Cloche de plongée

Contexte

Les plongeurs commerciaux effectuant des travaux de construction ou de sauvetage sous-marins utilisent souvent une cloche de plongée pour se rendre sur le site sous-marin. L’utilisation d’une cloche de plongée (également connue sous le nom de Capsule de transfert personnelle, PTC) et d’une chambre de pression prolonge la durée pendant laquelle un plongeur peut rester sous l’eau en toute sécurité. Les cloches de plongée étaient connues dès le fourth siècle avant JC. , quand ils ont été observés par l’ancien philosophe grec Aristote. Des cloches de plongée plus sophistiquées ont été conçues au XVIIe siècle. Les cloches modernes pour la plongée commerciale ont été développées après la Seconde Guerre mondiale, avec l’essor de l’industrie pétrolière offshore.

La plongée commerciale (plongée payante) est divisée en deux types principaux, la plongée en surface et la plongée à saturation. En plongée en surface, les plongeurs casqués travaillent sous l’eau, reliés à un appareil respiratoire à terre ou à bord d’un navire, d’une barge ou d’une plate-forme. Généralement, les plongeurs travaillent par paires, un sous l’eau et un à la surface pour s’occuper des tuyaux et de l’équipement. Les plongeurs orientés vers la surface peuvent travailler en toute sécurité à des profondeurs allant jusqu’à 91,5 m (300 pi), mais les plongeurs ne peuvent passer qu’un temps limité sous l’eau. Les effets de la pression de l’eau peuvent entraîner un mal de décompression. Sous pression, l’azote s’accumule dans les tissus du corps du plongeur, bloquant les artères et les veines. Si le plongeur se lève trop rapidement, l’azote forme des bulles dans les tissus, un peu comme la façon dont une bouteille de soda bouillonne lorsqu’elle n’est pas coiffée. Les bulles de gaz dans les tissus provoquent des douleurs, une paralysie ou la mort. Après une plongée profonde, le plongeur doit décompresser progressivement, en revenant très lentement à la pression de surface afin d’éviter le mal de décompression. Le temps de décompression est lié à la profondeur de la plongée et à la durée. Avec une plongée profonde d’une heure seulement, le temps de décompression peut prendre des jours. La plongée en surface n’est pratique que pour les petits travaux.

Le deuxième type de plongée commerciale, la plongée à saturation, est plus utile pour les projets de construction à grande échelle. En plongée à saturation, les plongeurs utilisent une chambre pressurisée, parfois appelée Système de plongée profonde (DDS), attachée à une cloche de plongée. La chambre et la cloche commencent à bord d’un navire. Une équipe de plongeurs embarque dans la chambre, qui est ensuite pressurisée mécaniquement pour simuler l’environnement à la profondeur de la plongée prévue. La chambre est un cadre de vie complet – équipée de lits, douche et mobilier — et pouvant accueillir une équipe de plongeurs pendant des semaines. Lorsque les plongeurs sont acclimatés, ils sortent de la chambre par un tunnel d’accouplement et entrent dans la cloche de plongée, qui est également pressurisée. Une grue soulève la cloche du navire et la dépose sur le site sous-marin. Une fois sur le site, un plongeur sort de la cloche en combinaison de plongée et casque et commence à travailler. L’autre plongeur reste dans la cloche et tend les tuyaux et l’équipement du premier plongeur. Après un intervalle de peut-être deux heures, ils changent. Travaillant à partir d’une cloche, les plongeurs peuvent passer une journée de huit heures sous l’eau. Ensuite, ils sont transportés à la surface dans la cloche, entrent dans la chambre de pression et basculent avec le prochain quart de plongeurs. Lorsque l’ensemble du travail est terminé, l’équipe décompresse dans la chambre de pression. Bien qu’ils aient submergé plusieurs fois, l’équipe n’a besoin de décompresser qu’une seule fois.

