EP2429890A1 - Navire ou support flottant équipe d'un dispositif de détection des mouvements de carènes liquides - Google Patents

Navire ou support flottant équipe d'un dispositif de détection des mouvements de carènes liquides

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EP2429890A1
EP2429890A1 EP10727474A EP10727474A EP2429890A1 EP 2429890 A1 EP2429890 A1 EP 2429890A1 EP 10727474 A EP10727474 A EP 10727474A EP 10727474 A EP10727474 A EP 10727474A EP 2429890 A1 EP2429890 A1 EP 2429890A1
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ship
vessel
wall
floating support
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    • B63B25/12—Load-accommodating arrangements, e.g. stowing, trimming; Vessels characterised thereby for bulk goods fluid closed
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude
    • B63B39/005—Equipment to decrease ship's vibrations produced externally to the ship, e.g. wave-induced vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B39/00—Equipment to decrease pitch, roll, or like unwanted vessel movements; Apparatus for indicating vessel attitude
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    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F17C2260/01—Improving mechanical properties or manufacturing
    • F17C2260/016—Preventing slosh
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0102—Applications for fluid transport or storage on or in the water
    • F17C2270/0105—Ships

Definitions

  • the present invention relates to a ship or floating support for transporting or bulk storage of liquid, equipped with device (s) for detecting free surface movement within the tank (s) of transport or bulk storage vessels.
  • cryogenic transport vessels either LNG or liquid methane, or other gases maintained in the liquid state at very low temperature, such as propane, butane, ethylene, or any other gas density less than water in the liquefied state, transported in very large quantities in the liquid state and substantially at atmospheric pressure.
  • Liquefied gases transported at a pressure close to atmospheric pressure must be cooled at low temperature to remain in the liquid state. They are then stored in very large tanks, either spherical or cylindrical, preferably of polygonal cross section, in particular substantially parallelepipedal, the reservoirs being very strongly thermally insulated so as to limit evaporation of the gas and maintain the steel of the structure ship at a permissible temperature. Vessels generally travel either fully loaded (95-98%) or with a slight residual bottom gas (3-5%) in order to keep the tanks and insulation systems constantly cold. to allow their loading more quickly, thus avoiding the need for a progressive cold setting therefore slow and consuming operational time.
  • the contents of the tanks behave like liquid hulls and wave-like phenomena known as "sloshing" or choppy, can appear and become very violent inside the tank, especially when they break. on the vertical walls of the tank and in particular also in the trihedron formed by the junction of two vertical walls and the ceiling of said tank. These phenomena are particularly sensitive because these liquids have very low viscosities, lower than that of water.
  • the problem according to the present invention is to prevent the phenomena of "sloshing" type boiling in tanks of ships carrying or storing liquefied gas, in particular liquid methane or "GN L", by detecting the precursor phenomena at the onset of said "sloshing".
  • GN L is used to define methane in the liquid state, i.e. liquefied natural gas, while the gaseous state is called “methane” or “Gaseous methane”.
  • the inventors have tried different devices for detecting free surface movement inside the vessel storage tanks or floating supports, but the sensitivity of these devices led to unusable information, in particular detection devices based on the measurement of the free surface of the inner wall of tanks containing said liquid carene, using sonars or ultrasound devices.
  • the problem of this detection results from the fact that the free surface of the LNG is difficult to detect because of the extremely low temperature conditions and moreover, it would be necessary to install too many detectors to be able to correctly analyze the surface free in critical areas in order to deduce the risks of the appearance of potentially harmful sloshing.
  • the inventors have implemented, in accordance with the present invention, devices for detecting movements of surface hulls suitable for this problem, particularly based on the principle of sensors for the vibrations of a wall in direct or indirect contact with said hull, that is to say a wall to which are transmitted the vibrations of the walls of the tank, preferably using vibratory accelerometers measuring the variation of the acceleration g as a function of time.
  • the present invention provides a vessel or floating carrier for transporting or storing liquid consisting of a liquefied gas, preferably selected from methane, ethylene, propane and butane, cooled in at least one large vessel, preferably cylindrical to polygonal cross section, thermally insulated of large size with at least its smallest dimension in the horizontal direction, in particular its width, greater than 20m preferably 25 to 50m and a volume greater than 10,000 m 3 , said large tank 2 being supported at the inside of the hull of the ship by a carrying structure, characterized in that it comprises a plurality of devices for detecting the agitation of liquid within the said large tank (s), hereinafter after referred to as "beacons”, comprising: - a) a vibratory accelerometer type vibration sensor able to measure the amplitude of the acceleration (g) as a function of time (t) vibrational displacements of a wall of said large vessel or of a vessel wall that is not in contact with seawater, said vessel wall including the deck of the vessel or
  • wall of the internal structure of the ship is meant in particular an inner wall of the hull of a double hull ship or a wall of a support system and / or insulation of said large tank inside. of the hull.
  • each said tag comprises:
  • a said electronic computing unit capable of carrying out the following signal processing steps consisting of: - 1.1) processing in real time by Fourier Transform, preferably of the FFT type, the signals of said variation of the amplitude of acceleration (g) as a function of the time (t) of said wall, measured by said vibratory accelerometer in step a), to calculate the variation of the acceleration amplitude (g) as a function of the frequency F of the vibration wave of the signal obtained in step a) over a period of given time ⁇ t, then preferably calculate the spectral density of energy and / or the power spectral density
  • spectral stage of step 1.3 with respective predetermined threshold values Sl, emax, pmax from which the agitation of the free surface is considered as constituting a risk of damaging or damaging deformation of said wall, and
  • said transmission means able to be activated by said electronic computing unit and to transmit said maximum time acceleration values, and preferably said maximum energy spectral density and / or maximum power spectral density values Po and more preferably said spectral energy and spectral power values of step 1.3) are transmitted to a central unit preferably at the level of the ship piloting bridge, collecting the data transmitted by all said beacons, which said values are transmitted to u said central unit, preferably at the level of the ship's piloting bridge collecting the data transmitted by all the beacons, if a said threshold value of step 1.4) is reached for at least one of the tags.
  • step 1.4 the risk of deformation or deterioration of said wall, associated with a said threshold value corresponds to a risk of resonance phenomenon of the movements of the free surface.
  • step 2) said transmission means initially in standby are activated by control triggered by said calculation unit, if a said threshold value is reached.
  • said computer comprises integrated memory capable of storing the data received from the sensors over time, so that the computer can analyze over time the overall behavior of the hull, particularly when the ship is in the ship. either at the shelter or in calm navigation, that is to say without risk of movements of free surface, thus without risk of "sloshing", this observation being correlated with the roll and / or the pitch of the ship, allows to evaluate the background noise specific to the ship in the absence of significant movements of free surface and thus define said thresholds mentioned above.
  • said vibratory accelerometer is a piezo-resistive accelerometer.
  • piezo-resistive detection accelerometers are able to capture frequencies from 0 to 5-10 KHz and measurement accuracy of the order of 3-5%. This type of piezo-resistive detection accelerometer is able to characterize a total state of rest, that is to say a zero acceleration.
  • vibratory accelerators can be implemented such as piezoelectric sensing accelerators, capacitive sensing, inductive sensing, stress-strain type, among others.
  • said vibratory sensor is constituted by a triaxial vibration accelerometer.
  • Such triaxial accelerometers are able to measure the amplitudes of vibrations of the wall in the three directions of space as a function of time.
  • said transmission means comprise an antenna and a transceiver capable of transforming the electrical signals supplied by said computing unit into radio waves, which radio waves are transmitted from an antenna.
  • said transmission means comprise wire transmission means, comprising cables connecting a signal processing interface capable of rendering it drivable through said cables, preferably optical fiber cables combined with interfaces. transforming data of the electrical signal supplied by the electronic calculation unit in light signals.
  • a said beacon further includes a complementary device capable of detecting the ship's own movements and triggering the activation of said electronic computing unit in order to carry out treatments of said steps 1.1) to 1.3) and
  • the triggering of the activation of said electronic calculation units being made from a threshold value predetermined range of motion of the ship, preferably a tilt value of a wall of the ship's hull.
  • the complementary device inclinometer type or inertial central can detect the own movements of the ship such as (roll, pitch, yaw, sideways, lurching or other).
  • a said beacon does not include a complementary device for detecting the ship's own movements.
  • said device for detecting movements of the ship is a pendulum-type inclinometer or an inertial unit, able to determine preferably the roule angle of a side wall of the hull of the ship or floating support, said value threshold being a roll angle of at least 5 °, preferably 5 to 10 ° relative to the vertical.
  • the device consumes very little energy, because within the computer, the standby loop is very simple.
  • the computer analyzes all the information coming from the vibration sensor and carries out the signal processing, the results of said processing being then transmitted to the central supervisor to the extent that at least one of the thresholds predefined is crossed.
  • activation of the electronic computing unit means that the latter has previously been in a standby state and is self-sufficient. active to perform the processing and transmissions of steps b) and c) above, said transmission means 5d being activated by said electronic computing unit 5b.
  • said electronic calculation unit is able to be activated from the measurement of an acceleration amplitude threshold value (g) as a function of time.
  • each said beacon is powered by a power supply means consisting of a battery or a super capacitor, preferably a lithium battery, supplying said vibratory accelerometer, electronic computing unit, and transmission means and preferably said detection devices. ship movements.
  • a power supply means consisting of a battery or a super capacitor, preferably a lithium battery, supplying said vibratory accelerometer, electronic computing unit, and transmission means and preferably said detection devices. ship movements.
  • said supply means further comprise a thermocouple SEEBECK effect whose cold junction is installed between the cold inner wall of the tank and said tag, the latter constituting the hot welding of the thermocouple, said thermocouple for generating a permanent current supplying said beacon and, preferably continuously recharging said battery or super capacitor.
  • said beacons are integral with the deck of the ship and / or a supporting and insulating side wall. walls of said large tank inside the hull of the ship vis-à-vis a shell wall of the hull, said beacons being located near corners of said large tank at its longitudinal ends.
  • said beacons are positioned opposite a dihedron formed by the angles of a vertical longitudinal lateral wall, a vertical transverse wall and a ceiling wall of said large tank; a trihedron formed by two planes of a ceiling wall of said large tank, arranged angularly with respect to each other and a transverse vertical lateral wall of said large tank,
  • the said tags are fixed on a said wall by welding or gluing
  • Each said beacon comprises a container within which is confined all said vibration sensors, electronic computing unit, means for transmitting data of the signal and preferably complementary detection device, said container being fixed on said wall and said means of feeding.
  • ATEX ATEX
  • said vessel is a former LNG-type transport vessel converted into a fixed anchored floating storage vessel, the filling level of at least one of its tanks is determined according to the stirring the liquid contained therein as detected and calculated by said liquid agitation detecting device.
  • the present invention also provides a method for detecting liquid agitation within the vessel (s) of a vessel according to the invention comprising the successive steps in which:
  • said signal processing is carried out, preferably after having activated a said electronic computing unit when a threshold value of the vessel's movement is reached and,
  • step 2) The transmission of the values obtained in step 1) is carried out from said electronic computing unit to a said central unit.
  • FIG. 1 represents in cross-section and in front view a GNL storage and regasification Floating Storage and Regaseification Unit (FSRU) floating support equipped with devices for detecting movements of the free surface inside the tank 2. with rectangular vertical section of said floating support,
  • FSRU Floating Storage and Regaseification Unit
  • FIG. 2 represents in cross-section and in front view a GN L transport vessel equipped with liq uide hull motion detection devices within the orthogonal section vessel 2 of said vessel,
  • FIG. 3 is a view from above of an LNG transport vessel comprising three tanks, equipped with devices for detecting free surface movement within said tanks,
  • FIG. 4 is a cross section in side view of the lower part of a tank equipped on the right side with a hull detection device powered by a Seebeck effect thermocouple,
  • FIG. 4A details the device of FIG. 4
  • FIG. 5 is a plan view in top view of two LNG tanks equipped with radio-frequency type surface hull motion detection devices
  • FIG. 6 is a plan view in plan view of two LNG tanks equipped with devices for detecting movements of the hull connected to each other and to the ship's bridge via a wired local network,
  • FIGS. 7A-7B detail the operation of the sloshing detection devices respectively in a standalone version (7A) and in a version connected to a wired local area network (7B),
  • FIGS. 8A-8B detail a free surface movement mode, or beacon, on the basis of information related to the ship's own movements,
  • FIGS. 9A-9B detail a triggering mode of the hull motion detection devices on the basis of information related to the triggering of any said hull motion detection device
  • FIGS. 10A-10B detail a mode of triggering of a device for detecting movements of free surface on the basis of information related to the appearance of a phenomenon of the type of free surface movement
  • FIGS. HA to H D are acquisition and signal processing diagrams by an FFT at various stages of the process according to the invention.
  • FIGS. 12A and 12B are diagrams for processing the signal by a DSP at different stages of the process according to the invention.
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams of signal processing by a DSE at different stages of the process according to the invention.
  • FIG. 1 shows, in cross-section, a vessel 1 of the FSRU type, anchored by lines Ib connected to winches Ic, installed on a petroleum field and receiving by pipes, not shown, gas coming from heads subsea wells, said gas being treated on board in Id facilities to be cooled to a temperature below -163 ° C and stored in the form of liquid 3 in the tanks 2 before being transferred to LNG carriers which will transport said gas, still in liquid form, to the users.
  • the parallelepipedic tanks 2 have a volume of 24,000 m 3 with a width of 20 m, a length of 40 m and a height of 30 m, the largest can reach and exceed 60,000 m 3 .
  • the ship is equipped with hull movement detection devices 5 hereinafter referred to as “beacons” or “sloshing detection devices” according to the invention, namely four autonomous beacons 5-1 located near the corners of the aircraft.
  • beacons 5-1 located near the corners of the aircraft.
  • the 5-1 tags are positioned near:
  • angles 2d forming a dihedral at the intersection of the longitudinal side wall 2f and a transverse lateral wall 2g and
  • the tanks 2 are secured to the shell 4a, 4b by carrier structures of metal beam type 11 uniformly distributed and providing the connection between, on the one hand, the surfaces of the outer wall 2a-1 coating 2a of the tank 2 (itself secured to the walls 2f, 2h of the tank 2) and secondly, the inner walls of the hull of the ship.
  • the tags near the upper corners 2d are either positioned on the bridge 4a of the floating support, or against a longitudinal side wall 2a-1 of the insulation system facing the side wall 4b of the hull of the ship.
