Brevet FR2423768A1 — publié le 19791116

La presente invention a trait au domaine de l'echantillonnage de fluides à analyser c'est-a-dire des systèmes permettant de récupé- rer aux fins d'analyse une fraction représentative d'une masse de fluide. Elle concerne tout particulièrement un procédé et des dispositifs appropriés des tinés a la prise d'échantillons de liquide dans un milieu fluide non homogène s'écoulant en continu dans une canalisation. La récupération pour analyse d'une dose de liquide au sein d'une masse fluide de composition non homogene et qui s'écoule en continu dans une canalisation ou analogue pose des problemes particuliers qu'il n'est pas facile de résoudre. En effet, quel que soit le régime d'écoulement du liquide non homogène, il s'établit rapidement un équilibre des phases pour les produits dont les densités sont differentes et l'on obtient une ségrégation des diverses couches de fluide. C'est le cas par exemple, de l'écoulement des produits pétroliers tels que notamment le pétrole brut transporté en pipelines jusqu'au lieu de stockage et/ou traitement et lors du chargement ou déchargement des navires.Après une courte distance de transport, principalement en régime laminaire, le brut subit des décantations partielles et s'écoule selon des strates plus ou moins distinctes,l'eau circulant a la partie inférieure de la canalisation a des vitesses differentes de la vitesse moyenne du pétrole. Ainsi, lors de la prise d'échantillon sur un débit continu de masse fluide non homogene, on ne peut généralement obtenir une fraction de liquide dont la composition est representative. Dans le cas des bruts petroliers s 'écoulant en pipelines, on installe généralement en divers points des canalisations, par des piquages effectués sur ces dernières, des échantillon- neurs, constitués par des récipients a chambres multiples munis de pistons et clapets qui permettent de prélever des quantités données de liquide et de les diriger dans un recipient aux fins d'analyse.Quel que soit l'endroit ou est effectué le piquage sur la canalisation, la fraction de liquide recueillie ne correspond pas aux diverses couches de differentes densités du brut et les résultats d'analyse se trouvent inexacts, Pour tenter de corriger ces défauts, on peut : soit effectuer des prises d'échantillons en différents points de la section de la canalisation mais la proportionnalité n'est pas respectee car les vitesses des filets liquides varient le long du diamètre ; soit assurer un brassage suffisant, à tous les débits grace a des sortes de mélangeurs introduits dans la canalisation, mais ces dispositifs consomment une énergie coûteuse. L'invention a pour but de pallier les inconvenients precités et de mettre à la disposition des specialistes un moyen peu coûteux et fiable permettant de capter des échantillons de fluide, dans un milieu dyna mique, dont la composition reflète parfaitement, selon les lois de la statistique, celle de la masse totale de fluide en circulation. Pour atteindre ce but, l'invention propose un nouveau procédé selon lequel on oblige une colonne verticale de liquide au sein de la canal il sation de transport à passer dans un élément creux de section latérale tronconique dont la grande base, qui reçoit le flux, a un diamètre sensiblement équivalent à celui de la canalisation, alors que la petite base ou sommet du cône, de faible diamètre, est munie d'un moyen d'aspiration ou soutirage de flux relié à un système, connu en soi, de collecte pour analyse. Ainsi, les couches de densités différentes rencontrées dans la masse de fluide non homogene en circulation-dans la canalisation pénètrent selon au moins une tranche verticale dans le tunnel conolde et se retrouvent en totalité a la sortie de l'étroit canal ménage à l'autre extrémité du tunnel et ou, précisément, l'on effectue la prise d'échantillon. De cette façon, la fraction prélevée pour l'analyse contient bien, dans leurs propositions respectives, tous les éléments entrant dans la composition du fluide en circulation. En pratique, I'elément qui sert à canaliser le flux peut revêtir diverses configurations derivées de la forme générale précitée. Par exemple, les parois du cône, au lieu d'être planes, peuvent être légèrement cintres vers l'intérieur de l'élément de façon a conduire le liquide capté dans un chenal hyperbolique à section constante débouchant sur l'étroit goulot où s'effectue la prise de l'échantillon. La réalisation d'une telle trémie de surface constante assure une meilleure rigidité de l'élément et facilite le melange des filets liquides dans le cas où l'écoulement