Brevet FR2505503A1 — publié le 19821112

La présente invention concerne des appareils et des méthodes utilisés pour mesurer des différences de potentiels électriques et pour déterminer des distributions de courant et des vecteurs de courant associés à ces différences de potentiel Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, la détermination des diffé- rences de potentiel dans des structures en acier en contact avec l'eau de mer. On sait que les structures en acier utilisées dans de l'eau de mer ont tendance à se corroder Si l'on veut conférer aux structures en acier une durée de vie longue, il est essentiel qu'elles soient protégées d'une certaine manière Les structures en acier peuvent être protégées avec une peinture pour freiner la corrosion ou, encore, elles peuvent être pourvues d'un système de protection catho- dique Une forme particulièrement attrayante de système de protection cathodique est celle du système à courant appliqué dans lequel une série d'anodes permanentes est distribuée sur la structure à protéger et près de celle-ci, ces anodes étant reliées électriquement à la structure par un générateur de courant Ainsi la structure en acier est rendue cathodique et se trouve protégée Dans chaque système de protection cathodique et, particulièrement, quand le système et la structure sont de forme complexe, on doit déterminer si la structure est en fait bien protégée par le système de protection cathodique. La corrosion n'est pas une science exacte, mais il y a un certain nombre de règles déterminées par la pratique qui, si on les respecte, conduisent à une structure convenablement protégée L'- acier, quand il est immergé dans l'eau de mer, tend à se corroder en des points particuliers de la surface et la corrosion s'accompagne de transferts de courants infimes partant du site de corrosion concerné vers la région qui l'environne On a montré que ce courant moyen de corrosion est relativement prévisible pour une structure donnée, dans une eau de mer donnée et à une température donnée Les problèmes de corrosion sont plus grands en eau froide o il y a une grande quantité d'oxygène sous forme dissoute et ce sont les circonstances que l'on rencontre dans la région nord-est de la mer du Nord. La règle pratique, que l'on a mentionnée ci-dessus, est que, si les courants naturels de corrosion sont écrasés par un courant appli- qué ayant une valeur suffisamment plus élevée que le courant naturel de corrosion, la structure sera convenablement protégée. Il en ressort que, connaissant le niveau du courant de corro- sion naturel ou moyen, si l'on peut mesurer la densité de courant près de la structure en acier, on peut alors déterminer l'efficacité du système à courant appliqué. En pratique, la façon dont on mesure les densités de courant dans l'eau de mer consiste à mesurer des différences de potentiels entre deux ou plusieurs points et à calculer la densité de courant, connaissant la résistance de l'eau de mer dans les conditions ne mesure Malheureusement, les niveaux de courant moyen de corrosion et les niveaux du courant appliqué que l'on doit mesurer sont de l'ordre de quelques microampères par centimètre Donc, il est essentiel que l'appareil utilisé pour effectuer la mesure des densités de courant puisse détecter des différences de potentiels qui donnent naissance à une intensité de quelques microampères par centimètre. Les densités de courant ne décroissent que lentement, si elles sont mesurées à des distances croissantes de la structure, ce qui entraîne que des erreurs de mesure d'intensité de courant sont moins critiques en ce qui concerne la distance et pêchent par pessimisme. Au contraire, les différences de potentiels sont beaucoup plus affec- tées par la distance de la structure et les mesures de différences de potentiels doivent être effectuées aussi près que possible de celle- ci. On a trouvé que les algues et les anatifes rendent difficiles les mesures près de la surface de la structure, ce qui veut dire que les différences de potentiels sont entachées d'erreurs et peuvent exagérer le potentiel près de la surface, c'est à dire pêcher par optimisme, en donnant une fausse impression de