  • the beacons located near the lower corners 2g are preferably located against a side wall 2a-1 of the insulation system 2a of the tank 2 inside the shell vis-à-vis its side wall 4b.
  • the free surface 3a of liquid methane (LNG) in the tank 2 is generally slightly agitated depending on the excitation of the liquid surface caused by the swell, the wind and the current acting on the ship. In the event of degraded ocean-weather conditions, this agitation increases and may lead to significant waves reflecting on the walls of the tank and may lead to breaks on said walls.
  • LNG liquid methane
  • the ship In navigation or anchored configuration, the ship is subject to sea conditions, ie to swell, current and wind, and the contents of the various tanks are then subject to permanent excitation from said swell. , said current and said wind. It then forms a kind of confined waves in the tank 2, which bounces on the side walls 2f and is then reflected while keeping its own energy, that is to say, its period and its amplitude. This then results in more or less significant surface agitation depending on the sea conditions.
  • the waves thus reflected on the walls recombine with each other, and can either evolve towards decreasing state of agitation when the recombination occurs in phase shift. or towards increasing states when they recombine in phase.
  • the vertical angles 2d at the ceiling of the tanks are in fact zones where, in the event of breakage, there is a risk of very violent shocks due to the trihedral shape created by the two vertical walls and the ceiling of the tank, this is why we advantageously have the 5-1,5-2 beacons near said tank angles.
  • FIG. 2 shows in cross-section another vessel 1, but of the LNG type equipped with hull motion detection devices or "sloshing" 5-1,5-2 according to the invention, the phenomenon of " sloshing "being here formed in 3b, ready to break on the top of the port portion 2f of the LNG tank.
  • beacons On the port side of the ship, two independent 5-1 markers are installed on the bridge of the ship, these beacons communicate by radio with a central supervisor 6, preferably a PC-type computer, installed at the control station. preferably at the level of the steering bridge of the ship on the one hand, and secondly, these tags communicate by radio with the other tags 5-1, as will be explained below.
  • central supervisor 6 preferably a PC-type computer
  • these tags communicate by radio with the other tags 5-1, as will be explained below.
  • two 5-2 wired-type beacons On the starboard side, on the ship's deck, two 5-2 wired-type beacons have been installed, these beacons communicating with the same central supervisor 6 via a local computer network 5d-3.
  • the tank 2 of this vessel has an orthogonal section with a ceiling wall consisting of a horizontal central wall 2e-2 and two side walls of 2nd-l side inclined downwardly towards the longitudinal side walls 2f.
  • first 2d trihedrons formed by a longitudinal side wall 2f, an end transverse wall 2g and the adjacent inclined 2nd-l ceiling wall portion and, - 2c trihedrons formed by a transverse end wall 2g and two adjacent ceiling walls 2e-1, 2e-2 arranged angularly relative to each other.
  • the beacons 5-1 and 5-2 are constituted by the following elements:
  • a vibration sensor 5a consisting of a vibratory accelerometer, more specifically an accelerometer capable of measuring the acceleration variations g of the vibrations of the wall on which they are fixed as a function of time.
  • These vibrations of the wall of the bridge on which they are fixed are in relation with the vibrations of the wall of the tank 2, since it is supported by the hull of the ship or floating support and fixed jointly to it by a carrier structure 11, which transmits the vibrations of the tank 2 to the hull Ia-Ie of the ship; more precisely, these accelerometers are triaxial accelerometers known to those skilled in the art, that is to say able to measure the linear acceleration in the three directions of space, preferably piezo-type accelerometers.
  • beacons 5a are fixed by welding or gluing against the wall to which they are attached, b) an electronic computing unit 5b comprising a microprocessor and integrated memory. c) the data transmission means 5d, which can be of two types:
  • said transmission means comprise a 5d-1 antenna and a transceiver
  • 5d-2 able to transform the electrical signals provided by said unit in radio waves 5b, which radio waves are transmitted from a 5d-1 antenna.
  • said transmission means 5d comprise cables 5d-3 connecting a signal processing interface 5d-4 capable of rendering it drivable through said cables 5d-3, preferably fiber cables. optical combined with 5d-4 interfaces transforming said data of the electrical signal supplied by the electronic computing unit 5b into light signals.
  • the beacons 5-1, 5-2 comprise a device for detecting movements of the ship 5c, which is an inclinometer, for example of the pendulum type, or an inertial unit, able to determine preferably the angle roll of a lined wall
  • This device 5c is able to trigger the activation of said electronic computing unit 5b to perform processing of said steps b. l) to b.3) and c) of said beacon and the other electronic computing units 5b of the other beacons of the same tank and the other tanks of the ship or floating support, the triggering of the activation of said electronic computing units it is based on a predetermined threshold value of the vessel's movement amplitude, preferably a tilt value of a wall of the ship's hull, said threshold value being a roll angle of at least 5 °, preferably 5 to 10 ° with respect to the vertical.
  • FIG. 3 is a top view of an LNG transport vessel comprising three 2-1,2-2,2-3 tanks of orthogonal section, the first of which, 2-1, on the left, is equipped with four beacons.
  • 5-1 of the autonomous type according to the invention installed outside on the deck of the vessel, at the outer vertical angles 2d of said tank at its longitudinal ends.
  • the middle tank 2-2 is also equipped with four 5-1 bays installed inside the vessel in the upper part between the outer plating. the vessel and the outer wall 2-1 of the insulating coating 2a of the LNG tank 2-2.
  • the bowl 2-3 of the right is equipped with eight devices 5-1 as in Figure 2, respectively at the four corners 2d, outward and four corners 2c at the junction of the inclined walls 2-1 of the ceiling with the central wall 2-2 of the ceiling of the tank, as shown in the sectional view in Figure 2.
  • the hull movement detection devices or 5-1,5-2 beacons are installed either in direct contact with the outer wall 4a, 4b of the ship, preferably at the deck 4a of said ship as shown in FIG. 2, or inside the ship, for example in a corridor, in the space between the ship's plating 4b and the insulating coating 2a of the GN L tank, as explained in FIGS. 1 and 4 4A.
  • the 5-1,5-2 free surface motion detection device is integral with the wall on which it is installed. It is either mechanically fixed by welding 5-4 or by bolting, or advantageously by simple bonding, so that any vibration of said wall is transmitted integrally to the device 5-1,5-2 with the minimum attenuation .
  • the 5-1,5-2 sensing devices are in some ways "listening" to what happens inside the LNG storage tanks.
  • the “sloshing" detection device 5 is either of the autonomous type 5-1 and then transmits its information by radio, as detailed in FIGS. 5 and 7A, or of the wired type 5-2, and then transmits its information, for example , via a wired local computer network 5d-3, as detailed in FIGS. 6 and 7B.
  • the "sloshing" detection device, or beacon is of autonomous type 5-1. It consists of a triaxial accelerometer 5a 5a-1 connected to a computing unit 5b, the assembly being powered by a super-capacitor or a battery 5e, preferably a lithium battery with a very long life. The information resulting from the calculations within the computing unit 5b is transmitted by radio using a 5d-2 radio transceiver equipped with a 5d-1 antenna.
  • the wired beacon version 5-2 shown in FIG. 7B, the latter consists of a triaxial accelerometer 5a connected to a computing unit 5b, the assembly being supplied at 5d-6 by the wired connection of the type 5d-3 network. The information resulting from the calculations within the calculation unit 5b is transmitted to the central unit 6.
  • FIG. 5 shows the plan view of two tanks 2-1, 2-2 equipped at their four corners with 5-1 markers of autonomous type, one of the markers 5-la has just been activated by the inclinometer device 5c. and then communicates by radio with the central supervisor 6 and with all the other tags 5-1 of the two tanks to reactivate them.
  • FIG. 6 represents the plan view of two 2-1,2-2 tanks equipped at their four corners with 5-2 wired-type beacons, communicating with the central supervisor 6 and with all the other beacons by via a local network 5d-3.
  • each of the tags when activated, then communicates individually with the supervisory computer 6 preferably located at the gateway, as shown in Figure 1.
  • said tag informs all other tags simultaneously and activates them, the latter then go into data acquisition mode, data processing and communication with the central supervisor 6.
  • the activation of a beacon is caused by the device 5c, of the inclinometer or inertial central type sensitive to the ship's own movements.
  • a radio signal 8a is then sent to the central supervisor 6 and a radio signal 8b is sent to all tags to activate them.
  • the triaxial accelerometer 5a sends its data to the computing unit 5b, which processes them in a particular manner, which will be explained below, and then transmits the data resulting from the radio signal processing until 6.
  • the supervisor 6 then processes all the data collected from the various 5-1,5-2 beacons and can thus synthesize the state of the agitation of the free surface in the tank to determine if this agitation may lead to harmful sloshing for the installations.
  • the supervisor 6 enters the data collected from the various tags into a mathematical model allowing it to provide control commands of the vessel in terms of speed and / or direction to reduce or eliminate this risk of "sloshing".
  • FIG. 9A the activation of a calculation unit 5b of the beacon 5 is caused by a radio signal 8b coming directly from a first beacon or a radio signal 8c originating from the central supervisor 6, itself having collected data from said first tag.
  • the transmission acquisition process, represented in FIG. 9B, is then identical to that described previously with reference to FIG. 8B.
  • the activation of a beacon is caused by a signal coming from its accelerometer 5a, a signal caused for example by a resonance phenomenon of the GN L liquid surface while the ship's own movements are weak or even insignificant, said movements of the ship not being sufficient to reach the triggering threshold of the device 5c, inclinometer type or inertial central.
  • the beacon then sends a signal 8a to the central supervisor 6 as well as a signal 8b to all the other beacons to activate them.
  • the transmission acquisition process shown in FIG. HB is then identical to that described above with reference to FIG. 9B.
  • wired links 5d-2 the same information as that described with reference to FIGS. 8, 9 and 10, in the case of radio links, pass in a known manner over the wired local network 5d-3 connecting, in series, in star, or ring, all tags and the central supervisor 6.
  • the signal processing within a beacon 5 is shown diagrammatically in FIGS. 11 to 13.
  • This normal operating mode ie out of the self-learning adjustment phases described below, when the beacon is triggered, for example by a roll and / or pitch exceeding a given threshold perceived for example by the inclinometer 5c, the calculator is aware, by simple direct measurement of the signal, of the exact period of said roll-pitch, and therefore of the level of risk of excitation and amplification of the movements of the liquid surface that may degenerate into "sloshing" ", By a mathematical modeling of the liquid hulls within the various tanks.
  • the time signal of FIG. HA associated with said excitation period, ie said rolling and / or pitching period, and with the software integrated in the computer 5b, several types of processing will be carried out according to the configuration. said signal.
  • Figures HB and HC show the acceleration diagram (g) as a function of the frequency (Hz) corresponding to the signal processing by FFT (Fig. HB) and filtering of the background noise (Fig. HC ).
  • Figure HD represents the diagram of the temporal accelerations after filtering and treatment of the signal by an inverse Fourier Transform of the IFFT type, highlighting the exceeding of the thresholds S1, S2, etc. Predefined.
  • FIGS. 12A and 12B show the diagram of a DSP, in which the function g 2 / Hz is represented in the ordinate manner, and the frequency Hz in abscissa, the curve corresponding to the signal processing, respectively. by a DSP (12A) and after filtering the background noise (12B).
  • the spectral power g 2 is then represented by the integral of the g 2 / Hz function of FIG. 12B, that is to say by the hatched surface of FIG. 12B, between the curve, the X axis, and the high Fb and low Fa limits of the filtering.
  • Figures 13A and 13B show the diagram of a
  • the function g 2 s / Hz that is to say the square of the acceleration, multiplied by a time and divided by the frequency, and in abscissa the frequency Hz, the curve respectively corresponding to the signal processing by a DSE (13A) and after filtering the background noise (13B).
  • the spectral energy (g 2 xt) is then represented by the integral of the function g 2 s / Hz of the 13B, that is to say by the hatched surface of Figure 13B, between the curve, the X axis, and the upper and lower limits of the filtering.
  • the resultant data are transmitted to the central supervisor 6 only in the case where maximum threshold values are crossed.
  • the triggering threshold for transmitting data to the central supervisor 6 is defined:
  • the transmitted data then being the value of the power peak (s) P 0 associated with their corresponding frequency F 0 , as well as the overall spectral power represented by the shaded area of said figure,
  • the transmitted data then being the value of said global spectral power, as well as, if appropriate, the value (s) of previously defined peaks associated with their respective frequencies.
  • the trigger threshold for transmitting data to the central supervisor 6 is defined:
  • the transmitted data then being the value of the energy peak or peaks ei, e 2 associated with the corresponding frequency Fi, F 2 , as well as the overall spectral energy represented by the hatched area of said figure,
  • the transmitted data are then the value of said overall spectral energy, and, where appropriate, the value or values of the previously defined peaks associated with their respective frequencies.
  • FIG. 12B there is shown a single peak of value P 0 exceeding the predefined threshold p max .
  • FIG. 13B shows two peaks ei and e 2 of energy not exceeding the predefined threshold e max , and consequently the triggering of data transmissions to the central supervisor 6 will not be initiated by this signal relating to the peaks. .
  • the computer 5b continuously receives data from the sensor 5a, processes them continuously or not, stores them in its internal memory and analyzes over time the overall behavior of the system, mainly when the ship is either at the shelter, or in calm navigation, ie without risk of liquid hull movements, so "sloshing".
  • DSP PSD (Power Spectral Density
  • EHR ESD (Energy Spectral Density)
  • Signal filtering eliminates unwanted frequencies, usually very low frequencies and high frequencies. This filtering eliminates what is called the background noise, that is to say the noise created by the ship's own environment.
  • This spectral energy is then compared in real time with predetermined threshold values. As soon as a predetermined threshold value is reached or exceeded, the computing unit 5b then performs an IFFT (Inverse Fast Fourier Transform), that is to say, a reverse fourier transform, which makes it possible to return to the variation signals.
  • IFFT Inverse Fast Fourier Transform
  • acceleration g as a function of time t, having however eliminated in the preceding filtering phases said background noise. Then, in real time, signals of variation of the accelerations specific to the liquid carene as a function of time are revealed, and the risks of occurrence of a potentially harmful "sloshing", as well as the acceleration peaks corresponding to proven shocks against the walls of the tanks, or to quasi-shocks, ie resonances in increasing phase that can lead in the very short term to adverse shocks to the integrity of the tank, and therefore the vessel.
  • This information once processed within the calculation unit 5b, is transmitted at intervals, regular or otherwise, to the central supervisor 6 which then processes all the data and then specifies the location of the phenomenon of "sloshing" in term tank number and exact location of agitation or proven impacts of "sloshing", and quantify the extent of the phenomenon.