presente des caractéristiques hydrodynamiques du type laminaire avant son arrivée sur la grande base ou face de l'élément. A son entrée, l'élément de prélèvement de flux selon l'invention se présente avantageusement sous la forme soit d'un rectangle soit d'une ellipse, bien que d'autres configurations puissent être adoptées pourvu que le chenal de pénétration de flux dans l'élément ait une hauteur sensiblement équivalente au diamètre de la canalisation. La forme elliptique présente mathématiquement l'avantage que les cordes perpendiculaires au grand axe sont proportionnelles aux cordes du cercle circonscrit passant par les mêmes points du grand axe de l'ellipse.Afin que la section du tunnel soit constante et n'introduise pas de perte de charge autre que celle due au frottement du liquide sur les parois, il faut que le produit des deux axes a x b de l'ellipse soit lui-même constant. Si la section de sortie est circulaire, son rayon sera égal a Selon une variante du procéde de l'invention, on peut disposer à I'amont du tunnel, c'est-à-dire a l'entrée du flux, un jeu de plaques planes qui permettent de régulariser l'écoulement et d'éviter que le flux parvienne au tunnel en présentant une dissymétrie par rapport à un plan vertical. Pour mettre en oeuvre l'invention, l'élément précite, qui peut être réalisé en tôle d'acier ou en matière plastique (par exemple en polyester ou résine époxy armée de fibres de verre), peut être soit installé à demeure au sein de la canalisation, en un point donné, entre deux brides de-raccordement soit introduit extemporanement dans la canalisation de la même façon qu'une vanne à boisseau ou équivalent. D'autres caractéristiques appara-itront encore encore dans la description suivante de quelques modes de réalisation, non limitatifs, illustrés par les dessins des planches annexées qui representent schématiquement Figure 1 : une vue, en section latérale, d'un élément-tunnel de l'inven tion, muni ici en amont de plaques de tranquillisation de flux ; Figure 2 : une coupe selon M de la figure 1, . Figure 3 : une coupe selon BB de la plaque de la figure 1 ; Fugure 4 : une vue, en coupe verticale dans la longueur, d'un autre ele ment-tunnel selon l'invention, à section elliptique ; Figure 5 :- une-coupe horizontale de l'élément de la figure 4 ; Figure 6 : une coupe transversale selon AA de la figure 4 ; . Figures 7 à 9 : divers modes de prise d'échantillon a partir d'éléments- tunnels selon l'invention ; . Figure 10 : une coupe transversale de la figure 9 ; . Figure 11 à 13 : des perfectionnements et variantes de mises en oeuvre selon lesquels le prélèvement de l'échantillon à doser, a la sortie de I'elément-tunnel de l'invention, est effectué par balayage de la surfa ce ou section de sortie grâce à une tubulure mobile ou système équivalent. Tel que représenté sur les figures 1 à 3, l'élément de canalisation de flux revet, en coupe latérale une conformation d'allure tronconique 2 et se presente, en face frontale, sous la forme d'un rectangle 1. La grande base 3 du tronc de cône a une hauteur égale au diamètre de la canalisation 6 alors que la dimension du carré ou rectangle de sortie 4 est aussi reduite que possible si l'on diminue la largeur de l'entrée 1 du flux 7. On a également illustre, à titre de variante, sur les figures 1 et 3, la mise en place en amont de l'élément 2 de plaques planes 5 destinées à régulariser le débit de flux qui sera capté par ledit élément. Selon la variante illustrée sur les figures 4 à 6, l'élé- ment-tunnel de section latérale 8, 8' égalementtronconique revêt à l'entrée une conformation elliptique. En désignant par a le grand axe de l'ellipse et b le petit axe, puis par al...a3 et bd...53 différentes sections de l'ellipse selon les coupes verticale et horizontale des figures 4 et 5 et par r le rayon de la sortie circulaire du flux, on peut établir la relation : al bl = a.? b2 = a3 b3 = r2 les différentes sections de l'élément ellipsoïde ayant des surfaces équivalentes. Les figures 7 a 10 symbolisent schematiquement divers moyens de prise d'échantillons a la sortie 4 d'un élément 2. Ces moyens peuvent par exemple etre constitues par une tubulure d'aspiration 9, ou analogue, adaptée a la sortie 4 ou a distance de celle-ci et reliee à une canalisation 10 de collecte de flux prélevé dans un récipient pour analyse (non représenté). Le piquage sur la canalisation peut être effectuée latéralement-ou par dessous cette canalisation pour assurer l'écoulement des phases les plus lourdes (par exemple eau et sédiments dans le cas du pétrole brut). Comme indiqué sur la figure 8, les parois