l'efficacité de la protection. Les méthodes existantes utilisées pour déterminer les intensi- tés de courant consistent à mesurer des différences de potentiels entre deux points distants, en utilisant une moitié de batterie ou des électrodes de référence placées à des distances fixes les unes des autres de manière qu'à partir des potentiels mesurés on puisse déterminer les densités de courant. Jusqu'à récemment, on a pensé qu'il suffisait de mesurer la ten- sion près d'une structure comme critère de l'efficacité obtenue par la protection cathodique et, en conséquence, on n'a pas en tant que tels sérieusement envisagé de mesurer les densités de courant Cepen- dant, on pense de plus en plus à la protection des structures en acier et il en résulte que l'on a fait récemment des essais pour mesurer les densités de courant réelles Le niveau des tension qui peuvent être mesurées on n'a pas pour le moment trouver de moyen pratique pour mesurer les courants directement indique que la dérive naturelle dans une électrode de référence ou des différences de potentiels existant entre deux électrodes de référence doit être compensée d'une certaine façon. Une électrode de référence ou une moitié de batterie doivent être simplement regardées comme un moyen de faire une connexion électrique avec l'électrolyte On a l'habitude de relier l'électro- lyte en une position donnée avec un voltmètre et, en particulier, une électrode de référence ne consomme aucun courant et donc ne tend pas à interférer avec le système à tester On dit que des électrodes de référence sont extrêmement stables quand leur dérive reste inférieure à 0, 001 V pendant une durée raisonnable Cependant, les électrodes de référence peuvent varier avec la température et même une stabilité du niveau du millivolt ne suffit plus quand les tensions à mesurer sont de l'ordre du microvolt On a donc développé un système dans lequel deux électrodes de référence échantillonnent des potentiels en deux positions distantes, les électrodes de référence étant tournées de manière qu'elles échantillonnent l'électrolyte alternativement dans la première position, puis dans la seconde Les connexions électri- ques sont faites vers un voltmètre, par l'intermédiaire de bagues collectrices, le signal de sortie du voltmètre étant un signal sinusoïdal dont l'amplitude indique la différence de potentiel entre les deux points. Dans un exemple préféré de réalisation de la présente inven- tion, il est 'prévu un appareil à utiliser pour mesurer un potentiel électrique en chacune de deux positions immergées distantes ou une différence de potentiel entre ces deux positions, l'appareil compre- nant deux tubes sondes, chaque tube sonde ayant une extrémité externe ouverte et une extrémité -interne, laquelle est reliée à une vanne de couplage de fluide pour un couplage sélectif vers une électrode de référence ou une demi-batterie, une autre électrode et un moyen pour déterminer la différence entre le potentiel à l'extrémité externe ouverte d'un tube tel qu'il apparaît à l'électrode de référence ou la demi-batterie et le potentiel à l'autre électrode. L'autre électrode peut aussi être une électrode de référence. Chaque électrode de référence ou de mesure peut être reliée à trois tubes sondes Il peut y avoir deux-électrodes de référence, chacune comportant trois tubes Les extrémités sondes des six tubes peuvent être disposées sur les axes X, Y et Z, les extrémités opposées des tubes sur chacun des axes X, Y et Z étant respectivement adaptées pour être reliées simultanément à la paire d'électrodes de référence. L'électrode ou les électrodes de référence peuvent, de plus, être utilisées pour déterminer le potentiel concernant une structure immergée en eau de mer, si on prévoit une connexion électrique convenable entre la structure et le circuit de mesure. La présente invention concerne aussi une méthode de détermina- tion des densités de courant dans l'eau, laquelle comprend les phases suivantes: 1 déterminer les différences de potentiel en deux ou plu- sieurs positions distantes en utilisant l'appareil défini ci-dessus; 2 établir la résistance de l'eau; et 3 calculer la densité de courant à partir des chiffres