  • the calculation process within the calculation unit 5b advantageously defines several thresholds, for example two thresholds: a first threshold Sl below which the information is routinely transmitted at regular intervals and spaced , and above which the interval between two transmissions is reduced, for example by half, because there is then risk of resonance phenomena that can lead to a "sloshing" detrimental. a second threshold S2, above which the transmissions are then much more frequent, for example 5 times more frequent, and said tag is then considered by the central supervisor 6 as a priority vis-à-vis the other tags, as the latter have not reached said threshold S2.
  • a first threshold Sl below which the information is routinely transmitted at regular intervals and spaced , and above which the interval between two transmissions is reduced, for example by half, because there is then risk of resonance phenomena that can lead to a "sloshing" detrimental.
  • a second threshold S2 above which the transmissions are then much more frequent, for example 5 times more frequent, and said tag is then considered by the central supervisor 6 as a priority vis-à-vis the other
  • the mode of operation of the beacon has been explained in detail above, is based on a self-learning of the computer over time, said self-learning having the effect of changing over time certain parameters of the software integrated in the computer 5b .
  • These parameters are thus predefined at the start of the installation on board the ship, and will evolve over time by self-learning, according to the overall behavior and the analysis results by the various tags and by the central supervisor.
  • the main parameters will thus be set initially at conservative values, that is to say, generally low thresholds, then will be updated automatically over time towards more restrictive and realistic values, depending on the behavior. real hulls liquid vis-à-vis the concomitant behavior of the ship.
  • the analysis of the signals from the sensors 5a will characterize very quickly, and in various situations rather quiet, the background noise intrinsic to the system, and eliminate it effectively during FFT-type treatments.
  • the main parameters, initially set but which, by self-learning, will evolve over time, after a few days, then a few weeks, a few months, a few years, are, among others:
  • the tags 5 have a considerable on-board computing capability, which makes it possible to transit via rad io (autonomous type of tags 5-1) or on the local network 5d-3 (wired tags 5-2) that data results. processed, which drastically reduces the occupation of the central supervisor 6, who then has only to concatenate signal processing result data, to synthesize it and to make available to the ship's commander a precise state of affairs. the behavior of its cargo in each of the LNG storage tanks.
  • wired type tags 5-2 requires the establishment of a local computer network and requires a power supply.
  • the local network 5d-3 will advantageously be of the optical fiber type, and the power supply of the beacon will also advantageously be of the integrated battery type 5e, as in the case of autonomous beacons 5- 1.
  • the installation various components in this ATEX environment will be simplified accordingly.
  • beacon autonomous 5-1 and 5d-4 interface in the case of the wired beacon 5-2 are of the low consumption type in working condition and very low consumption, or even almost zero consumption, in standby state.
  • the energy to be provided for these beacons will be provided by 5th batteries with long life and charge, and advantageously by lithium batteries whose life exceeds 2 or even 3 years.
  • the autonomous beacon is advantageously powered by a device 9 of the Seebeck effect thermocouple type installed inside the hull of the ship, between the plating 4b, against the wall of the vessel. 2a-1 insulation of the tank.
  • the beacon 5-1 is installed against the insulating wall 2a-1 of the tank, through which a small diameter orifice 9a, for example 5mm, has been previously drilled, passing through it from one side to the other. to the sealing wall 2.2f, either primary or secondary, then inserting a thermocouple in the orifice so that the cold junction 9-2 is in contact with the internal cold wall 2.2f, wall to the temperature of -163 ° C in the case of the primary sealing barrier.
  • the cold junction 9-2 is connected in known manner by a double-stranded cable to the hot weld located at the housing 9-3, the latter being at ambient temperature, that is to say at a temperature of 10-20 ° C. 0 C.
  • This temperature differential then produced in a known manner by the Seebeck effect, a permanent electrical supply permanently the beacon, and preferably continuously charging, a battery, not shown, or even a super-capacitor, that is to say a capacitor of very large capacity.
  • autonomous type 5-1 and wired type 5-2 tags have been described. These two types each have their own advantages.
  • the autonomous version 5-1 has a certain advantage, since the beacons are of the ATEX type and each include all the required functions. They can be added to existing equipment and be secured on the deck or inside the hull, against the insulation wall, by simply gluing, which does not require any work generally considered dangerous in potentially explosive environments .
  • the wired version 5-2 requires a local network installation work along the length of the ship to reach the central supervisor 6 located at the bridge.
  • This type of arrangement is more particularly intended for new constructions, although the autonomous version 5-1 still remains extremely interesting in this case, because it completely eliminates the deployment of said local network 5d-3, which represents a considerable cost, because of such vessels measure several hundred meters in length.
  • this type of installation over very long distances, it is not uncommon to have a local network cost representing 70 to 85% of the overall installation.
  • the cost of the installation is drastically reduced, while facilitating its installation and integration in a high-explosive gas environment requiring ATEX standardized equipment.
  • the ATEX standardization is known to those skilled in the art and the components implemented in the context of the beacons 5-1 and 5-2, particularly at the level of the sensor 5a and the calculation unit 5b are available in an ATEX 5-3 module from CEGELEC (France) in the BACC range of products.
  • the components 5d-2 providing radio transmission of the data of the autonomous beacon 5- 1 are available, for example, from ASM (Austria) under the reference ASCell3911. These components communicate on ISM 868 MHz, 433 MHz and 315 MHz standard frequencies, thus meeting the legislation of the various industrialized countries.
  • This type of component has a range limited to 25-100Om according to the model and the environment (confined medium or open environment) and have a consumption in emission situation of 10 to 12 mA under 2-3.5v, and a consumption in monitoring the order of 0.5 uA, that is to say a consumption almost zero, which represents a considerable advantage for the lifetime of batteries or lithium batteries supply.
  • This type of component is integrated in the ATEX module 5-3 previously described.
  • the main triaxial accelerometer 5a is advantageously used to perform this task, insofar as it has a sensitivity adapted to correctly detect the movements of the ship, as well as the thresholds to trigger said beacon.
  • the computing unit 5b will continuously scan the signals coming from said main accelerometer and deduce from it the actual movements of the ship and in particular its rolling pitch, triggering if necessary the previously detailed acquisition-processing-transmission process. .
  • it installs on a tank of 135,000 m 3 capacity with four tanks of GN L, an autonomous beacon at each of the angles 2c, 2d of each of said tanks, said beacons being located on the bridge 4a.
  • Each of the beacons is preset to process the signals from the triaxial accelerometer 5a in a range of liquid hull oscillation periods corresponding to swells between 4-5 seconds and 15-18 seconds.
  • each of the beacons 5 is in permanent observation, ie in permanent acquisition of the movements of the ship (roule, pitch, ...), but in standby of treatment and transmission, that is to say in almost zero consumption.
  • the predefined triggering threshold for example an 8 ° roll
  • each of the data is compared with the reference data by the calculation unit 5b, after filtering as explained above with reference to FIG. If this energy is greater than said reference, an IFFT calculation is then launched in order to highlight any shocks and quasi-shocks, and to classify them in amplitude according to the predefined thresholds S1, S2, S3, etc.
  • the central supervisor 6 intervenes at each of the beacons by simple radio transmission, or if necessary through the local network 5d-3, to modify the predefined thresholds or modify the acquisition calculation programs or self learning. Likewise, said central supervisor intervenes remotely to modify said defined reference thresholds. The modifications are also advantageously performed during maintenance operations on each of the tags, or when a tag is replaced by a new generation tag.
  • the device according to the invention is particularly interesting in the case of old LNG vessels converted to be used as floating storage at a fixed station, either near a GN L production site, or in a coastal zone, in as reception and regasification terminal.
  • these vessels of old design often have performance in terms of insulation of tanks, less efficient, or even degraded due to the operational time that reaches and exceeds in some cases 30 or 40 years.
  • the propulsion means of this type of vessel have also become obsolete because of the low efficiency of the old machines, and the ships are then destined to be destroyed although the ship's own structure is still perfectly acceptable.
  • the conversion of such vessels is very interesting because the main machine is no longer used, and the lack of performance of the insulation system is not critical, and may even in some cases be advantageous.

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Abstract

La présente invention concerne u n navire ou support flottant (1) de transport ou de stockage de liquide (3) consistant dans u n gaz liquéfié, de préférence choisi parmi les méthane, éthylène, propane et butane, refroidit dans a u moins u ne grande cuve (2), de préférence cylindrique à section transversale polygonale, isolée thermiquement (2a) de grande dimension avec a u moins sa plus petite dimension dans la direction horizontale, notamment sa largeur, supérieure à 20m de préférence de 25 à 50m et un volume supérieur à 10.000 m3, ladite grande cuve 2 étant supportée à l'intérieur de la coque (4) d u navire par une structure porteuse ( 11), caractérisé en ce qu'il comprend u ne pluralité de dispositifs de détection de l'agitation de liquide au sein de la ou des dites grande(s) cuve(s), ci-après dénommés « balises » (5,5- 1,5- T)1 comprenant : - a) un capteur de vibrations du type accéléromètre vibratoire apte à mesurer l'amplitude de l'accélération (g) en fonction du temps (t) des déplacements en vibration d'une paroi de ladite grande cuve ou d'une paroi (4a, 4b) de ladite coque d u navire su r laquelle ils sont fixés, et b) u ne unité de calcul électronique comprenant un microprocesseur et u ne mémoire intégrée, aptes à traiter ledit signal tel que mesuré par ledit capteur de vibration (5a), pou r au moins en éliminer le bruit de fond propre au navire, et - c) des moyens de transmission dudit signal, de préférence après traitement par ladite unité de calcul électronique, vers une unité centrale ou superviseur 6, de préférence au niveau de la passerelle de pilotage d u navire.

Description

NAVIRE OU SUPPORT FLOTTANT EQUIPE D'UN DISPOSITIF DE DÉTECTION DES MOUVEM ENTS DE CAREN ES LIQUIDES.
La présente invention concerne navire ou support flottant de transport ou de stockage en vrac de liquide, équipé de dispositif(s) de détection des mouvements de carène liquide au sein de réservoir(s) de navires de transport ou de stockage en vrac.
Elle concerne plus particulièrement les navires de transport cryogénique, soit de GNL ou méthane liquide, soit d'autres gaz maintenus à l'état liquide à très basse température, tels le propane, le butane, l'éthylène, ou tout autre gaz de densité inférieure à l'eau à l'état liquéfié, transporté en très grandes quantités à l'état liquide et sensiblement à la pression atmosphérique.
Les gaz liquéfiés transportés à une pression proche de la pression atmosphérique doivent être refroidis à basse température pour rester à l'état liquide. Ils sont alors stockés dans de très grands réservoirs soit sphériques, soit cylindriques de préférence à section transversale polygonale, notamment sensiblement parallélépipédiques, lesd its réservoirs étant très fortement isolés thermiquement de manière à limiter l'évaporation du gaz et maintenir l'acier de la structure du navire à une température admissible. Les navires voyagent en général, soit à pleine charge (95-98%), soit avec un léger reliquat de gaz en fond de cuve (3-5%) de manière à maintenir les réservoirs et les systèmes d'isolation en permanence en froid pour permettre leur chargement plus rapidement, évitant de ce fait la nécessité d'une mise en froid progressive donc lente et consommatrice de temps opérationnel .
Ces navires sont extrêmement délicats à opérer, en raison des dangers liés au gaz et aux risques d'explosion associés. Ainsi, tous les équipements techniques présents à bord doivent répondre à des normes extrêmement strictes, car la moindre étincelle risque de créer une déflagration, ladite étincelle pouvant être créée par un choc entre métaux, par un simple interrupteur, ou encore par une émission radio présentant un niveau d'énergie dépassant un seuil donné. Toutes ces restrictions font l'objet de normalisations très sévères et les équipements doivent remplir les conditions imposées par les normes ATEX, c'est à dire Atmosphère Explosive, connues de l'homme de l'art.
Lors des voyages, le contenu des cuves se comporte comme des carènes liq uides et des phénomènes de type houle déferlante appelés en anglais « sloshing » ou clapot, peuvent apparaître et devenir très violents à l'intérieur de la cuve, notamment lorsqu'elles déferlent sur les parois verticales de la cuve et en particulier aussi dans le trièdre formé par la jonction de deux parois verticales et du plafond de ladite cuve. Ces phénomènes sont particulièrement sensibles du fait que ces liquides ont des viscosités très faibles, inférieures à celle de l'eau .
Ces phénomènes risquent d'apparaître sur des navires méthaniers ainsi que sur des navires de stockage ancrés appelés FPSO (Floating Production Storage & Offloading), c'est-à-d ire support flottant de production, de stockage et d'exportation, dans des conditions de mer agitée ou même de mer presque tranqu ille, lorsque la cargaison de gaz liquéfié entre en résonance avec l'excitation créée par une houle, même faible, à laquelle est soumis le navire. Dans ces cas de résonance, le « sloshing » peut devenir extrêmement violent et lors des déferlements sur les parois verticales ou dans les angles, risquant ainsi de détériorer le système de confinement du gaz liquéfié, ou le système d'isolation présent juste derrière ledit système de confinement.
Ces phénomènes de « sloshing » peuvent apparaître dans des conditions de mer relativement calme, mais en général ils n'apparaîtront que pour des niveaux de remplissage très particuliers, chaque état de mer (hauteur significative de houle / période / angle d'incidence / ballastage du navire / ...) risquant de devenir dangereux avec une hauteur particul ière de remplissage de cuve.
Ainsi, le problème selon la présente invention est de prévenir les phénomènes de déferlement de hou le de type « sloshing » dans les cuves de navires de transport ou de stockage de gaz liquéfié, en particulier de méthane liquide ou « GN L », en détectant les phénomènes précurseurs à l'apparition dudit « sloshing ». Dans la description ci-après, le terme « GN L » est utilisé pour définir le méthane à l'état liquide, c'est-à-dire du gaz naturel liquéfié, tandis-que l'état gazeux est appelé « méthane » ou « méthane gazeux ».
La mise en évidence de ces phénomènes précurseurs à l'apparition dudit « sloshing » permet alors au commandant du navire de modifier le cas échéant l'al lure du navire, par exemple en changeant son cap ou sa vitesse, de manière à atténuer les effets de résonance pouvant conduire à un « sloshing » préjudiciable à l'intégrité du navire. De la même manière, dans le cas de navires équipés de moyens d'atténuation statique ou dynamique du « sloshing », tels des ailerons externes ou des ballasts actifs, ou encore des moyens d'atténuation intégrés directement dans les cuves desdits navires, la mise en évidence de ces phénomènes précurseurs de « sloshing » permet alors de modifier et d'ajuster finement les réglages desdits systèmes pour atténuer, voire annuler, les phénomènes redoutés.
