La cloche de plongée : capsule de transfert personnel pour travaux sous-marins sécurisés

Contexte

Les plongeurs commerciaux effectuant des travaux de construction ou de sauvetage sous-marins utilisent souvent une cloche de plongée pour le transport vers le site. L'utilisation d'une cloche de plongée (aussi appelée Capsule de Transfert Personnel, PTC) et d'une chambre de pression prolonge le temps qu'un plongeur peut passer sous l'eau en toute sécurité. Les cloches de plongée étaient connues dès le 4e siècle av. J.-C., observées par le philosophe grec Aristote. Des cloches plus sophistiquées ont été conçues au 17e 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 rémunérée) se divise en deux types principaux : la plongée en surface et la plongée en saturation. En plongée en surface, les plongeurs en casque travaillent sous l'eau, reliés à un appareil respiratoire à terre ou sur un navire, une barge ou une plateforme. Généralement, les plongeurs travaillent en binôme, l'un sous l'eau et l'autre en surface gérant les tuyaux et l'équipement. Les plongeurs en surface peuvent travailler en toute sécurité jusqu'à 91,5 m de profondeur, mais seulement pour une durée limitée. Les effets de la pression peuvent entraîner des accidents de décompression. Sous pression, l'azote s'accumule dans les tissus du plongeur, bloquant artères et veines. Si le plongeur remonte trop vite, l'azote forme des bulles dans les tissus, comme une bouteille de soda quand on l'ouvre. Les bulles de gaz causent douleur, paralysie ou mort. Après une plongée profonde, le plongeur doit décompresser progressivement, remontant très lentement à la pression de surface pour éviter l'accident de décompression. Le temps de décompression dépend de la profondeur et de la durée. Pour une plongée profonde d'une seule heure, la décompression peut prendre des jours. La plongée en surface n'est pratique que pour de petits travaux.

Le second type, la plongée en saturation, est plus utile pour les projets de construction à grande échelle. En plongée en 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 prévue. La chambre est un environnement de vie complet — lits, douche, mobilier — pouvant accueillir une équipe pendant des semaines. Une fois acclimatés, ils sortent par un tunnel d'accouplement et entrent dans la cloche, également pressurisée. Une grue soulève la cloche du navire et la dépose sur le site sous-marin. Une fois sur site, un plongeur sort de la cloche en combinaison et casque et commence le travail. L'autre reste dans la cloche et gère les tuyaux et l'équipement du premier. Après un intervalle d'environ deux heures, ils s'échangent. Travaillant depuis une cloche, les plongeurs peuvent effectuer une journée de huit heures sous l'eau. Ils sont ensuite ramenés en surface dans la cloche, entrent dans la chambre de pression, et passent le relais à l'équipe suivante. Lorsque le travail est terminé, l'équipe décompresse dans la chambre de pression. Bien qu'ils aient plongé plusieurs fois, l'équipe n'a besoin de décompresser qu'une seule fois.

Histoire

Un seau ou un tonneau descendu verticalement dans l'eau, ouverture vers le bas, piège de l'air à l'intérieur. Aristote a écrit sur des plongeurs utilisant des chaudrons remplis d'air pour respirer sous l'eau. Alexandre le Grand aurait descendu en mer dans une cloche de plongée — réputée être un tonneau de verre blanc — en 332 av. J.-C. On dit qu'il est resté en grande profondeur pendant des jours, ce qui n'est 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 fonctionnelle qu'il a utilisée pour récupérer d'anciens navires romains au fond d'un lac. D'autres cloches ont été inventées et utilisées en Europe, principalement pour le sauvetage de trésors. Le précurseur de la cloche de plongée moderne a été inventé par l'Anglais Edmund Halley, connu pour la comète portant son nom. En 1690, Halley a construit une cloche utilisant des tubes en cuir et des tonneaux doublés de plomb pour fournir de l'air frais sous l'eau. Sa cloche était un cône en bois à fond ouvert, lesté de plomb et muni d'un hublot en verre. À l'intérieur, Halley a suspendu une plateforme pour le plongeur et un dispositif de tonneaux lestés. Les tonneaux étaient fixés de sorte que lorsque le plongeur les tirait dans la cloche, la pression de l'eau par le bas les forçait à libérer de l'air frais dans la cloche. Des aides en surface rechargeaient les tonneaux en air frais. Halley et une équipe de plongeurs ont réussi à rester sous l'eau à une profondeur d'environ 18,3 m pendant une heure et demie avec sa cloche.