Historique

Un seau ou un baril abaissé directement dans l’eau, extrémité ouverte vers le bas, emprisonnera l’air à l’intérieur. Aristote a écrit que les plongeurs utilisaient des chaudrons remplis d’air pour respirer sous l’eau. Alexandre le Grand aurait pris la mer dans une cloche de plongée — réputée être un tonneau de verre blanc — en 332 av.J.-C. Il serait resté profondément sous l’eau pendant des jours, bien que cela ne soit pas plausible. Il existe plusieurs références aux cloches de plongée au Moyen Âge. En 1531, un Italien, Guglielmo de Lorena, a fabriqué une cloche de plongée utilisable qu’il a utilisée pour récupérer d’anciens navires romains coulés au fond d’un lac. D’autres cloches ont été inventées et utilisées dans divers endroits d’Europe, principalement pour récupérer des trésors. Le précurseur de la cloche de plongée moderne a été inventé par l’Anglais Edmund Halley, qui est surtout connu pour la comète portant son nom. En 1690, Halley construit une cloche de plongée qui utilise des tubes en cuir et des barils doublés de plomb pour fournir de l’air frais sous l’eau. Sa cloche était un cône ouvert en bois, lesté de plomb et muni d’un hublot vitré. À l’intérieur, Halley accrocha une plate-forme sur laquelle le plongeur pouvait se reposer et un engin de barils lestés. Les barils étaient fixés de sorte que lorsque le plongeur les tirait dans la cloche, la pression de l’eau par le bas les obligeait à libérer de l’air frais dans la cloche. Les aides à la surface ont rempli les barils d’air frais. Halley et une équipe de plongeurs ont réussi à rester sous l’eau à une profondeur d’environ 18,3 m (60 pieds) pendant une heure et demie en utilisant sa cloche.

D’autres ont reproduit la réalisation de Halley, mais la conception n’a été considérablement améliorée qu’en 1788. Cette année-là, un ingénieur écossais, John Smeaton, a fabriqué une cloche de plongée qui utilisait une pompe sur son toit pour forcer l’air frais à l’intérieur. La cloche de Smeaton était utilisée par des plongeurs effectuant des réparations de ponts sous-marins. Une variété d’équipements de plongée a été inventée au XIXe siècle, conduisant à des casques de plongée réalisables reliés par des tuyaux à une alimentation en air en surface. Cet équipement avait tendance à être lourd et volumineux, fabriqué avec des centaines de livres de métal pour résister à la pression de l’eau profonde. Les ouvriers des tunnels et des ponts descendaient dans d’énormes cloches en fonte ou des chambres ressemblant à des ascenseurs appelées caissons. Comme on en savait peu sur les dangers de la pression, beaucoup de ces travailleurs ont été malades et sont morts de ce qu’on appelait la maladie des caissons, maintenant connue comme étant la maladie de décompression.

Les bases de la future plongée commerciale ont été posées après la Seconde Guerre mondiale.Le plongeur suisse Hannes Keller a utilisé une cloche de plongée en 1962 pour atteindre une profondeur de 300 m (984 pi). Sa cloche était à une pression légèrement plus élevée que son site de plongée. Keller respirait un mélange d’hélium

Une cloche de Halley.

et de l’oxygène à travers des tuyaux fixés à une machine dans la cloche. Il a montré que la cloche de plongée pouvait être une station de passage précieuse pour un plongeur profond, fournissant non seulement du gaz respirable, mais aussi de l’électricité, des dispositifs de communication et de l’eau chaude pour chauffer la combinaison de plongée.

La plongée à saturation a été rendue possible par les travaux du Dr George Bond, directeur du United States Navy Submarine Medical Center au milieu des années 1950.Ses expériences ont montré que les tissus d’un plongeur étaient saturés d’azote après un certain temps d’exposition. Une fois le point de saturation atteint, la durée de la plongée était sans importance. Un plongeur peut rester sous pression pendant des semaines ou des mois. Le temps nécessaire à la décompression serait le même, que le plongeur reste au point de saturation pendant une heure ou une semaine. Les expériences de Bond ont conduit au développement de systèmes de plongée profonde. Ceux-ci ont été fréquemment utilisés par les travailleurs de l’industrie pétrolière dans les années 1970 et 1980, lorsque les plates-formes de forage pétrolier en haute mer ont prospéré.