Les inventeurs ont essayé différents dispositifs de détection de mouvements de carène liquide à l'intérieur des cuves de stockage de navires ou supports flottants, mais la sensibilité de ces dispositifs cond uisait à des informations inexploitables, notamment des dispositifs de détection basés sur la mesure de la surface libre de la paroi interne de cuves contenant ladite carène liquide, à l'aide de sonars ou dispositifs à ultra-sons.
En effet, le problème de cette détection résulte de ce que la surface libre du GNL est difficile à détecter en raison des conditions de température extrêmement basses et de plus, il conviendrait d'installer une trop grande quantité de détecteurs pour pouvoir analyser correctement la surface libre dans les zones critiques en vue d'en déduire les risques d'apparition de « sloshing » potentiellement dommageable. Les inventeurs ont mis en œuvre selon la présente invention des dispositifs de détection de mouvements de carène liquide appropriés à cette problématique, particulièrement basés sur le principe des capteurs des vibrations d'une paroi en contact direct ou indirect avec ladite carène liquide, c'est-à-dire une paroi à laquelle sont transmises les vibrations des parois de la cuve, de préférence à l'aide d'accéléromètres vibratoires mesurant la variation de l'accélération g en fonction du temps.
Plus précisément, la présente invention fournit un navire ou support flottant de transport ou de stockage de liquide consistant dans un gaz liquéfié, de préférence choisi parmi les méthane, éthylène, propane et butane, refroidit dans au moins une grande cuve, de préférence cylindrique à section transversale polygonale, isolée thermiquement de grande dimension avec au moins sa plus petite dimension dans la direction horizontale, notamment sa largeur, supérieure à 20m de préférence de 25 à 50m et un volume supérieur à 10.000 m3, ladite grande cuve 2 étant supportée à l'intérieur de la coque du navire par une structure porteuse, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs de détection de l'agitation de liquide au sein de la ou des dites grande(s) cuve(s), ci-après dénommés « balises », comprenant : - a) un capteur de vibrations du type accéléromètre vibratoire apte à mesu rer l'amplitude de l'accélération (g) en fonction du temps (t) des déplacements en vibration d'une paroi de ladite grande cuve ou d'une paroi du navire qui n'est pas en contact avec l'eau de mer, ladite paroi du navire comprenant le pont du navire ou une paroi de la structure interne du navire, de préférence une paroi de la partie de la structure interne supportant ladite grande cuve, paroi sur laquelle lesdits capteurs sont fixés à l'extérieur de ladite grande cuve, et b) une unité de calcul électronique comprenant un microprocesseur et une mémoire intégrée, apte à traiter ledit signal tel que mesuré par ledit capteu r de vibration, pour au moins en éliminer le bruit de fond propre au navire, et pour détecter le mouvement du liquide à l'intérieur de ladite grande cuve par comparaison des valeurs du signal ainsi traité par rapport à des valeurs seuil prédéterminées à partir desquelles l'agitation de la carène liquide est considérée comme constituant u n risque de détérioration et déformation dommageables de ladite paroi, et
- c) des moyens de transmission dudit signal, de préférence après traitement par ladite unité de calcul électronique, vers une unité centrale ou superviseur, de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire.
Par « paroi de la structure interne d u navire » on entend en particulier une paroi interne de la coque d'un navire à double coques ou une paroi d'un système de supportage et/ou d'isolation de ladite grande cuve à l'intérieur de la coque.
Une fois recueillies les différentes données des signaux des différentes balises, au niveau de ladite unité centrale, l'homme de l'art peut entrer ces données dans un modèle mathématique fournissant les consignes quant à la conduite du navire et/ou au niveau de remplissage de cuve(s), lesdites consignes étant destinées à réduire ou supprimer les risques d'apparition de « sloshing », c'est-à-dire la détérioration ou déformation dommageables d'une dite paroi. Il s'agit, notamment de consignes en termes de direction et vitesse de navigation s'agissant du pilotage d'un navire de transport ou des consignes de remplissage de sa ou ses cuves s'agissant d'un navire de stockage comme explicité ci-après.
Plus précisément, chaque dite balise comprend :
- une dite unité de calcul électronique apte à réaliser les étapes de traitement du signal suivantes consistant à : - 1.1) traiter en temps réel par Transformée de Fourrier, de préférence de type FFT, les signaux de dite variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction du temps (t) d'une dite paroi, mesurés par ledit accéléromètre vibratoire à l'étape a), pour calculer la variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction de la fréquence F de l'onde vibratoire du signal obtenu à l'étape a) sur une période de temps donné Δt, puis de préférence calculer la densité spectrale d'énergie et/ou la densité spectrale de puissance
• 1.2) éliminer par filtrage le signal de bruit de fond dû aux vibrations propres au navire, puis - 1.3) calculer les valeurs d'accélérations temporelles maximales obtenues par Transformée de Fourrier Inverse, de préférence de type IFFT, de la mesure de la variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction de la fréquence F de l'étape 1.1) après filtrage de l'étape 1.2), et de préférence calculer les valeurs de densité spectrale d'énergie maximale et/ou densité spectrale de puissance maximale Po et de préférence encore calculer les valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale des mesure de densité spectrale d'énergie et/ou une mesure de densité spectrale de puissance de l'étape 1.1) après filtration de l'étape 1.2), et
- 1.4) comparer lesdites valeurs d'accélérations temporelles maximales, et de préférence lesdites valeurs de densité spectrale d'énergie maximale et/ou dites valeurs de densité spectrale de puissance maximale Po et de préférence encore lesdites valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale de l'étape 1.3), avec des valeurs seuils prédéterminées respectives Sl, emax, pmax à partir desquelles l'agitation de la carène liquide est considérée comme constituant un risque de détérioration ou déformation dommageable de ladite paroi, et
- des dits moyens de transmission aptes à être activés par ladite unité de calcul électronique et à transmettre lesdites valeurs d'accélérations temporelles maximales, et de préférence lesdites valeurs de densité spectrale d'énergie maximale et/ou de densité spectrale de puissance maximale Po et de préférence encore les dites valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale de l'étape 1.3), sont transmises à une unité centrale de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire, recueillant les données transmises par toutes lesdites balises, lesquelles dites valeurs sont transmises à u ne dite unité centrale, de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire recueillant les données transmises par toutes les balises, si une dite valeur seuil de l'étape 1.4) est atteinte pour au moins une des balises.
Aux étapes 1.1) et 1.3), les calculs de conversion de signal temporel par Transformée de Fourrier et les calculs de puissance et densité spectrale sont connus de l'homme de l'art dans le domaine de traitement de signal . De même les calculs d'énergie spectrale et de puissance spectrale représentés par l'Intégrale des courbes de densité spectrale d'énergie et respectivement densité spectrale de puissance sont également connus de l'homme de l'art dans le traitement du signal.
A l'étape 1.4), le risque de déformation ou de détérioration de ladite paroi, associées à une dite valeur seuil correspond à un risque de phénomène de résonance des mouvements de la carène liquide.
En procédant ainsi, l'intégralité des calculs en temps réel est réalisée par led it calculateur au sein de la balise, mais ne transitent vers le superviseur central que des résultats de calculs, dont des données plus compactes et rapides à transmettre qu'un signal temporel qui occuperait alors à plein temps les moyens de transmission, lesquels représentent la plus grande part de la consommation d'énergie de la balise. Ainsi, les résultats du traitement du signal ne sont transmis que si des seuils de valeurs sont dépassés.
A l'étape 2), lesdits moyens de transmission initialement en veille sont activés par commande déclenchée par ladite unité de calcul, si une dite valeur seuil est atteinte.
On comprend que ledit calculateur comprend de la mémoire intég rée apte à stocker les données reçues des capteurs au cou rs du temps, de sorte que le calculateur peut analyser au cours du temps le comportement global de la carène, notamment lorsque le navire se trouve soit à l'abri, soit en navigation calme, c'est-à-dire sans risque de mouvements de carène liquide, donc sans risque de « sloshing », cette observation étant corrélée avec le roulis et/ou le tangage du navire, permet d'évaluer le bruit de fond propre au navire en l'absence de mouvements significatifs de carène liquide et ainsi définir lesdits seuils mentionnés ci-dessus.
Plus particulièrement, ledit accéléromètre vibratoire est un accéléromètre de type piezo-résistif.
Ces accéléromètres à détection piezo-résistive sont capables de capter des fréquences de 0 à 5-10 KHz et de précision de mesure de l'ordre de 3-5 %. Ce type d'accéléromètre à détection piezo-résistive est capable de caractériser un état de repos total, c'est-à-dire une accélération nulle.
D'autres types d'accélérateurs vibratoires peuvent être mis en œuvre tels que des accélérateurs à détection piézo-électriques, à détection capacitive, à détection inductive, à jauge de contrainte du type extensomètre, entre autres.
De préférence, ledit capteur vibratoire est constitué par un accéléromètre vibratoire triaxial . De tels accéléromètres triaxiaux sont aptes à mesurer les amplitudes de vibrations de la paroi dans les trois directions de l'espace en fonction du temps.
De préférence, lesdits moyens de transmission comprennent une antenne et u n émetteur-récepteur aptes à transformer les signaux électriques fournis par ladite unité de calcul en ondes radio, lesquelles ondes radio sont émises à partir d'une antenne.
Selon un autre mode de réalisation, que lesdits moyens de transmission comprennent des moyens de transmission filaires, comprenant des câbles reliant une interface de traitement du signal apte à le rendre véhiculable à travers lesdits câbles, de préférence des câbles à fibre optique combinés à des interfaces transformant lesd ites données du signal électrique, fourni par l'unité de calcul électronique en signaux lumineux.
Dans une première variante de réalisation, une dite balise comporte en outre u n dispositif complémentaire apte à détecter les mouvements propres du navire et déclencher l'activation de ladite unité de calcul électronique pour réaliser des traitements des dites étapes 1.1) à 1.3) et
2) de ladite balise et des autres unités de calcul électronique des autres balises de la même cuve et des autres cuves du navire ou support flottant, le déclenchement de l'activation des dites unités de calcul électronique se faisant à partir d'une valeur seuil prédéterminée d'amplitude de mouvements du navire, de préférence une valeur d'inclinaison d'une paroi de la coque du navire.
Le dispositif complémentaire de type inclinomètre ou centrale inertielle permet de détecter les mouvements propres du navire tels que (roulis, tangage, lacet, cavalement, embardée ou autres).
Selon un autre mode de réalisation, une dite balise ne comporte pas de dispositif complémentaire de détection de mouvements propres du navire.
Plus particulièrement, ledit dispositif de détection de mouvements du navire est un inclinomètre du type pendulaire ou une centrale inertielle, aptes à déterminer de préférence l'angle de rou lis d'une paroi de bordé de la coque du navire ou support flottant, ladite valeur seuil étant un angle de roulis d'au moins 5°, de préférence 5 à 10° par rapport à la verticale.
En état de veille, le dispositif consomme très peu d'énergie, car au sein du calculateur, la boucle de veille reste très simple. Par contre dès que des conditions potentiellement critiques se présentent, le calculateur analyse alors toutes les informations en provenance du capteur de vibration et effectue les traitements du signal, les résultats desdits traitement étant alors transmis au superviseur central dans la mesure où au moins un des seuils prédéfini est franchi. Lorsqu'une des balises est activée par son propre inclinomètre, il est avantageux d'activer les autres balises de manière à être certain que l'ensemble des balises s'active. En procédant ainsi, on a alors un niveau élevé de redondance d'activation au niveau de l'ensemble de la chaîne de balises, car chacune est normalement activée par son propre inclinomètre et chacune informe alors toutes les autres, ainsi q ue le superviseu r central, qu'elle entre en action. Ainsi, le risque d'avoir une balise qui reste en veille s'en trouve radicalement restreint.
Dans les deux modes de réalisation d'activation de l'unité de calcul électronique décrit ci-dessus, on entend par « activation de l'unité de calcul électroniq ue » que celle-ci est précédemment en état de veille et s'auto-active pour réaliser les traitements et transmissions des étapes b) et c) ci-dessus, lesdits moyens de transmission 5d étant activés par ladite unité de calcul électronique 5b.
Selon un autre mode de réalisation ladite unité de calcul électronique est apte à être activée à partir de la mesure d'une valeur seuil d'amplitude d'accélération (g) en fonction du temps.
Avantageusement, chaque dite balise est alimentée par un moyen d'alimentation consistant dans une batterie ou un super condensateur, de préférence une pile au lithium, alimentant ledit accéléromètre vibratoire, unité de calcul électronique, et moyens de transmission et de préférence dits dispositifs de détection de mouvements du navire.
Avantageusement encore, lesdits moyens d'alimentation comportent en outre un thermocouple à effet SEEBECK dont la soudure froide est installée entre la paroi interne froide de la cuve et ladite balise, celle-ci constituant la soudure chaude du thermocouple, ledit thermocouple permettant de générer un courant permanent alimentant ladite balise et, de préférence rechargeant en continu une dite batterie ou super condensateur.
Dans un mode préféré de réalisation, lesdites balises sont solidaires du pont du navire et/ou d'une paroi latérale de supportage et d'isolation des parois de ladite grande cuve à l'intérieur de la coque du navire en vis-à-vis d'une paroi de bordé de la coque, lesdites balises étant situées à proximité d'angles de ladite grande cuve à ses extrémités longitudinales.
Selon d'autres caractéristiques des dites balises : - lesdites balises sont positionnées en regard d'un dièdre formé par les angles d'une paroi latérale longitudinale verticale, d'une paroi transversale verticale et d'une paroi de plafond de ladite grande cuve ou un trièdre formé par deux plans d'une paroi de plafond de ladite grande cuve, disposés angulairement l'un par rapport à l'autre et une paroi latérale verticale transversale de ladite grande cuve,
- lesd ites balises sont fixées sur une dite paroi par soudage ou collage,
- Chaque dite balise comprend un container au sein duquel est confiné l'ensemble des dits capteur de vibration, unité de calcul électronique, moyen de transmission de données du signal et de préférence dispositif complémentaire de détection, ledit container étant fixé sur ladite paroi et des dits moyens d'alimentation.