sur la différence de potentiel et la résistivité. La résistance de l'eau peut être mesurée en faisant passer un courant connu dans l'eau, ce courant passant par les deux positions distantes ou encore on peut la tirer de tables connues. Dans le cas o les différences de potentiels sont mesurées dans trois plans orthogonaux, c'est à dire dans les directions des axes X, Y et Z, on peut déterminer par le calcul un vecteur de courant. De préférence, le signal de sortie analogique des batteries de référence est converti en un signal de sortie numérique et les calculs sont faits dans un calculateur numérique La méthode peut être utilisée pour déterminer les vecteurs de courant près de la structure en acier d'une foreuse ou d'une plate-forme pétrolière Les données engendrées par l'appareil peuvent être traitées en temps réel ou en temps différé. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ain- si que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig 1 est une vue schématique d'une partie d'une structure en acier, la Fig 2 est une vue schématique d'un dispositif à électrode de batterie tournante, la Fig 3 est une vue en perspective d'une sonde utilisable en relation avec la présente invention, la Fig 4 est une vue de la Fig 3, suivant la ligne IV, la Fig 5 est une vue schématique d'une vanne utilisable suivant la présente invention, les Figs 6 et 7 sont des vues schématiques d'un appareil utilisable en relation avec la présente invention, les Figs 8 à 11 sont des vues sous forme de diagrammes à trois dimensions de positions pour les tubes d'électrodes de référence, les Figs 12 à 15 sont des schémas de circuits correspondant aux positions montrées aux Figs 9 à 11, respectivement, et la Fig 16 est un schéma d'une variante de circuit, suivant l'invention. A la Fig 1, est montré une structure en acier 1 sous la forme d'un bras comportant des croisillons 2 et 3, destinés à la construc- tion d'une structure en acier, telle qu'une foreuse ou une plate- forme pétrolière La structure est protégée par un système de protec- tion cathodique à courant appliqué, dans lequel des anodes sont placées autour de la structure d'une manière connue Les anodes ne sont pas montrées à la Fig 1 Pour pouvoir mesurer les différences de potentiels autour de la structure, on place une sonde 4 au voisinage du croisillon 2 Sur la sonde 4, sont placées des élec- trodes de batterie de référence 5 et 6 Comme la sonde est en contact avec la surface du croisillon 2, les électrodes de référence sont situées à une distance donnée de la structure et on peut donc mesurer des différences de potentiel en un point donné en face de la structure A partir de ces différences de potentiel, on peut calculer les densités de *courant dans l'eau de mer au voisinage de la structure Cependant, malheureusement, il est quelquefois difficile d'être sûr que la sonde est placée perpendiculairement à la surface du croisillon 2 Ainsi, dans le cas de la sonde 7, qui est montrée près du croisillon 2, la sonde n'est pas perpendiculaire à la surface de 2, mais faisant un angle 8 avec celle- ci Alors, la densité de courant mesurée ne serait pas correcte et, si l'on ne connait pas exactement la valeur de l'angle 8, on peut faire des mesures incor- rectes Il y a un autre problème en ce que les électrodes de référence ne sont pas complètement stables pour l'ordre des tensions à mesurer dans l'eau de mer Pour pouvoir surmonter ce problème d'instabilité, il est proposé l'appareil montré à la Fig 2 Fondamen- talement, cet appareil comprend une paire d'électrodes de référence 9 et 10 qui peuvent tourner dans le sens de la flèche 11 Les signaux électriques fournis par les électrodes de référence passent par les fils 12 et 13 et un scellement étanche vers une bo Ste 14, puis sont prolongés par des fils 15 et 16, après passage par des bagues collectrices indiquées en 17 et 18 Cependant, malheureusement, on a des problèmes avec l'étanchéité d'un tel dispositif et l'utilisation de bagues collectrices peut entraîner un bruit erratique à la sortie du dispositif, ce qui peut entraîner l'affichage de tensions incor- rectes en sortie On comprendra qu'en faisant tourner les électrodes 