La bathysphère et le bathyscaphe

Deux cloches de plongée modernes importantes étaient la bathysphère et le bathyscaphe. Il s’agissait de navires de plongée en haute mer conçus pour l’observation scientifique. La bathysphère a été construite par William Beebe, un zoologiste américain, et l’ingénieur Otis Barton en 1930. Beebe, fasciné par la vie sous-marine, a conçu la machine de plongée et Barton a pu la concevoir. L’idée de Barton était de rendre la chambre parfaitement ronde pour répartir uniformément la pression de l’eau. Il était fabriqué en acier moulé d’un peu plus de 2,5 cm (1 po) d’épaisseur et 1,5 m (4,75 pi) de diamètre. La bathysphère pesait un énorme poids de 2 449 kg (5 400 lb), presque trop lourd pour que la grue disponible puisse le soulever. Beebe et Barton ont effectué plusieurs plongées au large des Bermudes dans la bathysphère, atteignant une profondeur de 3 000 pieds (900 m) en 1932. En raison de la grande force de la sphère, les plongeurs étaient protégés de la pression, mais la bathysphère s’est avérée lourde et potentiellement risquée. Il a été abandonné en 1934.

Une décennie plus tard, un père et son fils suisses, Auguste et Jacques Piccard, conçoivent un navire similaire appelé le bathyscaphe. Le bathyscaphe résistait aux effets de la pression, comme la bathysphère, avec une lourde chambre sphérique en acier. La chambre était suspendue sous un grand récipient léger rempli d’essence. Le relâchement des vannes d’air a permis au bathyscaphe de perdre de la flottabilité et de s’enfoncer au fond de l’océan par ses propres moyens. Pour remonter, les opérateurs ont relâché du ballast de fer, provoquant une montée lente du navire. Le premier bathyscaphe a été construit en 1946, mais irrémédiablement endommagé en 1948. Une machine améliorée est descendue à 13 000 pieds (4 000 m) en 1954. Les Piccards ont construit un autre bathyscaphe, nommé le Trieste, en 1953. La marine américaine a acheté le Trieste en 1958. Jacques et le lieutenant de marine Donald Walsh ont atteint une profondeur record de 35 810 pieds (10 916 m) dans la fosse des Mariannes dans le Pacifique en 1960.

Matières premières

Les cloches de plongée modernes sont en acier à grain fin à haute résistance. Les fenêtres sont construites en acrylique moulé d’une qualité spéciale conçue pour les récipients sous pression. La cloche a également besoin d’une ceinture extérieure en aluminium épais pour la protéger des chocs. La cloche est peinte avec une peinture époxy marine de haute qualité. Les spécifications de l’acier et de l’aluminium varient en fonction de la profondeur prévue du navire.

Design

Les cloches de plongée sont fabriquées sur mesure selon les spécifications du client. Le client s’adresse au fabricant avec un aperçu de ce qui est nécessaire. Selon les besoins, le contour spécifiera la forme de la cloche, le nombre minimum d’occupants, le nombre de fenêtres et tout autre besoin spécial, tel que des supports pour contenir l’équipement. Le fabricant examine le plan du client, puis établit une conception finale.

La fabrication et la conception des cloches de plongée sont effectuées selon des réglementations spécifiques fournies par l’American Society of Mechanical Engineers (ASME). ASME a une sous-section réglementant ce que l’on appelle généralement les récipients sous pression pour l’Occupation humaine, ou PVHOs. Les PVHO comprennent des cloches de plongée ainsi que des navires submersibles, des chambres de décompression, des chambres de recompression, des chambres à haute altitude et autres. ASME établit des normes strictes pour tous les aspects des cloches de plongée, de la conception à la fabrication et aux tests. Les fabricants et leurs sous-traitants doivent tous suivre les directives ASME étape par étape tout au long du processus de fabrication afin de recevoir un tampon ASME sur la cloche finie.

Le processus de fabrication

Fabrication de la cloche

• 1 Le corps de la cloche est formé d’acier solide et à grain fin. La plaque d’acier laminée est placée sur une bande transporteuse et envoyée à travers une scie automatisée qui coupe la plaque dans le haut, le bas et les côtés de la cloche.
• 2 Les sections sont envoyées à un atelier de soudage certifié pour ce type de construction. Chaque section est soudée manuellement. Les soudures doivent pouvoir résister à une pression élevée et être absolument étanches à l’eau. L’atelier de soudage suit les directives établies par ASME.
• 3 fenêtres en acrylique coulé, fabriquées par un sous-traitant ou par le fabricant de la cloche, sont mises en place.