de l'element 2 peuvent être dissymétriques par rapport à l'axe Il de la canalisation.En outre, sur la figure 9, l'élément 2 est tangent à la gene- ratrice inférieure de la canalisation~6 ; dans ce cas, la prise d'échantillon par la tubulure 9 peut être effectuée a l'intérieur de l'élément 2 et permet de prélever une fraction de liquide dont la composition heterogene correspond bien a celle qui s'est présentée sur la face d'entrée 3. Lorsque la section de sortie 4 de l'élément 2 eg;relative- ment importante par rapport a celle de la tubulure 9 de prélèvement de llechan- sillon, il est possible d'améliorer encore la représentativité de prélèvement de flux en effectuant un balayage de la surface de sortie au moyen d'une tubulu re mobile. Cet effet peut,par par exemple, être obtenu par une tubulure fixée sur une hélice apte a tourner sous l'action du flux. Ainsi, on peut voir sur la figure 11 une hélice 12 montée sur un arbre creux 13 qui tourne dans l'axe de la canalisation 10 et qui entraîne le conduit de prélèvement 9 dans sa rotation. Si la section de sortie 4 de l'élément-tunnel n'est pas circulaire mais de forme elliptique ou rectangulaire, un effet analogue à celui ci-dessus peut être obtenu au moyen d'une canne munie d'obturations qui sont alternativement et successivement débouchées pour laisser le passage au flux. Ces variantes sont illustrées sur les figures 12 et 13. La figure 12 montre une canne 14 percée de trous 15 et dans laquelle coulisse un tube 16 muni d'une seule perforation- 17. Sous l'effet d'une came 18, ou moyen équivalent, on assure un mouvement alternatif elliptique pour respecter la représentativité (ou proportionnalite) des prises d'échantillons avec les débits unitaires dans la conduite, lesquels varient généralement lors du deplacement le long d'un diamètre. On peut également, comme indiqué sur le schéma de droite de la figure 12, prévoir des trous 15 de calibres donnés differents pour respecter cette loi de proportionnalite. Selon la variante de la figure 13, le tube 16 tourne dans la canne 14 au lieu de coulisser et il est perce de trous 17 qui passent successivement en face des perforations 15 de la canne 14. Bien entendu, d'autres variantes de realisation, basées sur le même principe, peuvent être mises en oeuvre sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N O 1 C A T I O N S 1. Procedé pour la prise d'un échantillon à analyser dans un mi lieu liquide non homogène s'écoulant dans une canalisation, le procéde etant caractérisé en ce que l'on oblige au moins une colonne verticale de liquide à passer dans un élément creux de section latérale tronconique dont la grande base recevant le flux a un diamètre sensiblement équivalent à celui de la canalisation alors que la petite base ou sommet, de faible diamètre, est munie d'un moyen d'aspiration du flux relié a un système connu de collecte pour analyse. 2. Procédé selon la revendication 1,caracterise en ce que les parois obliques dudit élément formant chenal hyperbolique à section constante sont symétriques par rapport à l'axe horizontal de la canalisation de fluide. 3; Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois obliques dudit élément formant chenal hyperbolique à section constante sont dissymetriques par rapport a l'axe horizontal de la canalisation de fluide. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit t élément, à son entrée, présente la configuration d'un rectangle la sortie étant de forme carrée ou rectangulaire. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément présente, à son entrée, la configuration d'une ellipse et, à sa sortie, celle d'une ellipse ou d'un cercle. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément est précédé, en amont de sa face d'entrée de flux, de plaques planes permettant de régulariser l'écoulement. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que l'aspi ration du flux à récolter pour analyse s'effectue soit horizontalement, sensi blement dans l'axe de la canalisation, soit verticalement par le haut ou par le bas de cette dernière. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la ré colte de flux pour échantillon d'analyse est faite par balayage de la surface de sortie dudit élément au moyen d'une tubulure mobile. 9. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'élé- ment est installé soit a demeure soit extemporanement dans la canalisation de flux. 10. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à la prise d'échantillon, aux fins d'analyse, de pétrole brut a circula tion continue dans un pipeline ou en chargement ou déchargement d'un navire