nominal pendant 1 000 cycles. Ils sont ainsi capables de résister aux contraintes de couple les plus extrêmes, comme celles rencontrées lorsqu'un trépan de forage rencontre une formation rocheuse dure alors que le moteur du treuil fonctionne à pleine puissance – des conditions qui ont détruit des accouplements de moindre qualité et entraîné des reconstructions coûteuses de la chaîne cinématique dans des installations allant du Cromarty Firth à l'Humber.

Les accouplements à disques garantissent un jeu nul grâce à la continuité de la charge métallique du bloc laminé. La précision de positionnement au niveau de la garniture de forage est directement liée au jeu de l'accouplement, ce qui rend cette caractéristique essentielle pour les opérations de forage dirigé où la déviation de la trajectoire du puits se mesure en fractions de degré. L'absence de jeu élimine également les cliquetis basse fréquence produits par les accouplements affectés par le jeu lors de l'inversion du couple, susceptibles de déclencher de fausses alarmes de vibration dans les systèmes de surveillance et d'entraîner des arrêts intempestifs.

Les accouplements à disques, en particulier, ne nécessitent aucune lubrification programmée, aucune inspection périodique des dents d'engrenage ni aucun regraissage lors des interventions de maintenance — un avantage crucial sur les plateformes où la planification des opérations de maintenance est dictée par les conditions météorologiques, le programme de forage et la disponibilité des hélicoptères, plutôt que par les préférences d'un technicien de maintenance. Certains opérateurs offshore du plateau continental britannique ont signalé des durées de vie de plus de sept ans pour leurs accouplements à disques, sans aucune intervention mécanique, ce qui représente un coût total de maintenance nul après le contrôle initial.

Les plateformes offshore subissent des déformations. La structure métallique du pont d'une plateforme semi-submersible, soumise à une tempête en mer du Nord, se déforme sensiblement sous l'effet des vagues. Même les plateformes à structure fixe subissent des tassements différentiels saisonniers au niveau des pieux de fondation. Ces mouvements structurels se répercutent sur l'alignement de la transmission sous forme de décalages angulaires et parallèles de l'arbre, qui évoluent avec le temps et ne peuvent être éliminés par un simple alignement initial précis. Les accouplements à engrenages à grand débattement compensent des valeurs angulaires allant jusqu'à 3 degrés et des décalages parallèles jusqu'à 4 mm, permettant ainsi à la transmission de rester opérationnelle malgré les mouvements de la plateforme qui provoqueraient la fissuration d'accouplements rigides et la destruction de joints d'étanchéité d'arbre de haute précision.

Le treuil est l'élément central du système de levage. Il assure la descente et la remontée des tiges de forage dans le puits et la mise en place des tubages, qui peuvent peser plusieurs centaines de tonnes. Les moteurs principaux, généralement des variateurs de vitesse à courant alternatif d'une puissance de 500 kW à 4 000 kW, sont reliés à l'arbre du tambour par un système d'accouplement à engrenages. Ce système doit supporter un couple statique élevé lors de la remontée des tiges et un couple dynamique important lors du freinage pendant la descente. Les accouplements à engrenages, installés entre le moteur et l'arbre d'entrée du réducteur, doivent compenser le jeu axial de l'arbre moteur dû à la dilatation thermique (pouvant atteindre 6 à 8 mm par cycle de fonctionnement), tout en compensant le défaut d'alignement angulaire induit par la déformation du support moteur sous l'effet du couple de réaction.

Dans les opérations offshore basées au Royaume-Uni, notamment sur les plateformes exploitant les champs de Forties et de Buzzard à l'est d'Aberdeen, la combinaison d'une forte humidité ambiante, de projections d'eau de mer occasionnelles sur le pont et des vibrations transmises par les vagues à travers la structure de la plateforme crée un environnement particulièrement exigeant pour les joints d'étanchéité des accouplements. L'utilisation de joints à double lèvre avec une graisse marine (grade NLGI 2 avec additifs EP et résistance au lessivage par l'eau salée) et un graissage semestriel lors des arrêts de maintenance planifiés se sont avérés être la stratégie la plus efficace pour garantir une durée de vie de trois ans sans démontage de l'accouplement.