9 et 10, chaque électrode produit d'abord un signal positif, puis un signal négatif et que les signaux sont additionnés par l'appareil. Ainsi, toute erreur dans l'une ou l'autre des électrodes se trouve annulée et le signal sinusoïdal de sortie est la vraie différence entre les valeurs données par les électrodes, d'abord dans une position, puis dans l'autre. Cependant, malheureusement, l'appareil de la Fig 2 peut encore engendrer une erreur d'ordre angulaire s'il fait, placé près de la structure, un angle non droit avec la surface de celle-ci. Aux Figs 3 et 4, on a montré six tubes capillaires de sonde, connus sous le nom de tubes de Luggin, prévus pour être incorporés dans un exemple de réalisation, l'extrémité externe de chaque tube étant ouverte, comme cela est respectivement visible en 19, 20, 21, 22, 23 et 24 Les formes des tubes sont telles que l'extrémité externe de chaque tube est située sur l'un de trois axes orthogonaux X, Y, Z et à une distance constante d'une origine 0 L'extrémité interne de chaque tube est reliée à une vanne de couplage de fluide montrée à la Fig 5 La vanne de la Fig 5 comporte six embouts de tubes 19 A à 24 A sortant du corps de la vanne pour être reliés aux extrémités internes correspondantes des tubes sondes L'extrémité externe 19 est, en utilisation, reliée par son tube à l'embout 19 A, l'extrémité 20 à l'embout 20 A, l'extrémité 21 à l'embout 21 A, et ainsi de suite Deux autres embouts de tube 25 et 26 sortent du corps de la vanne et, dans la vanne, il y a un noyau rotatif 27 qui comprend deux canaux 28 et 29 qui peuvent séparer les connexions de fluide à travers le noyau 27 Le noyau 27 peut tourner de manière qu'en utilisation, les embouts soient reliés, par les canaux 28 et 29 respectivement, aux embouts 21 A et 22 A, 19 A et 20 A, ou 23 A et 24 A. En faisant tourner le noyau 27, il est donc possible de relier électriquement chaque paire de sondes 21 et 22, 19 et 20, ou 23 et 24, à la fois, par le fluide logé dans les tubes et les canaux 28 et 29, vers les embouts 25 et 26 En fonctionnement, on a donc des conne- xions fluides séparées des embouts tubulaires 25 et 26 vers les électrodes de référence Les potentiels électriques, pour chaque paire de positions de sonde 19, 20; 21, 22; et 23, 24, appliqués aux électrodes de référence correspondantes-, non montrées, peuvent alors être facilement comparés avec le potentiel électrique d'une autre électrode, qui peut être une électrode de référence fournie par une demi-batterie. Avec ce dispositif, il n'y a aucun mouvement des électrodes de référence et aucun besoin de recourir à des bagues collectrices pour la connexion-vers l'appareil de mesure ou d'enregistrement. On comprendra que les tubes sondes peuvent être faits en un matériau isolant quelconque, par exemple en plastique ou en verre, et qu'ils ont un diamètre aussi faible que possible pour éviter d'inter- férer avec les courants dans le voisinage de la structure en acier. Les tubes sondes peuvent, en utilisation, être remplis d'un électro- lyte, tel que de l'eau de mer, afin de former une connexion élec- trique pour le potentiel à l'extrémité du tube sonde vers l'électrode de référence On comprendra également que, comme une électrode de référence ne consomme virtuellement aucun courant, la résistance de l'électrolyte dans le tube n'a pas d'importance Ainsi, fortuitement, les résistances différentes des électrolytes dans les tubes de diffé- rentes longueurs n'a que peu d'importance. Les électrodes de référence utilisées peuvent être d'un type quelconque, par exemple une électrode au calomel ou une électrode à l'argent et au chlorure d'argent. Une forme relativement simple d'un apnareil suivant l'invention est schématiquement montrée à la Fig 6 Il comprend une paire de tubes de Luggin 30 et 31 qui sont fixés l'un par rapport à l'autre et sont montés sur un poteau 32, lui-même fixé sur un tableau 33 Une vanne de fluide 34 relie alternativement le tube 30 et le tube 31 à une électrode de référence 35 Celle-ci est reliée par un voltmètre V à la surface d'une structure en acier 35 a Le fonctionnement de l'appareil est tel que la rotation de la vanne ? 