Inspection et essais

• 4 Une fois les sections soudées ensemble, la cloche est inspectée. Il peut subir divers tests, de l’inspection visuelle des soudures aux échographies ultrasonores. Après ces tests vient le « test de preuve. »La cloche est remplie d’eau et pressurisée pendant une heure à une fois et demie la pression qu’elle a été conçue pour supporter. En d’autres termes, si la cloche a été conçue pour résister à la pression trouvée à une profondeur de 600 pieds (183 m), 282 psi, le fabricant la soumet à des pressions trouvées à 900 pieds (274,3 m), ou 415 psi. La cloche devrait facilement pouvoir résister au test de preuve. Il a été conçu pour résister à une pression de quatre fois sa pression d’utilisation générale, par mesure de sécurité.

Peinture et finition

• 5 Ensuite, la cloche est peinte. Les pulvérisateurs mécaniques enduisent la cloche d’une peinture époxy marine de haute qualité capable de résister à l’utilisation brutale que la cloche subira sous l’eau.
• 6 Ensuite, l’intérieur de la cloche est terminé. La cloche tiendra une variété d’appareils tels qu’un appareil de chauffage, des instruments, des lumières, un dissolvant de dioxyde de carbone et des ventilateurs. Les supports pour ces appareils sont boulonnés à l’intérieur de la cloche. Les boîtiers de tuyauterie et de câblage sont également boulonnés en place. La cloche n’est pas prête à l’emploi tant que tout l’équipement n’est pas en place.

Certification

• 7 Si la cloche réussit tous les tests et inspections, elle est estampillée d’un sceau ASME. Cela signifie qu’il a été construit conformément aux normes ASME et qu’il est présumé sûr pour une occupation humaine. La cloche individuelle reçoit également un certificat indiquant où elle a été construite, quand et par qui. D’autres registres sont également conservés, comme l’origine de l’acier utilisé pour la carrosserie.
• 8 Le fabricant livre la cloche en tant que navire  » brut « . Le client l’équipe ensuite de toutes les machines nécessaires telles que des dispositifs de suivi, des caméras et des émetteurs radio.

Contrôle de la qualité

Le contrôle de la qualité est extrêmement important pour un navire utilisé pour des travaux sous-marins intrinsèquement dangereux. Le contrôle de la qualité est intégré au processus de fabrication de la cloche de plongée, car les fabricants suivent les normes établies par ASME. Non seulement la cloche est testée après la construction, mais même la conception préliminaire a été réalisée de manière à satisfaire aux règles ASME. L’autorité réglementaire générale en matière de plongée, y compris

Une Capsule de Transfert de Personnel moderne (PTC).

plongée commerciale, aux États-Unis est la Garde côtière.

Le futur

La marine américaine teste également divers équipements de plongée pour son propre usage. Il gère une unité de plongée expérimentale qui teste les équipements existants et teste des technologies de plongée de pointe. L’Unité de plongée expérimentale emploie également des médecins et des chercheurs qui étudient les effets physiologiques de la plongée. Certaines de ces recherches peuvent mener à des règlements touchant les plongeurs commerciaux. Cela peut à son tour affecter les procédures de sécurité et les tests de contrôle de la qualité pour les cloches de plongée et autres appareils de plongée.

Les plongeurs commerciaux utilisent chaque jour des cloches de plongée pour le transport entre une chambre pressurisée et un site en haute mer. Le développement de la plongée à saturation a conduit à un moyen beaucoup plus efficace d’effectuer des travaux sous-marins approfondis, car les plongeurs n’ont besoin de décompresser qu’une seule fois à la fin du travail. Certaines recherches actuelles, cependant, étudient les moyens de se passer complètement de la décompression. Certains chercheurs ont étudié la possibilité d’équiper les plongeurs de branchies artificielles, leur permettant de respirer de l’oxygène directement de l’eau. Une autre nouvelle technologie possible est appelée respiration liquide. À une pression profonde, si les poumons sont remplis d’un liquide contenant de l’oxygène, ils peuvent théoriquement continuer à fonctionner. Hypothétiquement, un plongeur pourrait être capable de respirer du fluorocarbone liquide oxygéné à partir d’une citerne mobile. Cela permettrait à un plongeur de plonger plus profondément sans l’utilisation d’une chambre de pression et d’une cloche de plongée. Une autre piste d’investigation est la décompression dite biologique. Une bactérie spéciale dans le corps pourrait être utilisée pour métaboliser les gaz piégés dans les tissus qui causent le mal de décompression. Cela éliminerait le besoin de décompression dans une chambre. Si l’une de ces technologies devenait viable pour les plongeurs commerciaux, le système existant de chambre de pression et de cloche de plongée pourrait changer.