Sur les plateformes offshore, les pompes à boue font circuler le fluide de forage le long de la colonne de forage et le refoulent dans l'espace annulaire à des débits pouvant atteindre 7 000 litres par minute et des pressions de refoulement jusqu'à 6 000 psi. La conception de la pompe à piston triplex, qui produit trois impulsions de pression par tour de vilebrequin, génère une demande de couple pulsatoire caractéristique sur l'arbre d'entrée. Cette demande peut engendrer des résonances de torsion dans toute la chaîne cinématique si la rigidité de l'accouplement n'est pas correctement adaptée. Les accouplements flexibles avec éléments élastomères en polyuréthane, spécifiés avec une rigidité de torsion appropriée pour désaccorder le système par rapport aux troisième et sixième harmoniques de la vitesse de la pompe, constituent la solution standard pour les entraînements de pompes à boue sur les plateformes de la mer du Nord.

L'accouplement entre le moteur électrique et le réducteur de la pompe doit également supporter la dilatation thermique importante qui se produit lors de la montée en température d'un moteur de 1 500 kW, du démarrage à froid jusqu'à sa température de fonctionnement optimale — un processus qui dure 45 minutes et entraîne une dilatation axiale de l'arbre de 3 à 5 mm. Des accouplements à mâchoires flexibles avec partie centrale flottante ou des accouplements à engrenages avec entretoises sont utilisés à cet effet, selon la longueur d'installation disponible et la stratégie de maintenance définie par l'opérateur. Ever Power fournit des kits d'entretoises d'accouplement sur mesure pour la modernisation des pompes à boue, compatibles dimensionnellement avec les modèles de pompes Oilwell, Gardner Denver et National Oilwell Varco, ce qui évite l'usinage sur mesure des brides d'adaptation pour les installations sur le plateau continental britannique.

L'unité de rotation supérieure se déplace verticalement le long des rails de guidage du derrick, entraînant la rotation de la garniture de forage tandis que l'ensemble effectue un mouvement de va-et-vient. Les moteurs d'entraînement — de un à quatre, d'une puissance unitaire de 450 à 1 000 kW — sont reliés au réducteur de rotation par des accouplements qui doivent compenser à la fois le désalignement angulaire dû à l'usure des rails et le décalage parallèle causé par l'accumulation des tolérances de guidage sur une course de 30 à 40 mètres. L'unité de rotation supérieure étant un équipement mobile soumis à des chocs à chaque engagement d'une nouvelle tige de forage, l'accouplement doit également présenter une résistance à la fatigue exceptionnelle pour supporter les millions de cycles d'engagement durant la durée de vie opérationnelle de l'installation.

Les accouplements à disques sont devenus la solution privilégiée pour les liaisons entre moteurs d'entraînement et réducteurs grâce à leur capacité de couple élevée, leur fonctionnement sans entretien et leur inspection visuelle. Une fissure ou une rupture par fatigue dans un disque produit une déformation visible, détectable lors des contrôles de routine sans démontage. Ceci est parfaitement conforme aux exigences de la réglementation britannique HSE (Health and Safety Executive) relative aux équipements rotatifs critiques pour la sécurité. Cette réglementation impose des inspections périodiques des composants de transmission des installations offshore exploitées dans le cadre du règlement OPCVM (Offshore Installations and Wells (Design and Construction, etc.) Regulations). Parfaitement maîtrisées par les équipes de conformité et d'ingénierie d'Aberdeen, ces recommandations de la HSE favorisent le choix de composants permettant une inspection non invasive.

Chaque plateforme offshore exploite un système de production d'énergie – généralement trois à six groupes électrogènes diesel d'une puissance unitaire comprise entre 1 500 et 5 000 kW – qui alimente en électricité l'ensemble des systèmes de forage et des utilités. Le moteur diesel entraîne le générateur par l'intermédiaire d'un accouplement qui doit absorber les irrégularités de torsion du moteur alternatif, tout en empêchant ces vibrations de se propager au générateur et d'affecter la régulation de tension et la fatigue des enroulements. L'utilisation d'accouplements flexibles en torsion, dotés d'éléments élastomères aux dimensions précises, est indispensable dans cette application ; la rigidité en torsion doit être calculée en tenant compte de l'inertie du rotor du générateur et de l'ordre d'allumage du moteur afin de garantir que les fréquences propres de torsion du système restent hors de la plage de vitesses de fonctionnement.

