Dans le domaine exigeant des opérations maritimes critiques, où les navires doivent maintenir un positionnement précis et une maniabilité peu importe les conditions environnementales, la fiabilité des systèmes de propulsion et de direction n'est pas négociable. Des navires de forage en eau profonde à des navires de soutien en mer qui servent de plates-formes par temps violent, la perte de capacité de propulseur peut entraîner des conséquences catastrophiques, notamment des collisions, des échouements ou des dérives incontrôlées.

Comprendre les systèmes de thrusters redondants

Un système de propulseur redondant ne se contente pas d'avoir plusieurs propulseurs sur un bateau; il s'agit d'un dispositif soigneusement conçu qui garantit que la défaillance d'un seul propulseur, ou même d'une combinaison de composants, ne compromet pas la capacité du navire à maintenir le contrôle. En substance, la redondance fournit un chemin de sauvegarde pour la production de poussée, soit par des unités identiques, soit par des solutions de rechange fonctionnelles équivalentes.

Les propulseurs sont de différents types : azimuthing (rotable), propulseurs de tunnel (fixés dans le tunnel), rétractables et hélices à pas fixe ou à pas contrôlable. La redondance peut être obtenue à plusieurs niveaux : duplication de l'unité de propulseur (p. ex., quatre propulseurs azimuth au lieu de deux), duplication de moteurs de commande, redondance de l'alimentation électrique (disjoncteurs et générateurs séparés) et redondance du système de commande (contrôleurs du double ou triple DP).L'architecture la plus courante est la configuration N+1, où N est le nombre de propulseurs nécessaires pour maintenir l'entretien de la station dans les conditions environnementales les plus défavorables, et un propulseur supplémentaire est installé pour le secours.

Si deux propulseurs partagent la même unité hydraulique ou sont alimentés par le même segment de tableau de commutation, ils ne sont pas entièrement redondants. La redondance véritable exige une séparation physique, des voies de câbles séparées et des boucles de commande indépendantes. Les sociétés de classification comme DNV, Lloyd's Register et ABS définissent des règles strictes pour les systèmes de propulsion redondants, en particulier pour les navires affectés à des notations DP de classe 2 ou DP de classe 3. Par exemple, Les règles DP deDNV exigent que pour la classe DP 3, une défaillance unique (y compris l'incendie ou l'inondation dans un compartiment) ne cause pas de perte de capacité de maintien de position, ce qui exige des systèmes redondants de propulseurs une séparation physique.

Applications et avantages essentiels

Sécurité accrue

En cas de panne mécanique, de panne électrique ou d'anomalie du système de commande, les propulseurs de secours permettent au navire de maintenir la position et la position du navire, empêchant ainsi la dérive vers des plates-formes, des pipelines ou des voies de navigation. Par exemple, une défaillance d'un propulseur azimut lors d'une opération de positionnement dynamique en mer agitée entraînerait normalement une perte de position en quelques minutes.

En outre, la redondance permet une exploitation sûre dans des scénarios d'échec unique pendant des phases critiques comme les opérations de grues lourdes, le sauvetage sous-marin ou le soutien à la plongée. L'Organisation maritime internationale (OMI) et des organismes de l'industrie comme Association internationale des entrepreneurs maritimes (IMCA) mandatent des niveaux de redondance spécifiques pour ces activités.

Continuité opérationnelle

Au-delà de la sécurité, la redondance est un facteur clé de continuité opérationnelle. Dans les secteurs pétrolier et gazier offshore, les interruptions de forage ou de production coûtent des centaines de milliers de dollars par heure. Une défaillance du propulseur qui force un navire à quitter la station peut interrompre une intervention de puits, endommager des systèmes de riser ou retarder une installation critique. Les systèmes de propulseurs redondants permettent au navire de poursuivre sa mission pendant que l'unité défectueuse est isolée pour réparation ou pendant que le navire effectue un essai de défectuosité.

Un autre aspect de la continuité est la capacité de subir l'entretien en mer sans perdre de capacité opérationnelle. Avec une configuration N+1 ou plus, l'équipage peut prendre un propulseur hors ligne en toute sécurité pour le service de routine – comme les changements d'huile, les inspections de roulement ou les remplacements de phoques – alors que le navire continue d'opérer dans la fenêtre de temps autorisée.

Normes réglementaires et classification

Les navires qui utilisent des applications critiques doivent respecter les règles de classe et les règlements législatifs qui définissent les niveaux minimaux de redondance. Pour les navires de classe 2 du DP, l'exigence est qu'une seule défaillance (à l'exclusion d'un événement catastrophique comme un incendie ou une inondation) ne doit pas entraîner de perte de position. La classe 3 du DP va plus loin, exigeant que le système reste opérationnel après une seule défaillance dans un compartiment, y compris la salle des machines, la salle de commande ou le compartiment du propulseur.