D'autres ont reproduit l'exploit de Halley, mais la conception n'a pas été significativement améliorée avant 1788. Cette année-là, un ingénieur écossais, John Smeaton, a fabriqué une cloche utilisant une pompe sur son toit pour forcer l'air frais à l'intérieur. La cloche de Smeaton a été utilisée par des plongeurs réparant des ponts sous-marins. Une variété d'équipements de plongée a été inventée au 19e siècle, menant à des casques de plongée fonctionnels reliés par tuyaux à une alimentation en air en surface. Cet équipement tendait à être lourd et volumineux, fait de centaines de kilos de métal pour résister à la pression des grandes profondeurs. Les ouvriers sur les tunnels et ponts descendaient dans d'énormes cloches en fonte ou des chambres ressemblant à des ascenseurs appelées caissons. Comme on connaissait peu les dangers de la pression, beaucoup de ces travailleurs sont tombés malades et sont morts de ce qu'on appelait le mal des caissons, aujourd'hui connu comme accident de décompression.

Les bases de la plongée commerciale future ont été posées après la Seconde Guerre mondiale. Le plongeur suisse Hannes Keller a utilisé une cloche de plongée en 1962 pour atteindre 300 m de profondeur. Sa cloche était à une pression légèrement supérieure à celle du site de plongée. Keller respirait un mélange d'hélium Une cloche de Halley. et d'oxygène via des tuyaux attachés à une machine dans la cloche. Il a montré que la cloche pouvait être une station relais précieuse pour un plongeur profond, fournissant non seulement du gaz respirable mais aussi électricité, dispositifs de communication et eau chaude pour chauffer la combinaison de plongée.

La plongée en saturation a été rendue possible par les travaux du Dr George Bond, directeur du Centre Médical Sous-marin de la Marine américaine au milieu des années 1950. Ses expériences ont montré que les tissus du plongeur se saturaient en azote après un certain temps d'exposition. Une fois le point de saturation atteint, la durée de la plongée n'avait plus d'importance. Un plongeur pouvait rester sous pression pendant des semaines ou des mois. Le temps nécessaire pour la décompression serait le même, que le plongeur reste au point de saturation une heure ou une semaine. Les expériences de Bond ont mené 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, quand les plateformes de forage offshore en eau profonde prospéraient.

La bathysphère et la bathyscaphe

Deux cloches de plongée modernes importantes étaient la bathysphère et la bathyscaphe. Ce étaient des vaisseaux de plongée profonde pour l'observation scientifique. La bathysphère a été construite par William Beebe, zoologiste américain, et l'ingénieur Otis Barton en 1930. Beebe, fasciné par la vie sous-marine, a conçu la machine, et Barton a pu la dessiner. L'idée de Barton était de rendre la chambre parfaitement ronde pour répartir uniformément la pression de l'eau. Elle a été fabriquée en acier moulé d'un peu plus de 2,5 cm d'épaisseur et 1,5 m de diamètre. La bathysphère pesait 2 449 kg, presque trop lourde pour la grue disponible. Beebe et Barton ont fait plusieurs plongées au large des Bermudes, atteignant 900 m en 1932. Grâce à la grande résistance de la sphère, les plongeurs étaient protégés de la pression, mais la bathysphère s'est révélée difficile à manœuvrer et potentiellement risquée. Elle a été abandonnée en 1934.