Les groupes électrogènes diesel de secours, qui doivent démarrer et atteindre leur pleine charge en moins de 30 secondes conformément à la convention SOLAS, imposent des exigences supplémentaires en matière d'accouplement : l'accouplement doit résister aux chocs de couple au démarrage à froid pouvant atteindre cinq fois le couple nominal, qui se produisent lorsqu'un moteur froid démarre contre une barre omnibus précontrainte. Des accouplements intégrant une goupille de cisaillement ou un limiteur de couple sont parfois utilisés à cet effet, protégeant ainsi les enroulements du générateur contre les surcharges mécaniques. Ce système présente toutefois l'inconvénient d'un mode de défaillance planifié, facilement réparable – généralement en moins de 20 minutes par un technicien qualifié – sans nécessiter le démontage de l'accouplement principal.

Sur les plateformes exploitées par les compagnies énergétiques britanniques titulaires de licences en mer du Nord ou en zone frontalière atlantique, les spécifications des accouplements de groupes électrogènes font généralement référence à la norme API 671 (Accouplements à usage spécial pour les services des industries pétrolière, chimique et gazière). Cette norme exige un équilibrage en usine à G 1.0 ou mieux, une documentation dimensionnelle traçable au certificat d'essai des matériaux et un essai hydrostatique ou de pression de toute cavité lubrifiée avant expédition. Le système de gestion de la qualité d'Ever Power est structuré pour satisfaire aux exigences de documentation de la norme API 671 de manière standard, et non en option, réduisant ainsi les délais d'approvisionnement pour les commandes d'accouplements offshore critiques en matière de conformité.

Les navires de forage semi-submersibles et les bateaux de forage utilisent des systèmes de positionnement dynamique pour maintenir leur position au-dessus du puits sans ancres. Les propulseurs — généralement six à douze unités azimutales de 2 000 à 5 500 kW chacune — nécessitent des accouplements, au niveau de la liaison entre le moteur principal et le réducteur du propulseur, qui allient un couple élevé, une absence de jeu et une transmission de puissance régulière. Toute irrégularité mécanique ou ondulation de couple dans la chaîne d'entraînement des propulseurs est détectée par le système de contrôle DP comme un mouvement indésirable du navire, déclenchant des corrections de poussée qui entraînent un gaspillage d'énergie et une usure accrue de l'ensemble des propulseurs.

Les accouplements à disques conformes aux normes de positionnement dynamique de classe 3 constituent la solution de référence pour cette application. Leur rigidité en torsion assure une fonction de transfert linéaire et prévisible entre le couple moteur et le couple de l'hélice, que les algorithmes de commande DP peuvent modéliser avec précision. L'absence de jeu élimine la non-linéarité qui apparaîtrait lors des inversions de direction du propulseur. Les exploitants de navires britanniques soumis aux exigences d'inspection de la MCA (Maritime and Coastguard Agency) spécifient des conceptions d'accouplements à disques à chemins de charge indépendants : les deux disques d'un accouplement à double disque supportent chacun le couple nominal de manière indépendante, de sorte que la défaillance d'un seul disque n'entraîne pas de perte de propulsion, conformément aux exigences de redondance des systèmes DP de classe 2 et 3.

Ever Power opère depuis un site d'ingénierie de précision de 60 000 mètres carrés équipé de rectifieuses d'engrenages CNC, de centres d'usinage cinq axes et de machines à mesurer tridimensionnelles étalonnées selon la norme ISO 10360. Les opérations de fabrication sont encadrées par un système de gestion de la qualité certifié ISO 9001:2015, et l'équipe d'ingénierie – composée de plus de 150 ingénieurs qualifiés – propose des services standard aux équipes d'approvisionnement offshore, notamment la sélection des accouplements, l'analyse de torsion et la documentation API 671.