4 relie alternati- vement le fluide des tubes 30 et 31 à l'électrode de référence 35 et permet de détecter une différence de potentiel entre les points aux extrémités externes ouvertes des tubes 30 et 31 Ainsi, sans néces- siter de bagues collectrices électriques, ni d'autres appareils élec- triques compliqués, la différence de potentiel entre les extrémités des tubes 30 et 31 par rapport à la structure en acier peut facilement être mesurée Au besoin, chacun des deux tubes sondes-peut être relié électriquement et alternativement à l'une de deux électro- des de préférence au moyen de l'appareil de la Fig 7 Dans cet appareil, il y a deux tubes sondes 36 et 37 supportés par un support 38 et montés de manière à pouvoir être reliés aux électrodes de référence 39 et 40, par une vanne 41 La rotation de la vanne 41 permet à chacune des électrodes de référence 39 et 40 d'être reliée alternativement à chacun des tubes 36 et 37 Ainsi, la différence de potentiel entre les extrémités des tubes 36 et 37 peut être direc- tement contr 8 lée. L'appareil, montré à la Fig 7, peut être directement utilisé pour calculer la densité dé courant entre les bouts des tubes 36 et 37 d'une manière semblable à celle qui a été décrite à propos de l'appareil de la Fig 2 Connaissant la différence de potentiel entre les bouts des tubes et la résistance de l'eau de mer, on peut facilement calculer la densité de courant. Aussi satisfaisant que soit un tel dispositif, il ne tient cependant pas compte d'une géométrie incorrecte si les tubes font un angle différent de l'angle droit avec la surface de la structure, comme on l'a mentionné pour la sonde 7 de la Fig 1. L'appareil montré aux Figs 3 à 5 permet non seulement le calcul des densités de courant entre les bouts opposés des tubes, mais, comme les densités de courant sont séquentiellement mesurées dans trois plans, également de calculer le vecteur de courant Ainsi, pourvu qu'un signal d'orientation soit fourni quand le mécanisme de rotation de la vanne tourne, on peut obtenir non seulement l'ampli- tude de la densité de courant près de la structure, mais aussi une indication de la direction du courant dans l'eau, ainsi que son signe, c'est à dire le sens du courant vers la structure ou s'en éloignant. On peut prévoir de nombreuses dispositions des tubes sondes et des électrodes de référence pour mettre en oeuvre l'invention A la Fig 8, on a schématiquement montré, en perspective, une disposition dans laquelle les bouts externes de six tubes sont placés aux oints X, X', Y, Y 4, Z et Z', ce qui correspond au dispositif montré aux Figs 3 et 4 A la Fig 12, on a montré les connexions qui peuvent être utilisées pour mesurer un vecteur de courant en utilisant la disposition de la Fig 8 En fait, les bouts X, Y, a des tubes sont reliés par une vanne rotative 42 à une vanne à deux positions 43 Les bouts X', Y' et Z' des tubes sont, aussi, reliés par une vanne rotati- ve 44 à une autre vanne à deux positions 45 Les vannes 42 et 44 sont accouplées comme le sont les vannes 43 et 45 Des électrodes de référence 46 et 47 sont reliées aux vannes 43 et 45, et le signal de sortie électrique des électrodes de référence est envoyé à un circuit comparateur montré schématiquement en 48 On comprendra qu'en faisant tourner les vannes 42 et 44, les potentiels en X, X'; Y, Y'; et Z, Z' peuvent être séquentiellement explorés et appliqués aux vannes 43 et En commutant les vannes 43 et 45, ces potentiels sont reliés à l'une ou à l'autre des électrodes de référence 46 et 47. Dans l'exemple de réalisation montré schématiquement aux Figs. 9 et 13, on a montré trois tubes dont chacun est respectivement relié à l'une des positions X, Y et Z, et un quatrième tube dont le bout ouvert est à l'origine O Les bouts internes des trois tubes sont explorés par une vanne 49 et les potentiels aux bouts-X, Y et Z sont séquentiellement appliqués à une vanne à deux positions 50 Le tube dont le bout ouvert est à l'origine O a son bout interne relié à une vanne à deux positions 51 Les tubes reliés à l'une ou l'autre de deux électrodes de référence 52 et 53, suivant les positions des vannes accouplées 50 et 51 Le signal de sortie des électrodes de référence 52 et 53 