Par exemple, le American Bureau of Shipping (ABS)[ Guide for Dynamic Positioning Systems précise que pour la classe 3 du DP, au moins trois propulseurs avec sources d'alimentation et systèmes de commande distincts sont nécessaires et qu'ils doivent être physiquement séparés par des limites résistantes au feu. De même, la circulaire du Comité de la sécurité maritime de l'OMI (MSC/Circ.645) fournit des lignes directrices pour les systèmes du PDD. La conformité est vérifiée par des essais rigoureux et des enquêtes annuelles.

Conception et considérations techniques

La conception d'un système de propulseur redondant est un défi complexe d'ingénierie du système de systèmes. Il implique non seulement les propulseurs eux-mêmes, mais aussi la production d'énergie, la distribution, la logique de contrôle et l'interface homme-machine.

  • Position et orientation des hélices:[ Les hélices doivent être positionnées de manière à fournir des forces et des moments équilibrés dans toutes les directions, en tenant compte des interactions de la coque et des interférences entre le propulseur et le propulseur. Les unités redondantes doivent être placées de façon à ce que la perte d'un seul propulseur puisse être compensée par les autres sans dépasser leurs limites de puissance.
  • Indépendance de l'alimentation électrique: Chaque groupe de propulseurs redondants doit être raccordé à des sections de tableaux de commande séparées, idéalement alimentées par des générateurs indépendants. Pour la classe DP 3, cela signifie des tableaux de commande principaux et de secours séparés situés dans différents compartiments.
  • Configuration du moteur et du moteur: Les moteurs à fréquence variable (VFD) qui commandent les moteurs de propulseurs doivent être redondants lorsque c'est possible, souvent en utilisant deux entraînements par propulseur ou une topologie de bus à anneaux.
  • Architecture du système de contrôle: Le système de contrôle DP qui commande l'attribution des propulseurs doit être redondant, en général en utilisant des systèmes triples de redondance modulaire (TMR) ou double redondance avec décrochage automatique. Les unités d'interface de propulseur (TIUs) qui communiquent des points de consigne aux lecteurs doivent également être dupliquées et connectées par des boucles réseau redondantes (p. ex., Profibus, Modbus TCP ou Ethernet/IP avec redondance de anneaux).

Distribution d'électricité et UPS

Les propulseurs sont à forte intensité de puissance; un navire de forage DP peut avoir huit propulseurs chacun à 3 500 kW ou plus. La conception de la centrale électrique et du système de distribution détermine directement le niveau de redondance réalisable. Pour une redondance N+1 réelle, les groupes électrogènes diesel doivent également être dimensionnés de façon à ce que la défaillance d'un générateur n'empêche pas les propulseurs de produire la poussée requise. Cela signifie souvent que la capacité totale installée du générateur est bien supérieure à ce qui est nécessaire pour les opérations normales du DP.

Redondance du système de contrôle

Le système de contrôle DP est le cerveau qui décide de la façon d'attribuer la poussée entre tous les propulseurs disponibles. La redondance est obtenue par plusieurs contrôleurs indépendants (systèmes de vote), deux ou trois réseaux et postes de travail d'opérateurs redondants. Chaque propulseur est connecté à au moins deux réseaux de contrôle; si l'un échoue, l'autre continue d'envoyer des commandes. Le système de contrôle surveille également la santé des propulseurs, comme le courant moteur, la température du roulement et la pression d'huile, et exclut automatiquement les propulseurs défaillants des algorithmes d'attribution (un processus appelé « désélection du démultipeur »).

Modes de défaillance et atténuation

Les modes de défaillance courants comprennent : la panne d'isolation électrique dans les moteurs ou les entraînements, les défauts d'onduleur de commande, les défaillances mécaniques du roulement ou des joints, les fuites hydrauliques dans les mécanismes de commande du pas, les dommages causés par les débris ou la glace à la pale d'hélice et la perte de communication de contrôle. La conception de la redondance doit prévoir chacun de ces éléments et fournir une trajectoire pour maintenir la poussée. Par exemple, les moteurs à double coup permettent un fonctionnement continu (à puissance réduite) en cas de défaillance d'un enroulement.

Un mode de défaillance subtile mais critique est une cause courante, par exemple, une frappe éclair qui enlève les deux réseaux de commande redondants parce qu'ils fonctionnent dans le même plateau de câbles. La séparation physique, la diversité de l'itinéraire et l'isolement galvanique sont essentiels pour empêcher cela. Des préoccupations similaires s'appliquent aux scénarios d'incendie et d'inondation visés par les exigences de la classe 3 du DP.