Les balises étant installées dans une atmosphère potentiellement explosible, doivent répondre à des normes strictes appelées normes ATEX. Ces normes définissent des dispositions constructives précises, en termes de circuits électriques, de container étanche, de puissance d'émission au niveau d'une antenne radio, etc ., pour éviter l'apparition de toute étincelle risquant d'enflammer un environnement gazeux, donc de créer une explosion.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit navire est un ancien navire de transport du type méthanier converti en navire de stockage flottant ancré à poste fixe, dont le niveau de remplissage d'au moins un de ses cuves est déterminé en fonction de l'agitation du liquide qu'elle contient telle que détectée et calculée par un dit dispositif de détection d'agitation de liquide. La présente invention fournit également un procédé de détection de l'agitation liquide au sein de cuve(s) d'un navire selon l'invention comprenant les étapes successives dans lesquelles :
1) On réalise ledit traitement du signal, de préférence après avoir activé une dite unité de calcul électronique lorsqu'une valeur seuil de mouvement du navire est atteinte et,
2) On réalise ladite transmission des valeurs obtenues à l'étape 1) depuis ladite unité de calcul électronique jusqu'à une dite unité centrale.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesq uels :
- la figure 1 représente en coupe transversale et en vue de face un support flottant de type FSRU (Floating Storage and Regaseification Unit) de stockage et de regazéification de GN L équipé de dispositifs de détection de mouvements de carène liquide au sein de la cuve 2 à section verticale rectangulaire dudit support flottant,
- la figure 2 représente en coupe transversale et en vue de face un navire de transport de GN L équipé de dispositifs de détection de mouvements de carène liq uide au sein de la cuve 2 à section orthogonale dudit navire,
- la figure 3 est une vue de dessus d'un navire de transport de GNL comportant trois cuves, équipées de dispositifs de détection de mouvements de carène liquide au sein des dites cuves,
- la figure 4 est une coupe transversale en vue de côté de la partie inférieure d'une cuve équipée sur le côté droit d'un dispositif de détection de carène liquide alimenté par un thermocouple à effet Seebeck,
- la figure 4A détaille le dispositif de la figure 4, - la figure 5 est une vue en plan en vue de dessus, de deux cuves de LNG équipées de dispositifs de détection de mouvements de carène liquide de type à transmission radio,
- la figure 6 est une vue en plan en vue de dessus, de deux cuves de LNG équipées de dispositifs de détection de mouvements de carène liquide reliées entre elles et à la passerelle du navire par un réseau local filaire,
- les figures 7A-7B détaillent le fonctionnement des dispositifs de détection de « sloshing » respectivement dans une version autonome (7A) et dans une version reliée à un réseau local filaire (7B),
- les figures 8A-8B détaillent un mode mouvements de carène liquide, ou balise, sur la base d'une information liée aux mouvements propres du navire,
- les figures 9A-9B détaillent un mode de déclenchement des dispositifs de détection de mouvements de carène liquide sur la base d'une information liée au déclenchement d'un dit dispositif de détection de mouvements de carène liquide quelconque,
- les figures 10A-10B détaillent un mode de déclenchement d'un dispositif de détection de mouvements de carène liquide sur la base d'une information liée à l'apparition d'un phénomène de type mouvements de carène liquide,
- les figures HA à H D sont des diagrammes d'acquisition et de traitement du signal par une FFT à différents stades du processus selon l'invention,
- les figures 12A et 12B sont des diagrammes de traitement du signal par une DSP à différents stades du processus selon l'invention,
- les figures 13A et 13B sont des diagrammes de traitement du signal par une DSE à différents stades du processus selon l'invention. Sur la figure 1 on a représenté, en coupe transversale, un navire 1 de type FSRU, ancré par des lignes Ib reliées à des treuils Ic, installé sur un champ pétrolier et recevant par des conduites, non représentées, du gaz en provenance de têtes de puits sous-marines, ledit gaz étant traité à bord dans des installations Id pour être refroidi à une température inférieure à -163°C et être stocké sous la forme de liquide 3 dans les cuves 2 avant d'être transféré vers des navires méthaniers qui transporteront ledit gaz, toujours sous forme liquide, vers les utilisateurs. Les cuves parallélépipédiques 2 présentent un vol ume de 24.000 m3 avec une largeur de 20m, une longueur de 40m et une hauteur de 30m, les plus grosses pouvant atteindre et dépasser 60.000 m3. Le navire est équipé de dispositifs de détection 5 de mouvements de carène liquide ci-après dénommés « balises » ou encore « dispositifs de détection de « sloshing » selon l'invention, à savoir quatre balises autonomes 5-1 situées à proximité des angles des cuves au niveau des extrémités longitudinales des cuves, respectivement, à gauche sur bâbord, au niveau du pont 4a et en bas à l'intérieur de la coque, en contact avec la paroi 2a-l du système d'isolation thermique 2a de la cuve 2, et à droite sur tribord, en haut et en bas à l'intérieur de la coque, en contact avec la paroi 2a-l du système d'isolation thermique 2a de la cuve 2.
Plus précisément, les balises 5-1 sont positionnées à proximité de :
- des angles 2d formant dièdre au niveau de la rencontre de la d'une paroi latérale longitudinale 2f et d'une paroi latérale transversale 2g et
- des angles 2g de fond formant dièdre au niveau de la rencontre entre la paroi de fond 2h et une paroi latérale longitudinale 2f et une paroi latérale transversale 2g à l'extrémité longitudinale de la cuve.
Les cuves 2 sont solidarisées à la coque 4a, 4b par des structures porteuses de type poutre métallique 11 uniformément réparties et assurant la liaison entre d'une part, les surfaces de la paroi externe 2a-l du revêtement 2a de la cuve 2 (elle-même solidaire des parois 2f,2h de la cuve 2) et d'autre part, les parois internes de la coque du navire.
Les balises à proximité des angles supérieurs 2d sont soit positionnées sur le pont 4a du support flottant, soit contre une paroi latérale longitudinale 2a-l du système d'isolation en regard de la paroi de bordée 4b de la coque du navire.
Les balises situées à proximité des angles inférieurs 2g sont situées de préférence contre une paroi latérale 2a-l du système d'isolation 2a de la cuve 2 à l'intérieur de la coque en vis-à-vis de sa paroi de bordée 4b.
Le fonctionnement des balises sera détaillé plus avant dans la description de l'invention.
La surface libre 3a du méthane liquide (GNL) au sein de la cuve 2 est en général légèrement agitée en fonction de l'excitation de la carène liquide provoquée par la houle, le vent et le courant agissant sur le navire. En cas de conditions océano-météo dégradées, cette agitation augmente et peut conduire à des vagues importantes se réfléchissant sur les parois de la cuve et pouvant conduire à des déferlements sur lesdites parois.
En navigation ou en configuration ancrée, le navire est soumis aux conditions de mer, c'est à dire à la houle, au courant et au vent, et le contenu des diverses cuves est alors soumis à une excitation permanente de la part de ladite houle, dudit courant et dudit vent. Il se forme alors une sorte de houle confinée au sein de la cuve 2, laquelle rebondit sur les parois latérales 2f et se trouve alors réfléchie tout en gardant son énergie propre, c'est-à-dire sa période et son amplitude. Il en résulte alors une agitation de surface plus ou moins importante selon les conditions de mer. Les houles ainsi réfléchies sur les parois se recombinent entre elles, et peuvent soit évoluer vers des états d'agitation décroissants lorsque la recombinaison se produit en décalage de phase, soit vers des états croissants lorsqu'elles se recombinent en phase. Ainsi, lorsque le navire 1 est soumis à une houle extérieure 10, soit en provenance du grand large, soit due au vent ou au courant, les mouvements de roul is, de tangage, de lacet, d'embardée, de pilonnement et de cavalement du navire excitent la carène liquide contenue dans la cuve 2 et des phénomènes de résonance peuvent alors apparaître au sein de ladite cuve, en raison des combinaisons des réflexions multiples sur les parois des cuves précédemment décrites.
Ces phénomènes peuvent être violents et conduire à un risque d'endommagement des systèmes de rétention et de confinement du gaz liquéfié. Ces phénomènes ne se produisent pas uniquement en cas de tempête, mais peuvent apparaître même par temps modéré, lorsque certains paramètres liés au comportement du navire, à la forme de ses cuves et au niveau de remplissage desdites cuves, se présentent de manière concomitante.
Par exemple une houle de travers de faible amplitude, par exemple de hauteur significative Hs= I .25m, liée à des périodes particulières, par exemple T= 8-10 secondes, ne présentera aucun danger lorsque les cuves sont pleines ou vides, ou encore avec des niveaux de remplissage intermédiaires, mais pour une valeur précise, par exemple un remplissage de 70-80%, des phénomènes de résonance apparaîtront dans ces conditions particulières, conduisant à des comportements dangereux de la cargaison de gaz liquide, pouvant conduire à des déferlements très violents de la houle en résonance contre les parois des cuves. Ces déferlements peuvent alors conduire à l'endommagement, voire à la ruine du système de confinement ou d'isolation, mettant ainsi en grand danger le navire et tout son personnel .
Les mouvements et turbulences les plus forts ont tendance à s'accumuler dans les angles verticaux aux extrémités longitudinales de la cuve et pl us particulièrement, les chocs les plus importants sont créés dans les trièdres créés par deux parois verticales latérales et transversales et le plafond de la cuve. Les angles verticaux 2d au niveau du plafond des cuves sont en effet des zones où, en cas de déferlement, risquent de se produire des chocs très violents en raison de la forme en trièdre créé par les deux parois verticales et le plafond de la cuve, c'est pou rquoi l'on dispose avantageusement les balises 5-1,5-2 à proximité desdits angles des cuves.
Sur la figure 2 on a représenté en coupe transversale un autre navire 1, mais de type méthanier, équipé de dispositifs de détection de mouvements de carène liquide ou « sloshing » 5-1,5-2 selon l'invention, le phénomène de « sloshing » étant ici formé en 3b, prêt à déferler sur le haut de la partie bâbord 2f de la cuve de GNL.
Sur la gauche sur bâbord, on a installé sur le pont la du navire deux balises 5-1 de type autonome, ces balises communiquent par radio avec un superviseur central 6, de préférence un ordinateur de type PC, installé au poste de contrôle, de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire d'une part, et d'autre part, ces balises communiquent par radio avec les autres balises 5-1, comme il sera explicité ci- après. Sur la droite, sur tribord, on a installé sur le pont la du navire deux balises 5-2 de type filaire, ces balises communiquent avec le même superviseur central 6, par u n réseau local informatique 5d-3.
Plus particulièrement, la cuve 2 de ce navire présente u ne section orthogonale avec une paroi de plafond constituée d'une paroi centrale horizontale 2e-2 et deux parois de plafond latérales 2e-l inclinées en pente descendante vers les parois latérales longitudinales 2f.
Ces cuves présentent donc des angles en forme de trièdre à leurs extrémités longitudinales, à savoir :
- des premiers trièdres 2d formés par une paroi latérale longitudinale 2f, une paroi transversale d'extrémité 2g et la partie de paroi de plafond adjacente 2e-l inclinée et, - des trièdres 2c formés par une paroi transversale d'extrémité 2g et deux parois de plafond 2e-l,2e-2 adjacentes disposées angulairement l'une par rapport à l'autre.
Comme détaillé sur les figures 7A et 7B, les balises 5-1 et 5-2 sont constituées par les éléments suivants :
- a) un capteur de vibrations 5a consistant dans un accéléromètre vibratoire, plus précisément un accéléromètre capable de mesurer les variations d'accélération g des vibrations de la paroi sur laquelle ils sont fixés en fonction du temps. Ces vibrations de la paroi du pont la sur laquelle ils sont fixés sont en relation avec les vibrations de la paroi de la cuve 2, puisque celle-ci est soutenue par la coque du navire ou support flottant et fixée solidairement à celle-ci par une structure porteuse 11, laquelle transmet les vibrations de la cuve 2 à la coque Ia-Ie du navire ; plus précisément, ces accéléromètres sont des accéléromètres triaxiaux connus de l'homme de l'art, c'est-à-dire aptes à mesurer l'accélération linéaire dans les trois directions de l'espace, de préférence des accéléromètres de type piezo-résistif, capables de mesurer une accélération sur une plage variant de zéro jusq u'à une valeur maximale. De manière à capter les vibrations de la façon la plus fidèle, ces balises 5a sont fixées par soudage ou collage contre la paroi sur laquelle ils sont fixés, b) une unité de calcul électronique 5b comprenant un microprocesseur et de la mémoire intégrée. - c) les moyens de transmission 5d de données, lesquels peuvent être de deux types :
• des balises autonomes 5-1 ou
• des balises filaires 5-2.
Dans le cas de balises autonomes 5-1, lesdits moyens de transmission comprennent u ne antenne 5d-l et un émetteur-récepteur
5d-2 aptes à transformer les signaux électriques fournis par ladite unité de calcul 5b en ondes radio, lesquelles ondes radio sont émises à partir d'une antenne 5d-l .
Dans le cas de balises filaires 5-2, lesdits moyens de transmission 5d comprennent des câbles 5d-3 reliant une interface 5d-4 de traitement du signal apte à le rendre véhiculable à travers lesdits câbles 5d-3, de préférence des câbles à fibre optique combinés à des interfaces 5d-4 transformant lesdites données du signal électrique fourni par l'unité de calcul électronique 5b en signaux lumineux.
Dans une variante de réalisation, les balises 5-1,5-2 comprennent un dispositif de détection de mouvements du navire 5c, qui est un inclinomètre, par exemple du type pendulaire, ou une centrale inertielle, aptes à déterminer de préférence l'angle de roulis d'une paroi de bordé
4b de la coque du navire ou support flottant.
Ce dispositif 5c est apte à déclencher l'activation de ladite unité de calcul électronique 5b pour réaliser des traitements des dites étapes b. l) à b.3) et c) de ladite balise et des autres unités de calcul électronique 5b des autres balises de la même cuve et des autres cuves du navire ou support flottant, le déclenchement de l'activation des dites unités de calcul électroniq ue se faisant à partir d'une valeur seuil prédéterminée d'amplitude de mouvements du navire, de préférence une valeur d'inclinaison d'une paroi de la coque du navire, ladite valeur de seuil étant un angle de roulis d'au moins 5°, de préférence 5 à 10° par rapport à la verticale.
La figure 3 est une vue de dessus d'un navire de transport de GNL comportant trois cuves 2-1,2-2,2-3 à section orthogonale, dont la première 2-1, à gauche, est équ ipée de quatre balises 5-1 de type autonome selon l'invention, installées à l'extérieur sur le pont du navire, au niveau des angles verticaux externes 2d de ladite cuve à ses extrémités longitudinales.