Une décennie plus tard, un père et son fils suisses, Auguste et Jacques Piccard, ont conçu un vaisseau similaire appelé bathyscaphe. La bathyscaphe résistait aux effets de la pression, comme la bathysphère, avec une chambre sphérique en acier lourd. La chambre pendait sous un grand conteneur léger rempli d'essence. L'ouverture de vannes d'air permettait à la bathyscaphe de perdre de la flottabilité et de couler au fond de l'océan par sa propre puissance. Pour remonter, les opérateurs larguaient du lest en fer, faisant remonter lentement le vaisseau. La première bathyscaphe a été construite en 1946, mais irrémédiablement endommagée en 1948. Une machine améliorée a descendu à 4 000 m en 1954. Les Piccard ont construit une autre bathyscaphe, nommée Trieste, en 1953. La Marine américaine a acheté le Trieste en 1958. Jacques et le lieutenant de la Marine Donald Walsh ont atteint une profondeur record de 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 haute résistance. Les hublots sont en acrylique coulé d'un grade spécial pour vaisseaux sous pression. La cloche a aussi besoin d'un cerclage extérieur en aluminium épais pour la protéger des chocs. Elle est peinte avec une peinture époxy marine de haute qualité. Les spécifications d'acier et d'aluminium varient selon la profondeur prévue du vaisseau.

Conception

Les cloches de plongée sont construites sur mesure selon les spécifications du client. Le client approche le fabricant avec un aperçu de ses besoins. Selon les besoins, l'aperçu spécifiera la forme de la cloche, le nombre minimal d'occupants, le nombre de hublots, et tout besoin spécial, comme des supports pour l'équipement. Le fabricant examine le plan du client, puis élabore une conception finale.

La fabrication et la conception des cloches de plongée sont réalisées sous des réglementations spécifiques fournies par l'American Society of Mechanical Engineers (ASME). L'ASME a une sous-section régissant ce qu'on appelle généralement les Enveloppes sous Pression pour Occupation Humaine (PVHO). Les PVHO incluent les cloches de plongée ainsi que les vaisseaux submersibles, chambres de décompression, de recompression, chambres d'altitude, et autres. L'ASME établit des normes strictes pour tous les aspects des cloches de plongée, de la conception à la fabrication et aux essais. Les fabricants et leurs sous-traitants doivent tous suivre les directives ASME étape par étape tout au long du processus de fabrication pour obtenir le tampon ASME sur la cloche finie.

Le processus de fabrication

Fabrication de la cloche

• 1 Le corps de la cloche est formé à partir d'acier à grain fin résistant. La tôle d'acier laminée est placée sur un convoyeur et envoyée dans une scie automatisée qui découpe la tôle en haut, bas et côtés de la cloche.
• 2 Les sections sont envoyées dans un atelier de soudure certifié pour ce type de construction. Chaque section est soudée manuellement. Les soudures doivent résister à haute pression et être absolument étanches. L'atelier suit les directives de l'ASME.
• 3 Les hublots en acrylique coulé, fabriqués par un sous-traitant ou le fabricant, sont mis en place.

Inspection et essais

• 4 Après soudure, la cloche est inspectée. Elle peut subir divers tests, de l'inspection visuelle des soudures aux scans ultrasons. Vient ensuite l'« épreuve de preuve ». La cloche est remplie d'eau et pressurisée pendant une heure à une fois et demie la pression pour laquelle elle a été conçue. En d'autres termes, si la cloche était conçue pour résister à la pression à 183 m (600 ft), 19,4 bar, le fabricant la soumet à la pression à 274,3 m (900 ft), 28,6 bar. La cloche doit facilement supporter l'épreuve. Elle a été conçue pour résister à une pression quatre fois supérieure à sa pression d'utilisation générale, par précaution.

Peinture et finition

• 5 Ensuite, la cloche est peinte. Des pulvérisateurs mécaniques la recouvrent d'une peinture époxy marine haute qualité capable de résister à l'usage rude sous l'eau.
• 6 Puis l'intérieur est fini. La cloche accueillera divers dispositifs : chauffage, instruments, lumières, épurateur de CO2, ventilateurs. Les supports sont boulonnés à l'intérieur. Tuyauterie et gaines de câbles sont aussi boulonnées. La cloche n'est pas prête à l'emploi tant que tout l'équipement n'est pas en place.