Analyse des incidents dans le monde réel

L'importance des systèmes de propulseurs redondants est soulignée par les incidents où l'absence de redondance a contribué aux accidents. Un cas bien connu est La perte de positionnement dynamique de Deepwater Horizon avant la décharge en 2010. Bien que la cause profonde de l'accident ait été une défaillance de contrôle, l'incapacité de la plate-forme à maintenir une position exacte en raison de problèmes de propulseur (y compris une défaillance connue d'un propulseur) a aggravé l'urgence.

Un autre cas illustratif est la défaillance du système DP sur le navire de secours «Vos Sympathy»[ en 2004, qui a perdu sa position et s'est heurtée à un FPSO tout en effectuant une opération de manutention d'ancre. L'enquête a révélé qu'une seule défaillance du système de commande (un gyrocompass défaillant) a causé une mauvaise répartition de la poussée, entraînant un mouvement incontrôlé.

Plus récemment, en 2020, un navire d'alimentation en plate-forme de la mer du Nord a connu une panne complète de courant alors qu'il était amarré à une plate-forme en raison d'une panne de générateur. Cependant, parce que le navire avait des propulseurs redondants avec des alimentations indépendantes (sections séparées du tableau de bord et générateur de secours), il a pu rétablir rapidement la propulsion et tenir la station pendant que le générateur principal a été réparé.

Protocoles d'entretien et d'essai

Les propriétaires de navires doivent mettre en oeuvre des programmes rigoureux de maintenance préventive couvrant tous les composants du propulseur — essais d'isolation électrique, contrôles du système de refroidissement de l'entraînement, inspections des joints et surveillance de la santé du réseau de contrôle. Les sociétés de classification exigent des essais annuels de PD qui comprennent des pannes simulées de propulseur pour vérifier que le système réinstalle automatiquement la poussée et maintient la position dans des limites précises.

De plus, de nombreux exploitants suivent IMCA M 117 et IMCA M 216 des lignes directrices pour les essais et l'entretien du système DP. Ces lignes directrices recommandent des essais périodiques de «défaillance simultanée» où deux défaillances indépendantes sont simulées simultanément (p. ex. une défaillance de la conduite du propulseur et une perte de capteur) pour assurer la robustesse du système.

Tendances futures de la redondance des thrusters

La tendance à la redondance continue à mesure que les opérations maritimes se rendent dans des régions plus exigeantes et éloignées, comme l'Arctique, les eaux ultra profondes et les installations d'énergie renouvelable.

  • Systèmes d'alimentation hybride et tout électrique:[ Le stockage de l'énergie des batteries et les piles à combustible sont intégrés dans les systèmes d'alimentation des propulseurs, fournissant une puissance de secours instantanée et permettant de nouvelles configurations de redondance où les défauts électriques peuvent être isolés sans perte de poussée.
  • Les jumelles numériques et la maintenance prédictive:[ La surveillance en temps réel avec l'analyse par l'IA peut prédire les défaillances du propulseur avant qu'elles ne se produisent, permettant une réparation proactive et réduisant le besoin de redondance en ligne pendant les opérations critiques.
  • La communication et l'autonomie entre les deux systèmes : Les algorithmes de contrôle avancés, comme le contrôle prédictif par modèle, peuvent mieux utiliser la capacité de poussée redondante en optimisant l'allocation entre toutes les unités, même lorsqu'on est dégradé.
  • Normement des interfaces:[ Les initiatives industrielles visant à normaliser les protocoles d'interface de propulseur (p. ex., IMarEST=S DP Interface Standardization) visent à faciliter le mélange des propulseurs de différents fabricants tout en maintenant une redondance complète.
  • Des modèles de propulseurs modulaires:[ Certains fabricants se dirigent vers des modules de propulseurs à prise et jeu qui peuvent être échangés rapidement, minimisant les temps d'arrêt et permettant même aux petits bateaux de maintenir économiquement la redondance.

À mesure que la poussée vers les navires à émissions nulles et télémanipulation augmentera, la fiabilité des systèmes de propulseurs – et par extension leur redondance – sera un facteur déterminant pour obtenir l'approbation réglementaire et la couverture d'assurance.

En résumé, l'importance des systèmes de propulseurs redondants dans les opérations maritimes critiques ne peut être surestimée.Ils fournissent un filet de sécurité à plusieurs niveaux qui protège le personnel, les biens et l'environnement tout en permettant des opérations continues, productives et rentables.De la conception à l'entretien et à l'innovation future, la redondance demeure la pierre angulaire du génie maritime moderne.Les propriétaires et les exploitants de navires qui investissent dans une redondance robuste de propulseurs, appuyée par des essais et une formation rigoureux, seront les mieux placés pour prospérer dans une industrie maritime de plus en plus exigeante et concurrentielle.

]Pour ceux qui cherchent à mettre en oeuvre ou à améliorer la redondance de propulseurs, des ressources comme les lignes directrices du PDI et les règles de la société de classification fournissent une base solide.