La capacité de personnalisation est l'atout majeur qui fait d'Ever Power le partenaire de choix pour les projets offshore où les produits standard du catalogue ne suffisent pas. Son équipe d'ingénieurs maîtrise parfaitement les diamètres d'alésage et les configurations de rainures de clavette non standard, les dimensions face à face spécifiques imposées par les contraintes de montage des réducteurs d'origine, les assemblages bimatières combinant des manchons en acier inoxydable et des moyeux en acier allié, les cartouches à échange rapide permettant un remplacement sur site en moins de 30 minutes sans outils spéciaux, ainsi que les systèmes de protection anticorrosion conformes à la norme ISO 12944 catégorie C5-M pour une immersion totale en milieu marin. Avec plus de 3 000 projets offshore et industriels à son actif et plus de 68 brevets couvrant des innovations dans la conception d'accouplements, Ever Power offre l'expertise technique et la rigueur de fabrication que les ingénieurs d'approvisionnement offshore attendent d'un fournisseur de composants de premier plan.

Les équipes d'approvisionnement basées au Royaume-Uni peuvent s'appuyer sur l'infrastructure logistique d'Ever Power pour les livraisons urgentes en mer, grâce à des liaisons maritimes dédiées vers la plateforme logistique d'Aberdeen Dyce et le terminal de fret de Humberside, desservant ainsi les principales bases opérationnelles de la mer du Nord. Le délai de livraison, de l'usine au pont, pour les modèles standard de couplage offshore est de 6 à 8 semaines à compter de la confirmation de commande, et se réduit à 3 ou 4 semaines pour les clients enregistrés disposant d'accords-cadres.

L'accouplement flexible à poutre d'Ever Power est une pièce monobloc de précision, usinée à partir d'un alliage d'aluminium ou d'acier inoxydable haute résistance. Sa géométrie hélicoïdale lui confère une flexibilité de torsion contrôlée, compensant un désalignement angulaire jusqu'à 5 degrés et un décalage parallèle jusqu'à 0,5 mm, tout en garantissant un jeu nul durant toute sa durée de vie. Il est ainsi particulièrement adapté aux systèmes de servomoteurs offshore, aux variateurs d'encodeur et aux capteurs de positionnement dynamique, où le jeu et l'hystérésis sont inacceptables. Sa conception compacte et légère, ainsi que son fonctionnement sans entretien, en font une solution idéale pour les installations où l'espace est restreint et l'accès difficile pour la maintenance.

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L'accouplement à disques Ever Power est conçu pour les applications offshore exigeantes à haute vitesse et couple élevé, où un fonctionnement sans lubrification et des caractéristiques de torsion précises sont indispensables. Fabriqué avec des disques en acier inoxydable austénitique ou en Inconel, fixés par plusieurs boulons, cet accouplement transmet le couple par flexion métallique pure, sans usure de contact, sans jeu et sans graissage périodique. La géométrie des disques permet un désalignement angulaire jusqu'à 1 degré par élément et un jeu axial de ± 4 mm. Disponible en versions à un ou deux disques avec entretoise, avec des longueurs d'entretoise personnalisées pour répondre aux exigences de maintenance des pompes in situ (API 686). Conforme à la norme API 671 ; documentation complète disponible sur demande.

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« L'analyse de torsion fournie par Ever Power était bien plus détaillée que tout ce que nous avions vu de notre précédent fournisseur. Ils ont identifié le problème de résonance que nous recherchions depuis dix-huit mois en une seule séance d'analyse technique. Les nouveaux accouplements fonctionnent parfaitement depuis leur installation ; un service d'ingénierie vraiment impressionnant. »

« Nous avons opté pour les accouplements à disques Ever Power pour la modernisation des têtes de forage de deux plateformes opérant au large des côtes des Shetland. Le dossier de documentation API 671 était complet dès la première soumission, sans aucune question de notre équipe QHSE ; cela nous a permis d’économiser trois semaines d’échanges avec le fournisseur précédent. Les performances du produit sont conformes aux prévisions. »

« Le raccord d'espacement sur mesure fabriqué par Ever Power pour la modernisation de notre groupe électrogène a été livré en quatre semaines et installé sans aucune modification des supports moteur ou alternateur. Les vibrations aux bornes du générateur ont diminué de 621 TP4T par rapport au raccord d'origine, et nous n'avons constaté aucune instabilité de tension liée aux vibrations mécaniques au cours des dix-huit mois qui ont suivi son installation. Son prix était très compétitif par rapport aux solutions européennes. »