La cuve 2-2 du milieu est équipée également de quatre bal ises 5-1 installées à l'intérieur du navire en partie haute entre le bordé extérieur le du navire et la paroi externe 2-1 du revêtement d'isolation 2a de la cuve 2-2 de GNL. Enfin, la cuve 2-3 de droite est équipée de huit dispositifs 5-1 comme sur la figure 2, situés respectivement aux quatre coins 2d, vers l'extérieur et quatre angles 2c au niveau de la jonction des parois inclinées 2-1 du plafond avec la paroi centrale 2-2 du plafond de la cuve, comme représenté sur la vue en coupe sur la figure 2.
Les dispositifs de détection de mouvements de carène liquide ou balises 5-1,5-2 sont installés soit en contact direct avec la paroi externe 4a, 4b du navire, de préférence au niveau du pont 4a dudit navire comme représenté sur la figure 2, ou à l'intérieur du navire, par exemple dans une coursive, dans l'espace compris entre le bordé 4b du navire et le revêtement d'isolation 2a de la cuve de GN L, comme expl icité su r les figures 1 et 4-4A. Dans tous les cas, le dispositif de détection de mouvements de carène liquide 5-1,5-2 est solidaire de la paroi sur laquelle il est installé. Il est soit fixé mécaniquement par soudage 5-4 ou par boulonnage, ou encore avantageusement par simple collage, de manière à ce que toute vibration de ladite paroi soit transmise intég ralement au dispositif 5-1,5-2 avec le minimum d'atténuation. Ainsi, les dispositifs de détection 5-1,5-2 sont en quelques sortes « à l'écoute » de ce qui se passe à l'intérieur des cuves de stockage de GNL.
Le dispositif de détection de « sloshing » 5 est soit du type autonome 5-1 et transmet alors ses informations par radio, comme détaillé sur les figures 5 et 7A, soit du type filaire 5-2, et transmet alors ses informations, par exemple, par le biais d'un réseau informatique local filaire 5d-3, comme détaillé sur les figures 6 et 7B.
Sur la figure 7A, le dispositif de détection de « sloshing », ou balise, est de type autonome 5-1. Il est constitué d'un accéléromètre triaxial 5a relié 5a-l à une unité de calcul 5b, l'ensemble étant alimenté par un super-condensateur ou une batterie 5e, de préférence une pile au lithium à très longue durée de vie. Les informations résultant des calculs au sein de l'unité de calcul 5b sont transmises par radio au moyen d'un émetteur-récepteur radio 5d-2 équipé d'une antenne 5d-l . Dans la version de balise filaire 5-2, représentée su r la figure 7B, cette dernière est constituée d'un accéléromètre triaxial 5a relié à une unité de calcul 5b, l'ensemble étant alimenté en 5d-6 par la liaison filaire de type réseau 5d-3. Les informations résultant des calculs au sein de l'unité de calcul 5b sont transmises à l'unité centrale 6.
La figure 5 représente la vue en plan de deux cuves 2-1,2-2 équipées à leur quatre angles de balises 5-1 de type autonomes, l'une des balises 5-la vient d'être activée par le dispositif inclinomètre 5c et communique alors par radio avec le superviseur central 6 et avec toutes les autres balises 5-1 des deux cuves pour les réactiver.
De la même manière, la figure 6 représente la vue en plan de deux cuves 2-1,2-2 équipées à leurs quatre angles de balises 5-2 de type filaire, communiquant avec le superviseur central 6 et avec toutes les autres balises par l'intermédiaire d'un réseau local 5d-3.
Dans les deux types de balise, autonome 5-1 et filaire 5-2, le mode de fonctionnement est identique. Il est décrit en détails sur les figures 8, 9 et 10.
En l'absence de mouvements du navire, toutes les balises sont au repos, en état de veille, et ne consomment que très peu d'énergie, ce qui est un avantage considérable dans le cas des balises autonomes su r batterie 5-1. Chacune des balises, quand elle est activée, communique alors individuellement avec l'ordinateur de supervision 6 situé de préférence au niveau de la passerelle, comme représenté sur la figure 1. De plus, ladite balise informe simultanément toutes les autres balises et les active, ces dernières se mettent alors en mode acquisition de données, traitement de données et communication avec le superviseur central 6.
Sur la figure 8A, l'activation d'une balise est provoquée par le dispositif 5c, de type inclinomètre ou centrale inertielle sensible aux mouvements propres du navire. Un signal radio 8a est alors envoyé au superviseur central 6 et un signal radio 8b est envoyé à l'ensemble des balises pour les activer. Une fois la balise activée, l'accéléromètre triaxial 5a envoie ses données à l'unité de calcul 5b, qui les traite d'une manière particulière q ui sera explicité ci-après, puis transmet les données résultant du traitement du signal par radio jusqu'au superviseur 6. Ledit superviseur 6 traite alors l'ensemble des données recueillies en provenance des diverses balises 5-1,5-2 et peut ainsi synthétiser l'état de l'agitation de la carène liquide dans la cuve pour déterminer si cette agitation risque de conduire à un « sloshing » dommageable pour les installations.
De préférence, le superviseur 6 entre les données recueillies provenant des diverses balises dans un modèle mathématique lui permettant de fournir des consignes de commande de pilotage du navire en termes de vitesse et/ou direction pour réduire ou supprimer ce risque de « sloshing ».
Sur la figure 9A, l'activation d'une unité de calcul 5b de la balise 5 est provoquée par un signal radio 8b en provenance directe d'une première balise ou un signal radio 8c en provenance du superviseur central 6, lui-même ayant recueilli les données provenant de ladite première balise. Le processus d'acquisition transmission, représenté sur la figure 9B est alors identique à celui décrit précédemment en référence à la figure 8B.
Enfin, sur la figure 1OA, l'activation d'une balise est provoquée par un signal en provenance de son accéléromètre 5a, signal provoqué par exemple par un phénomène de résonance de la carène liquide de GN L alors que les mouvements propres du navire sont faibles, voire insignifiant, lesdits mouvements du navire n'étant pas suffisants pour atteindre le seuil de déclenchement du dispositif 5c, de type inclinomètre ou centrale inertielle. La balise envoie alors un signal 8a au superviseur central 6 ainsi qu'un signal 8b à l'ensemble des autres balises pour les activer. Le processus d'acquisition transmission, représenté sur la figure H B est alors identique à celui décrit précédemment en référence à la figure 9B. Dans le cas de liaisons filaires 5d-2, les mêmes informations que celles décrites en référence aux figures 8, 9 et 10 dans le cas des liaisons radio, transitent de manière connue sur le réseau local filaire 5d-3 reliant, en série, en étoile, ou en anneau, l'intégralité des balises et le superviseur central 6.
Le traitement du signal au sein d'une balise 5 est schématisé dans les figures 11 à 13.
Ce mode de fonctionnement normal, c'est à dire hors des phases d'ajustements d'auto-apprentissage décrits ci-après, lorsque la balise est déclenchée, par exemple par un roulis et/ou tangage dépassant un seuil donné perçu par exemple par l'inclinomètre 5c, le calculateur a connaissance, par simple mesure directe du signal, de la période exacte dudit roulis-tangage, donc du niveau de risque d'excitation et d'amplification des mouvements de la carène liquide risquant de dégénérer en « sloshing », de par une modélisation mathématique des carène liquides au sein des diverses cuves. Sur la base du signal temporel de la figure HA, associé à ladite période d'excitation, c'est à dire ladite période de roulis et/ou tangage, et au logiciel intégré au calculateur 5b, plusieurs types de traitement seront effectués selon la configuration dudit signal.
Ainsi, une FFT, convertissant ledit signal temporel en g = f(hz), de manière connue de l'homme de l'art dans le domaine du traitement du signal, sera systématiquement effectuée et sera bien adaptée pour un signal impulsionnel peu résonnant, c'est à dire comportant peu de réponses harmoniques, ce dernier pouvant être de forte ou de faible amplitude, mais de préférence centré autour d'une fréquence.
Sur les figures H B et HC, on a représenté le diagramme accélération (g) en fonction de la fréquence (Hz) correspondant respectivement au traitement du signal par u ne FFT (Fig . H B) et après filtrage du bruit de fond (Fig . HC). La figure H D représente le diagramme des accélérations temporelles après filtrage et traitement du signal par une Transformée de Fourrier inverse de type IFFT, mettant en évidence les dépassements des seuils Sl, S2, etc. prédéfinis.
Sur la base de cette FFT, on calcule une densité spectrale de type DSP (densité spectrale de puissance = g2 /Hz ), de manière connue de l'homme de l'art dans le domaine du traitement du signal. Ce calcul sera préféré dans le cas d'un signal de type choc, ce dernier excitant l'ensemble de la structure du navire et sous-structure de la cuve et support de cuve, donc à niveau global et local, et résonnant fortement autour d'une fréquence ; les fréquences adjacentes ainsi que leurs harmoniques étant elles aussi excitées.
Un calcul de densité spectrale de type DSE (Densité Spectrale d'Énergie = g2 xs/Hz), connu de l'homme de l'art dans le domaine du traitement du signal, sera préféré pour un signal transitoire, court ou long, car il permet une estimation à partir d'un processus de type moyenne sur la durée du signal temporel sélectionné pour le FFT, par exemple Δt= 2 secondes, tel que représenté sur la figure HA.
Sur les figures 12A et 12B, on a représenté le diagramme d'une DSP, dans laquelle on représente, de manière connue, en ordonnée la fonction g2/Hz, et en abscisse la fréquence Hz, la courbe correspondant respectivement au traitement du signal par une DSP (12A) et après filtrage du bruit de fond (12B). La Puissance spectrale g2 est alors représentée par l'intégrale de la fonction g 2/Hz de la figure 12B, c'est à dire par la surface hachurée de la figure 12B, comprise entre la courbe, l'axe des X, et les limites haute Fb et basse Fa du filtrage.
Sur les figures 13A et 13B, on a représenté le diagramme d'une
DSE, dans laquelle on représente, de manière connue, en ordonnée la fonction g 2s/Hz, c'est-à-dire le carré de l'accélération, multiplié par un temps et divisé par la fréquence, et en abscisse la fréquence Hz, la courbe correspondant respectivement au traitement du signal par une DSE (13A) et après filtrage du bruit de fond (13B). L'Énergie spectrale (g2 x t) est alors représentée par l'intégrale de la fonction g2s/Hz de la figure 13B, c'est à dire par la surface hachurée de la figure 13B, comprise entre la courbe, l'axe des X, et les limites haute et basse du filtrage.
Après traitement du signal au sein de l'unité de calcul selon les trois modes précédemment décrits, les données résultantes ne sont transmises au superviseur central 6 que dans le cas où des valeurs de seuil maximal sont franchies.
Dans le cas de la DSP dont le résultat est représenté sur la figure 12B, le seuil de déclenchement de transmission de données vers le superviseur central 6 est défini :
- soit par un dépassement de la limite pmax par la courbe ; les données transmises étant alors la valeur du (ou des) pic(s) de puissance P0 associé(s) à leur fréquence F0 correspondante, ainsi que la puissance spectrale globale représentée par l'aire hachurée de ladite figure,
- soit par le dépassement d'une valeur donnée de la puissance spectrale globale, représentée par l'intégrale de la courbe de la figure
12B, c'est à dire quand l'aire hachurée de ladite figure 12B dépasse une valeur seuil prédéfinie, les données transmises étant alors la valeur de ladite puissance spectrale globale, ainsi que, le cas échéant, la ou les valeur(s) de pics précédemment définies associées à leur fréq uence respective.
Dans le cas de la DSE dont le résultat est représenté sur la figure 13B, le seuil de déclenchement de transmission de données vers le superviseur central 6 est défini :
- soit par un dépassement de la limite emax par la courbe ; les données transmises étant alors la valeur du ou des pics d'énerg ie ei,e2 associés à la fréquence Fi, F2 correspondante, ainsi que l'énergie spectrale globale représentée par l'aire hachurée de ladite figure,
- soit par le dépassement d'une valeur donnée de l'énergie spectrale globale, représentée par l'intégrale de la courbe de la figure 13B, c'est à dire quand l'aire hachurée de ladite figure 13B dépasse une valeur seuil prédéfinie ; les données transmises sont alors la valeur de ladite énerg ie spectrale globale, ainsi que, le cas échéant, la ou les valeurs des pics précédemment définies associées à leur fréquence respective.
Sur la figure 12B, on a représenté un pic unique de valeur P0 dépassant le seuil prédéfini pmax.
Sur la figure 13B, on a représenté deux pics ei et e2 d'énergie ne dépassant pas le seuil prédéfini emax, et en conséquence le déclenchement de transmissions de données vers le superviseur central 6 ne sera pas initié par ce signal relatif aux pics.
En cas de dépassement d'au moins un seuil prédéfini lors des divers traitements du signal temporel de la figure HA, précédemment décrits en référence à la FFT, à la DSP et à la DSE, tout ou partie des résultats des divers traitements, de préférence l'intégralité des résultats synchrones des trois traitements, sera transmis au superviseur central 6, pour concaténation avec les données en provenance des divers capteurs, au sein d'un modèle mathématique représentant le comportement des carènes liquides des divers cuves de LNG du navire.
En procédant ainsi, l'intégralité des calculs en temps réel est réalisé par le calculateur 5b au sein de la balise 5, mais ne transitent vers le superviseur central 6 que des résultats de calculs, donc des données compactes et rapides à transmettre, contrairement à u n signal temporel qui occuperait alors à plein temps le médium de transmission, qu'il soit de type radio, ou de type réseau local . Ainsi, un signal temporel d'u ne durée de δt= 2 secondes occuperait le médium de transmission à 100% du temps, alors que les résultats des IFFT, DSP et
DSE ne seront transmis, que si un des seuils est dépassé, sur une durée de l'ordre de 0.1 à 0.5 secondes, libérant de ce fait très rapidement le médium de transmission, et limitant de manière drastiq ue la consommation de la balise, dont l'essentiel de la puissance consommée l'est par lesdits moyens de transmission. Le calculateur 5b reçoit en permanence des données en provenance du capteur 5a, les traite de manière continue ou non, les stocke dans sa mémoire interne et analyse au cours du temps le comportement global du système, principalement lorsque le navire se trouve soit à l'abri, soit en navigation calme, c'est à dire sans risques de mouvements de carènes liquides, donc de « sloshing ». Cette observation, corrélée avec le roulis et tangage du navire, permet d'évaluer le bruit de fond propre au navire en l'absence de mouvements significatifs de carènes liquides ou de « sloshing », et ainsi de définir des seuils tels que décrits en référence aux figures H D, 12B et 13B relatifs respectivement à une IFFT, une DSP et une DSE. Au cours du temps, ces seuils prédéfinis seront, soit automatiquement adaptées au sein du calculateur 5a, ce dernier fonctionnant en auto-apprentissage après avoir réalisé en interne la synthèse des résultats des trois traitements synchrones précédemment décrits, soit modifiés par le superviseur central après traitement global, sur de longues périodes, des informations en provenance de l'ensemble des balises, ces traitements globaux étant corrélés avec le comportement effectif du navire et de sa cargaison de gaz liquéfié.