Certification

• 7 Si la cloche passe tous les tests et inspections, elle est estampillée du sceau ASME. Cela signifie qu'elle a été construite selon les normes ASME et est présumée sûre pour l'occupation humaine. La cloche individuelle reçoit aussi un certificat indiquant où, quand et par qui elle a été construite. D'autres dossiers sont conservés, comme l'origine de l'acier utilisé.
• 8 Le fabricant livre la cloche comme un vaisseau « brut ». Le client l'équipe ensuite avec toutes les machines nécessaires : dispositifs de suivi, caméras, émetteurs radio.

Contrôle qualité

Le contrôle qualité est extrêmement important pour un vaisseau utilisé pour des travaux sous-marins intrinsèquement dangereux. Il est intégré au processus de fabrication, car les fabricants suivent les normes ASME. Non seulement la cloche est testée après construction, mais même la conception préliminaire a été réalisée de manière à satisfaire les règles ASME. L'autorité réglementaire globale sur la plongée, y compris Une capsule de transfert de personnel (PTC) moderne. la plongée commerciale, aux États-Unis est la Garde Côtière.

Avenir

La Marine américaine teste également divers équipements de plongée pour son propre usage. Elle gère une Unité Expérimentale de Plongée qui teste l'équipement existant et essaie les technologies de pointe. Cette unité emploie aussi des médecins et chercheurs qui étudient les effets physiologiques de la plongée. Certaines de ces recherches peuvent mener à des réglementations affectant les plongeurs commerciaux. Cela peut à son tour affecter les procédures de sécurité et les tests de contrôle qualité pour les cloches de plongée et autres appareils.

Les plongeurs commerciaux comptent sur les cloches de plongée chaque jour pour le transport entre une chambre pressurisée et un site en haute mer. Le développement de la plongée en saturation a conduit à une méthode bien plus efficace pour effectuer d'importants travaux sous-marins, car les plongeurs n'ont besoin de décompresser qu'une seule fois à la fin du travail. Certaines recherches actuelles explorent cependant des moyens d'éliminer la décompression. Certains chercheurs ont étudié la possibilité d'équiper les plongeurs de branchies artificielles, leur permettant de respirer l'oxygène directement de l'eau. Une autre technologie possible est la respiration liquide. À haute pression, si les poumons sont remplis d'un liquide porteur d'oxygène, ils peuvent théoriquement continuer à fonctionner. Hypothétiquement, un plongeur scaphandre pourrait respirer du fluorocarbone oxygéné depuis un réservoir portable. Cela permettrait à un plongeur de plonger plus profond sans chambre de pression ni cloche de plongée. Une autre piste est la décompression biologique. Une bactérie spéciale dans le corps pourrait métaboliser les gaz piégés dans les tissus qui causent l'accident de décompression. Cela éliminerait le besoin de décompression en chambre. Si l'une de ces technologies devenait viable pour les plongeurs commerciaux, le système existant de chambre de pression et cloche de plongée pourrait changer.

Pour en savoir plus

Livres

Beebe, William. Half Mile Down. New York : Dull, Sloan and Pearce, 1951.

Parker, Torrance R. 20,000 Jobs Under the Sea: A History of Diving and Underwater Engineering. Palos Verdes Peninsula, CA : Sub-Sea Archives, 1997.

Piccard, Jacques, and Robert S. Dietz. Seven Miles Down: The Story of the Bathyscaph Trieste. New York : G. P. Putnam's Sons, 1961.

Périodiques

Bachrach, Arthur J. « The History of the Diving Bell. » Historical Diving Times (printemps 1998).

Autres

Diving Heritage Page. Juin 2001. < https://www.divingheritage.com >.

Angela Woodward