sont appliqués à un comparateur 54. Dans un autre exemple de réalisation montré schématiquement aux Figs 10 et 14, il y a six tubes dont les bouts externes sont placés aux points X, X', Y, Y', Z et Z', comme l'indique la Fig 10, et sont reliés par leurs bouts internes et une vanne rotative 53 a à une électrode de référence 54 a Le signal de sortie de l'électrode de référence 54 a est appliqué à un comparateur 55 qui le compare avec le potentiel de masse d'un bottier 56 dans lequel sont montés les tubes. Le dispositif de la Fig 14 permet de n'utiliser qu'une seule électrode de référence, mais est moins sensible que celui de la Fig. 12. Aux Figs 11 et 15, on a montré un exemple de réalisation analo- gue à ceux des Figs 10 et 14, sauf qu'une électrode de référence 57 est utilisée à la place de la masse 56 Le comparateur 58 mesure la différence entre le potentiel de l'électrode de référence 57 et ceux des positions X, X', Y, Y', Z et Z', indiqués par l'électrode de référence 59, qui échantillonne ces potentiels au moyen de la vanne rotative 60. Dans encore un autre exemple de réalisation, montré à la Fig. 16, il y a six tubes avec des bouts externes en X, X', Y, Y', Z et Z' et des bouts internes reliés électriquement, par des vannes indivi- duelles 61 à 66 et un tube avec dérivation 67, à une électrode de référence 68 dont la sortie est reliée à la seconde entrée d'un comparateur 69 Les vannes 61 à 66 sont actionnées individuellement soit pour établir ou rompre la connexion électrique entre le bout externe d'un tube et l'électrode de référence 68, si bien que les potentiels sur ces bouts externes peuvent être sélectivement déter- minés. Les vannes ou interrupteurs 61 à 66 sont utilisés en variante de la vanne rotative mentionnée ci-dessus. il REVENDICATIONS 1) Appareil de mesure de potentiel électrique ou de différence de potentiel entre deux points immergés distants, l'appareil compre- nant deux tubes sondes, chaque tube sonde ayant une extrémité externe ouverte et une extrémité interne, caractérisé en ce que l'extrémité interne de chaque tube sonde ( 30, 31 ou 36, 37) est reliée à une vanne de couplage de fluide ( 34 ou 41) pour un couplage sélectif vers une électrode de référence ou une demi-batterie ( 35, 39), l'appareil comprenant encore une autre électrode ( 35 a, 40) et un moyen (V, 48) pour déterminer la différence entre le potentiel à l'extrémité exter- ne ouverte d'un tube ( 30, 31; 36, 37) tel qu'il apparaît à l'électro- de de référence ou demi-batterie ( 35, 39) et le potentiel à l'autre électrode ( 35 a, 40). 2) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vanne de souplage de fluide ( 34, 41) comporte un élement rotatif ( 27) qui définit un canal de fluide ( 28) et peut tourner vers une première position pour relier l'extrémité ( 21) du premier tube sonde à l'élec- trode de référence ou demi-batterie ( 35, 39) et vers une seconde position pour relier l'extrémité ( 19) d'un second tube sonde à l'électrode de référence ou demi-battérie ( 35, 39). 3) Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément rotatif ( 27) définit un second canal de fluide ( 29) et en ce que l'appareil comporte encore une seconde électrode de référence ou demibatterie ( 40), l'élément ( 27) pouvant tourner pour relier alternativement chacun des premier et second tubes sondes ( 36, 37) vers les première et seconde électrodes de référence ou demi-batterie ( 39, 40). 4) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne de couplage individuelle ( 61 à 66) respectivement reliées à l'extrémité interne de chaque tube sonde dont l'autre extrémité est ouverte en différents points (X, X', Y, Y', Z, Z'), chaque vanne de couplage fonctionnant pour coupler son tube associé sélectivement à l'électrode de référence ou demi-batterie ( 68). ) Appareil suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'autre électrode ( 40) est une électrode de référence ou une demi-batterie. 6) Appareil suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé (gg) apoi 4 oeig aj:np j i oaijej apique axnu uos q) Cette) no ajuaaa ai a apo 4 oalg aia Twaid el l aarlai aoaquo Dun qiieúu,,tî un aio,) tjppuaaduiooFini) ao ua 1 - 2 U úOSSOSZ