Les termes anglo-saxons, connus de l'homme de l'art, correspondants aux densités spectrales, sont respectivement :
• DSP : PSD (Power Spectral Density),
• DSE : ESD (Energy Spectral Density)
Le filtrage du signal permet d'éliminer les fréquences parasites, en général les très basses fréquences et les hautes fréquences. Ce filtrage permet d'éliminer ce que l'on appelle le bruit de fond, c'est-à-dire le bruit créé par l'environnement propre du navire. On obtient ainsi une représentation de l'agitation de la carène liquide au sein de la cuve notamment en termes d'énergie spectrale, car les accélérations vibratoires mesurées sont liées à des masses de carène liquide en mouvement au sein de la cuve, et ladite énergie spectrale est représentative de l'agitation locale de la carène liquide au sein de la cuve. Cette énergie spectrale est alors comparée en temps réel à des valeurs seuil prédéterminées. Dès qu'une valeur seuil prédéterminée est atteinte ou dépassée, l'unité de calcul 5b effectue alors une IFFT (Inverse Fast Fourrier Transform), c'est-à-dire transformée de fourrier inverse, ce qui permet de revenir aux signaux de variation d'accélération g en fonction du temps t, ayant toutefois éliminé dans les phases de filtrage précédentes lesdits bruits de fond. On met alors en évidence, en temps réel, des signaux de variation des accélérations propres à la carène l iquide en fonction du temps et les risques d'apparition d'un « sloshing » potentiellement préjudiciable, ainsi que les pics d'accélération correspondant à des chocs avérés contre les parois des cuves, ou encore à des quasi-chocs, c'est à dire des résonances en phase croissante pouvant conduire à très court terme à des chocs préjudiciables pour l'intégrité de la cuve, et donc du navire.
Ces informations, une fois traitées au sein de l'unité de calcul 5b, sont transmises à intervalles, réguliers ou non, vers le superviseur central 6 qui traite alors l'ensemble des données et précise alors la localisation du phénomène de « sloshing » en terme de numéro de cuve et de localisation exacte de l'agitation ou des impacts avérés de « sloshing », et de quantifier le cas échéant l'ampleur du phénomène.
Comme représenté sur la fig ure H D, le processus de calcul au sein de l'unité de calcul 5b, définit avantageusement plusieurs seuils, par exemple deux seuils : un premier seuil Sl en dessous duquel les informations sont transmises en routine à intervalle régulier et espacé, et au dessus duquel l'intervalle entre deux transmissions est réduit, par exemple de moitié, car il y a alors risque de phénomènes de résonance pouvant conduire à un « sloshing » préjudiciable. un second seuil S2, au-dessus duquel les transmissions sont alors beaucoup plus fréquentes, par exemple 5 fois plus fréquentes, et ladite balise est alors considérée par le superviseur central 6 comme prioritaire vis-à-vis des autres balises, tant que ces dernières n'ont pas atteint ledit seuil S2. Le mode de fonctionnement de la balise a été expliqué en détails ci-dessus, est basé sur un auto-apprentissage du calculateur dans le temps, ledit auto-apprentissage ayant pour effet de modifier au cours du temps certains paramètres du logiciel intégré au calculateur 5b. Ces paramètres sont ainsi prédéfinis au démarrage de l'installation à bord du navire, et évolueront au cours du temps par auto-apprentissage, en fonction du comportement d'ensemble et des résultats d'analyse par les diverses balises et par le superviseur central 6. Les principaux paramètres seront ainsi fixés au départ à des valeurs conservatrices, c'est-à-dire en général des seuils assez bas, puis seront réactualisés de manière automatique au cours du temps vers des valeurs plus contraignantes et réalistes, en fonction du comportement réel des carènes liquides vis-à-vis du comportement concomitant du navire. Ainsi, au démarrage de l'installation, le navire étant par exemple au port ou en navigation en vitesse de croisière, en mer calme, l'analyse des signaux en provenance des capteurs 5a, permettra de caractériser très rapidement, et dans diverses situations plutôt calmes, le bruit de fond intrinsèque au système, et de l'éliminer de manière efficace lors des traitements de type FFT. Les principaux paramètres, fixés au départ mais qui, par auto- apprentissage, évol ueront dans le temps, après quelques jours, puis quelques semaines, quelques mois, quelques années, sont, entre autres :
- les fourchettes de valeur des périodes de roulis du navire (valeur mini-valeur maxi) risquant d'engendrer des mouvements importants de carènes liq uides, en fonction des niveaux connus de remplissage des cuves,
- les fourchettes de bandes passantes de fréquence (valeur minivaleur maxi) relatives au filtrage du signal ainsi que des seuils prédéfinis Sl, S2, etc. , dans le cas de FFT et d'IFFT,
- les niveaux d'énergie ou de puissance spectrale, définis dans le cas des DSP et de DSE.
Tous ces paramètres constituent en fait une modélisation mathématique du comportement global des carènes liquides, et dès lors que l'on se trouve à l'intérieur de certaines plages de valeurs, les risques de résonnance pouvant créer un « sloshing » dommageable peuvent apparaître, alors qu'à l'extérieur de ces plages de valeurs, les risques de résonances sont minimes, voire quasiment impossibles.
Les balises 5 comportent une capacité de calcul embarquée considérable, ce qui permet de ne faire transiter par rad io (balises de type autonome 5-1) ou sur le réseau local 5d-3 (balises filaires 5-2) que des résultats de données traitées, ce qui réduit de manière drastique l'occupation du superviseur central 6 qui n'a alors qu'à concaténer des données de résultat du traitement des signaux, pour en effectuer la synthèse et mettre à la disposition du commandant du navire un état précis du comportement de sa cargaison dans chacune des cuves de stockage de LNG.
Toutes les balises, qu'elles soient du type autonome 5-1 ou filaire 5-2, sont installées dans un environnement de gaz, et doivent donc être du type anti-déflagrant, c'est-à-dire doivent répondre à la norme européenne dite « ATEX ». Pour ce faire, l'ensemble des éléments constitutifs des balises 5, à savoir les capteurs de vibration 5a, unité de calcul 5b, moyens de détection des mouvements du navire 5c, l'alimentation 5e sont confinés dans une enceinte 5-3 respectant la norme ATEX. Seule une partie des moyens de transmission tels que l'antenne radio 5d-l, les réseaux filaires 5d-3 ne sont pas confinés dans l'enceinte 5-3 représenté par des pointillés sur les figures 7A et 7B.
L'utilisation de balises de type filaire 5-2 nécessite la mise en place d'un réseau local informatique et nécessite une alimentation en énergie. Mais, le réseau local 5d-3 sera avantageusement du type à fibre optique, et l'alimentation de la balise sera elle aussi avantageusement du type à batterie intégrée 5e, comme dans le cas des balises autonomes 5- 1. Ainsi, l'installation des divers composants dans cet environnement ATEX sera simplifiée d'autant.
Avantageusement, les composants électroniques de l'unité de calcul
5b utilisés pour le traitement du signal ainsi que les composants utilisés pour les moyens d'interface 5d-2 de transmission dans le cas de la balise autonome 5-1 et interface 5d-4 dans le cas de la balise filaire 5-2, sont du type à faible consommation en état de fonctionnement et à très faible consommation, voire à consommation quasi nulle, en état de veille. Ainsi, l'énergie à fournir pour ces balises sera assurée par des batteries 5e à longue durée de vie et de charge, et avantageusement par des piles lithium dont la durée de vie dépasse 2, voire 3 ans. Ainsi on dispose alors d'un ensemble capable de rester en fonction pendant plusieurs années, et l'ensemble des alimentations sera avantageusement remplacé de manière systématique à l'occasion de visites d'inspection du navire.
Dans une version préférée décrite sur les figures 4 et 4A, la balise autonome est avantageusement alimentée en énergie par un dispositif 9 de type thermocouple à effet Seebeck installé à l'intérieur de la coque du navire, entre le bordé 4b, contre la paroi d'isolation 2a-l de la cuve. Pour ce faire, on installe la balise 5-1 contre la paroi d'isolation 2a-l de la cuve, à travers laquelle on a préalablement percé un orifice 9a de faible diamètre, par exemple 5mm, la traversant de part en part jusqu'à la paroi d'étanchéité 2,2f, soit primaire, soit secondaire, puis on insère un thermocouple dans l'orifice de manière à ce que la soudure froide 9-2 soit en contact avec la paroi froide interne 2,2f, paroi à la température de -163°C dans le cas de la barrière d'étanchéité primaire. La soudure froide 9-2 est reliée de manière connue par un câble à double brin à la soudure chaude située au niveau du boîtier 9-3, ce dernier étant à la température ambiante, c'est à dire à une température de 10- 200C. Ce différentiel de température produit alors, de manière connue par effet Seebeck, un courant électrique permanent qui alimente de manière permanente la balise, et de préférence recharge en continu, soit une batterie, non représentée, soit encore un super-condensateur, c'est- à-dire un condensateur de très grande capacité. Ainsi, en état de veille, la consommation étant quasi nulle, la recharge de la batterie ou du super-condensateur s'effectuera de manière maximale, et dès que la balise entrera en fonctionnement, le courant produit sera intégralement consommé pour le traitement du signal ainsi que pour la transmission de données, le surplus de demande en courant sera fourni par l'élément de stockage, en l'occurrence, ladite batterie ou ledit super-condensateur. Cette disposition présente l'avantage d'avoir un fonctionnement extrêmement fiable et quasi illimité dans le temps, ne nécessitant aucun entretient durant la durée de vie du navire, bien sûr dans la mesure où les composants électroniques présentent une durée de vie comparable à la durée de vie opérationnelle du navire qui peut atteindre et dépasser 20 à 30 ans, voire plus.
Dans la présente invention, on a décrit des balises de type autonomes 5-1 et de type filaire 5-2. Ces deux types présentent chacun des avantages propres. Ainsi, dans le cas de navires existants, la version autonome 5-1 présente un avantage certain, car les balises sont du type ATEX et comportent chacune l'intégralité des fonctions requises. Elles peuvent être rajoutées sur des équipements existants et être solidarisées sur le pont ou à l'intérieur de la coque, contre la paroi d'isolation, par simple collage, ce qui ne nécessite aucun travail considéré en général comme dangereux dans des environnements potentiellement explosibles.
La version filaire 5-2 nécessite quant à elle un travail d'installation du réseau local cheminant tout le long du navire jusqu'à atteindre le superviseur central 6 situé au niveau de la passerelle. Ce type de disposition est plus particulièrement destiné aux constructions nouvelles, bien que la version autonome 5-1 reste quand même extrêmement intéressante dans ce cas, car elle supprime complètement le déploiement dudit réseau local 5d-3, lequel représente un coût considérable, car de tels navires mesurent plusieurs centaines de mètres de longueur. Dans ce type d'installation sur de très longues distances, il n'est pas rare d'avoir un coût de réseau local représentant 70 à 85 % de l'installation globale. Ainsi, en utilisant un ensemble de balises autonomes, on réduit de manière drastique le coût de l'installation, tout en facilitant son installation et son intégration dans un environnement gaz à risque élevé d'explosion nécessitant des équ ipements normalisés ATEX.
La normalisation ATEX est connue de l'homme de l'art et les composants mis en œuvre dans le cadre des balises 5-1 et 5-2, particulièrement au niveau du capteur 5a et de l'unité de calcul 5b sont disponibles dans un module ATEX 5-3 auprès de la Société CEGELEC (France) dans la gamme de produits référencés BACC. Les composants 5d-2 assu rant la transmission radio des données de la balise autonome 5- 1 sont disponibles, par exemple, auprès de la Société ASM (Autriche) sous la référence ASCell3911. Ces composants communiquent sur les fréquences autorisées normalisées ISM 868 M Hz, 433 Mhz & 315 M Hz, répondant ainsi aux législations des divers pays industrialisés. Ce type de composant a une portée limitée à 25-100Om selon le modèle et l'environnement (milieu confiné ou milieu ouvert) et présentent une consommation en situation d'émission de 10 à 12 mA sous 2-3.5v, et une consommation en veille de l'ordre de 0.5 μA, c'est-à-dire une consommation quasi nulle, ce qui représente un avantage considérable pour la durée de vie des batteries ou des piles lithium d'alimentation. Ce type de composant est intégré dans le module ATEX 5-3 précédemment décrit.
Dans le cas de liaisons au sein du navire, lorsque les balises sont installées entre le bordé et la cuve de GNL, on installera avantageusement des balises intermédiaires dont le seul rôle sera de recevoir les messages et de les transférer plus loin. Ainsi, de proche en proche, le message atteindra chacune des balises ainsi que le superviseur central 6 situé au niveau de la passerelle du navire.
Dans la description de la balise, on a décrit un mode de déclenchement de ladite balise grâce à un inclinomètre ou une centrale inertielle 5c, mais on utilise avantageusement l'accéléromètre principal triaxial 5a pour effectuer cette tâche, dans la mesure où il présente une sensibilité adaptée à détecter correctement les mouvements du navire, ainsi que les seuils devant déclencher ladite balise. A cet effet, l'unité de calcul 5b scrutera en permanence les signaux en provenance dudit accéléromètre principal et en déduira les mouvements effectifs du navire et en particulier son roulis tangage, déclenchant le cas échéant le processus d'acquisition-traitement-transmission précédemment détaillé. A titre d'exemple, on installe sur un méthanier de 135.000 m3 de capacité comportant quatre cuves de GN L, une balise autonome à chacun des angles 2c, 2d de chacune desdites cuves, lesdites balises étant localisées sur le pont 4a.
Chacune des balises est préréglée pour traiter les signaux issus de l'accéléromètre triaxial 5a dans une plage de périodes d'oscillation des carènes liq uides correspondant à des houles comprises entre 4-5 secondes et 15-18 secondes. La période d'observation δt liée à la FFT, représentée sur la figure 1OA, est ajustée à δt= 2 secondes, ce qui correspond sensiblement à deux cycles de FFT pour les périodes courtes et jusqu'à 9 cycles pour les périodes longues.
Ainsi, chacune des balises 5 est en observation permanente, c'est à dire en acquisition permanente des mouvements du navire (rou lis, tangage, ...), mais en veille de traitement et transmission, c'est-à-dire en consommation quasi nulle. Dès que le seuil de déclenchement prédéfini est atteint, par exemple un roulis de 8°, les calculs de FFT et autres calculs autour de l'énergie spectrale sont lancés sur la période d'observation prédéfinie δt= 2sec. Puis, chacune des données est comparée à celles de référence par l'unité de calcul 5b, après filtrage comme expliqué ci-dessus en référence à la figure 1OC. Si cette énergie est supérieure à ladite référence, un calcul d'IFFT est alors lancé afin mettre en évidence les chocs et quasi-chocs éventuels, et de les classer en amplitude selon les seuils prédéfinis Sl, S2, S3, etc. L'ensemble de ces calculs sont effectués de manière très rapide par l'unité de calcul 5b, dans un temps largement inférieur à la période de roulis considéré, puis sauvegardé au sein de l'unité de calcul 5b dans une mémoire associée. Il est envoyé simultanément au superviseur 6 via le module radio, ou le réseau local 5d-3, le cas échéant. Au sein dudit superviseur, il est alors concaténé avec toutes les informations synchrones ou quasi-synchrones en provenance de chacune des autres balises installées sur le navire, il fournit ainsi au commandant une représentation fidèle de l'agitation des carènes liquides au sein de chacune des cuves de son navire. L'acquisition des données pour chacune des balises est archivée et traitée de manière interne. Dans le temps, après plusieurs jours, plusieurs semaines, plusieurs mois de navigation, d'acquisition de données, les divers seuils prédéfinis sont ajustés soit à la hausse, soit à la baisse, par simple auto-apprentissage au niveau de l'unité de calcul 5b. Lesdits ajustements sont alors transmis à intervalle régulier au superviseur 6 qui assure alors la cohérence d'ensemble de toutes les balises. Le cas échéant, le superviseur central 6 intervient au niveau de chacune des balises par simple transmission radio, ou le cas échéant à travers le réseau local 5d-3, pour en modifier les seuils prédéfinis ou encore modifier les programmes de calcul d'acquisition ou d'auto apprentissage. De même, ledit superviseu r central intervient à distance pour modifier lesdits seuils de références définis. Les modifications sont aussi avantageusement réalisées lors des opérations de maintenance sur chacune des balises, ou lors de substitution d'une balise par une balise de nouvelle génération.
Le dispositif selon l'invention est particulièrement intéressant dans le cas d'anciens navires méthaniers convertis en vue d'être utilisés comme stockage flottant à poste fixe, soit près d'un site de production de GN L, soit dans une zone côtière, en tant que terminal de réception et de regazéification. En effet ces navires de conception ancienne présentent souvent des performances en termes d'isolation des cuves, moins performantes, voire même dégradées en raison du temps opérationnel qui atteint et dépasse dans certains cas 30, voire 40 ans. De plus, en général les moyens de propulsion de ce type de navire sont aussi devenus obsolètes en raison du faible rendement des machines anciennes, et les navires sont alors destinés à être détruits bien q ue la structure propre du navire soit encore parfaitement acceptable. Ainsi, la conversion de tels navires est très intéressante, car la machine principale n'est plus utilisée, et le manque de performances du système d'isolation n'est pas critique, et peut même dans certains cas être avantageux. En effet, ce manque de performances du système d'isolation crée un « boil off » important, c'est à dire une gazéification importante du GNL par pertes thermiques, ce qui dans le cas des terminaux de réception n'est pas un inconvénient, mais un avantage, car l'objectif de ce type de terminal est justement de regazeifier le gaz avant de l'expédier à terre, ou le transformer en électricité localement dans des centrales thermiques électriques. De plus, ce type de méthanier ancien ne pouvait pas naviguer autrement qu'à pleine charge, ou quasiment vide : ils avaient interdiction de naviguer en chargement intermédiaire, car ils ne présentaient pas une résistance suffisante pou r supporter les phénomènes de « sloshing ». Dans ce type d'utilisation d'anciens méthaniers, l'installation de dispositifs de détection d'agitation de liquide selon l'invention permet d'acquérir rapidement une connaissance précise du comportement des carènes liquides selon les états de mer et de définir des modes opérationnels correspondant à un niveau élevé de sûreté de fonctionnement, en gérant les niveaux de remplissage de chacune des cuves en fonction de la connaissance de l'agitation selon le niveau de remplissage et de l'état de mer à un instant donné. Ainsi, au bout d'une période opérationnelle préliminaire, le modèle mathématique est ajusté par auto-apprentissage, et les niveaux de remplissage critiques vis-à-vis des divers états de mer seront alors connus. Il est alors aisé d'effectuer des transferts de GNL d'une cuve vers l'autre, de manière à ce que, lorsqu'un état de mer potentiellement critique se produit, aucune des cuves ne présente le niveau de remplissage critique correspondant, évitant ainsi l'apparition des phénomènes redoutés de « sloshing ».

Claims

REVENDICATIONS
1. Navire ou support flottant (1) de transport ou de stockage de liquide (3) consistant dans un gaz liquéfié, de préférence choisi parmi les méthane, éthylène , propane et butane, refroidit dans au moins une grande cuve (2), de préférence cylindrique à section transversale polygonale , isolée thermiquement (2a) de grande dimension avec au moins sa plus petite dimension dans la direction horizontale, notamment sa largeur, supérieure à 20m de préférence de 25 à 50m et un volume supérieur à 10.000 m3, ladite grande cuve 2 étant supportée à l'intérieur de la coque (4) du navire par une structure porteuse (11), caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de dispositifs de détection de l'ag itation de liquide au sein de la ou des dites grande(s) cuve(s), ci-après dénommés « balises » (5,5-1,5-2), comprenant :
- a) un capteur de vibrations (5a) du type accéléromètre vibratoire apte à mesurer l'amplitude de l'accélération (g) en fonction du temps (t) des déplacements en vibration d'une paroi de ladite grande cuve ou d'une paroi du navire qui n'est pas en contact avec l'eau de mer, ladite paroi du navire comprenant le pont (4a) du navire ou une paroi (2a-l) de la structure interne du navire, de préférence une paroi de la partie de la structure interne supportant ladite grande cuve, paroi sur laquelle lesdits capteurs sont fixés à l'extérieur de ladite grande cuve, et
- b) une unité de calcul électronique (5b) comprenant un microprocesseur et une mémoire intégrée, apte à traiter ledit signal tel que mesuré par ledit capteur de vibration (5a), pour au moins en éliminer le bruit de fond propre au navire, et pour détecter le mouvement du liquide à l'intérieur de ladite grande cuve par comparaison des valeurs du signal ainsi traité par rapport à des valeurs seuil prédéterminées à partir desquelles l'agitation de la carène liquide (3) est considérée comme constituant u n risque de détérioration et déformation dommageables de ladite paroi, et
- c) des moyens de transmission (5d) dudit signal, après traitement par ladite unité de calcul électronique, vers une unité centrale ou superviseur (6), de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire.
2. Navire ou support flottant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque dite balise comprend :
- une dite unité de calcul électronique apte à réaliser les étapes de traitement du signal suivantes consistant à :
- 1.1) traiter en temps réel par Transformée de Fourrier, de préférence de type FFT, les signaux de dite variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction du temps (t) d'une dite paroi, mesurés par ledit accéléromètre vibratoire à l'étape a), pour calculer la variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction de la fréquence (F) de l'onde vibratoire du signal obtenu à l'étape a) sur une période de temps donné (Δt), puis de préférence calculer la densité spectrale d'énergie et/ou la densité spectrale de puissance
- 1.2) éliminer par filtrage le signal de bruit de fond dû aux vibrations propres au navire, puis
- 1.3) calculer les valeurs d'accélérations temporelles maximales obtenues par Transformée de Fourrier Inverse, de préférence de type IFFT, de la mesure de la variation de l'amplitude d'accélération (g) en fonction de la fréquence (F) de l'étape 1.) après filtrage de l'étape 1.2), et calculer les valeurs de densité spectrale d'énergie maximale (el, e2) et/ou densité spectrale de puissance maximale (Po) et de préférence calculer les valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale des mesure de densité spectrale d'énergie et/ou une mesure de densité spectrale de puissance de l'étape 1.) après filtration de l'étape 1.2), et
- 1.4) comparer lesdites valeurs d'accélérations temporelles maximales, et lesdites valeurs de densité spectrale d'énerg ie maximale (el, e2) et/ou dites valeurs de densité spectrale de puissance maximale (Po) et de préférence lesdites valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale de l'étape 1.3)., avec des valeurs seuils prédéterminées respectives (Sl,emax , pmax) à partir desquelles l'agitation de la carène liquide (3) est considérée comme constituant un risque de détérioration ou déformation dommageable de ladite paroi, et
- des dits moyens de transmission (5d) aptes à être activés par ladite unité de calcul électronique (5b) et à transmettre lesdites valeurs d'accélérations temporelles maximales, et de préférence lesdites valeurs de densité spectrale d'énergie maximale (el, e2) et/ou de densité spectrale de puissance maximale (Po) et de préférence encore lesdites valeurs d'énergie spectrale et respectivement de puissance spectrale de l'étape 1.3), sont transmises à une unité centrale (6) de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire, recueillant les données transmises par toutes lesdites balises (5), lesquelles dites valeurs sont transmises à une dite unité centrale, de préférence au niveau de la passerelle de pilotage du navire recueillant les données transmises par toutes les balises, si une dite valeur seuil de l'étape 1.4) est atteinte pour au moins une des balises.
3. Navire ou support flottant (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit accéléromètre vibratoire (5a) est un accéléromètre de type piezo-résistif.
4. Navire ou support flottant selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comprennent une antenne (5d-l) et un émetteur-récepteur (5d-2) aptes à transformer les signaux électriques fournis par ladite unité de calcul (5b) en ondes radio, lesquel les ondes radio sont émises à partir d'une antenne (5d-l).
5. Navire ou support flottant selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission (5d) comprennent des moyens de transmission filaires, comprenant des câbles (5d-3) reliant une interface (5d-4) de traitement du signal apte à le rendre véhiculable à travers lesdits câbles (5d-3), de préférence des câbles à fibre optique combinés à des interfaces (5d-4) transformant lesdites données du signal électrique, fourni par l'unité de calcul électronique (5b) en signaux lumineux.
6. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit capteur vibratoire est constitué par un accéléromètre vibratoire triaxial.
7. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'une dite balise (5,5-1) comporte en outre un dispositif complémentaire (5c) apte à détecter les mouvements propres du navire (1) et déclencher l'activation de ladite u nité de calcul électronique (5b) pour réaliser des traitements des dites étapes 1.1) à 1.3) et 2) de ladite balise et des autres unités de calcul électronique (5b) des autres balises de la même cuve et des autres cuves du navire ou support flottant, le déclenchement de l'activation des dites unités de calcul électroniq ue se faisant à partir d'une valeur seuil prédéterminée d'amplitude de mouvements du navire, de préférence une valeur d'inclinaison d'une paroi de la coque du navire.
8. Navire ou support flottant selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit dispositif de détection de mouvements du navire (5c) est un inclinomètre du type pendulaire ou une centrale inertielle, aptes à déterminer de préférence l'angle de rou lis d'une paroi de bordé (4b) de la coque du navire ou support flottant, ladite valeur seuil étant un angle de roulis d'au moins 5°, de préférence 5 à 10° par rapport à la verticale.
9. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 1 à
8, caractérisé en ce que ladite unité de calcul électronique (5) est apte à être activée à partir de la mesure d'une valeur seuil d'amplitude d'accélération (g) en fonction du temps.
10. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque dite balise (5,5-1) est alimentée par un moyen d'alimentation (5e) consistant dans une batterie ou un super condensateur, de préférence une pile au lithium, alimentant ledit accéléromètre vibratoire (5a), unité de calcul électroniq ue (5b), et moyens de transmission (5d) et de préférence dits dispositifs de détection de mouvements du navire (5c).
11. Navire ou support flottant selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comportent en outre un thermocouple à effet SEEBECK (9-1) dont la soudure froide est installée entre la paroi interne froide (2,2f) de la cuve et ladite balise (5), celle-ci constituant la soudure chaude du thermocouple, ledit thermocouple permettant de générer un courant permanent alimentant ladite balise et, de préférence rechargeant en continu une dite batterie ou super condensateur (5e).
12. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdites balises (5,5-1,5-2) sont solidaires du pont (4a) du navire et/ou d'une paroi latérale (2a-l) du système de supportage et d'isolation (2a) des parois (2,2) de ladite grande cuve (2) à l'intérieur de la coque (4) du navire en vis-à-vis d'une paroi de bordé (4b) de la coque, lesdites balises étant situées à proximité d'angles (2c, 2d) de ladite grande cuve à ses extrémités longitudinales.
13. Navire ou support flottant selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites balises sont positionnées en regard d'un dièdre (2d) formé par les angles d'une paroi latérale longitudinale verticale (2f), d'une paroi transversale verticale (2g) et d'une paroi de plafond (2e) de ladite grande cuve ou un trièdre (2c) formé par deux plans (2e-l,2e-2) d'une paroi de plafond (2e) de ladite grande cuve, disposés angulairement l'un par rapport à l'autre et une paroi latérale verticale transversale (2g) de ladite grande cuve.
14. Navire ou support flottant selon l'une des revendications 1 à
13, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un ancien navire de transport du type méthanier converti en navire de stockage flottant ancré à poste fixe , dont le niveau de remplissage d'au moins un de ses cuves est déterminé en fonction de l'agitation du liquide qu'elle contient telle que détectée et calculée par un dit dispositif de détection d'agitation de liquide (5 ).
15. Procédé de détection de l'agitation de carène liquide au sein de cuve(s) d'un navire selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives dans lesquelles :
1) On réalise ledit traitement du signal, de préférence après avoir activé une dite unité de calcul électronique lorsqu'une valeur seuil de mouvement du navire est atteinte et,
2) On réalise ladite transmission des valeurs obtenues à l'étape 1) depuis ladite unité de calcul électronique (5b) jusqu'à une dite unité centrale (6).
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