Brevet FR2586818A1 — publié le 19870306

La présente invention concerne un procédé de détection d'usure d'une ligne pourvue d'une gaine isolante extérieure renfermant une conduite hydraulique, un câble électrique ou un faisceau mixte électrohydrauliqueladite conduite et ledits câbles-ou faisceaux mixtes étant pourvus d'une armature métal- lique intérieure, immergés dans un milieu conducteur, tel que l'eau de mer. Les champs pétrolifères situés sur le fond marin comportent des puits sous- marins qui sont reliés aux plateformes par des lignes ombilicales de con- trôle hydrauliques et électriques. De tels ombilicaux sont protégés par une enveloppe extérieure en matière plastique, recouvrant une armature métal- lique, à l'intérieur de laquelle sont placées dans une gaine en matière plastique des lignes hydrauliques et/ou câbles électriques. Chaque ombili- cal est suspendu par sa tête de connexion audessus de la plateforme et con- duit le long d'une colonne de la plateforme à travers des tubes de protec- tion en fibres de verre et en acier jusqu'au pied de la plateforme, puis il parcourt le sol sous-marin pour aboutir aux têtes de puits. Les oscilla- tions de la plateforme causent l'usure de la gaine extérieure en matière plastique sur le parcours de la descente le long de la colonne de la plate- forme. Une telle usure se traduit par la réduction d'épaisseur de la gaine et par apparition des crevasses. Les qualités isolantes de la gaine ré- gressent, de sorte que la résistance électrique entre la carcasse métal- lique et l'eau de mer diminue aux environs du point d'usure. Les lignes de contrôle situées au centre de l'ombilical et l'eau de mer sont en contact électrique, tandis que l'armature métallique est isolée par ses deux gaines de l'environnement marin, sauf s'il y a défaut d'iso- lation de la gaine extérieure. On connait des méthodes de détection d'usure de la gaine isolante qui con- siste à mesurer la résistance entre l'armature métallique intérieure et une enveloppe supplémentaire métallique dont on entoure la gaine plastique extérieure. Une telle mesure permet de mesurer des variations de l'imé- dance réelle dues au défaut de la gaine isolante, mais elle nécessite l'ad- jonction d'une gaine métallique extérieure, qui contrairement à une gaine en matière plastique ne glisse pas bien et est de ce fait soumise à une usure rapide et, de plus, entraine un surcoût important. La présente invention repose sur l'idée qu'un ombilical, ainsi que toute ligne électrique ou hydraulique comportant une gaine isolante extérieure et une armature métallique gainée, immergé dans un milieu conducteur se comporte comme une ligne électrique à deux conducteurs dont le milieu environnant conducteur sert de conducteur de retour et qu'en injectant un courant de basse fréquence dans l'armature métallique et en utilisant le milieu conducteur eomme conducteur de retour, la mesure de l'impédance apparente du circuit permet de détecter les défauts de la gaine isolante ectr. vl ectri que Lorsqu'une lignerest de grande longueur, le courant ne peut pas être con- sidéré comme constant le long de la ligne et dans une telle ligne de lon- gueur 1 (voir figure 1) chaque longueur élémentaire dx peut être repré- sentée par une impédance série d1s = dr + jd) correspondant aux pertes résistives longitudinales de conducteurs et aux effets inductifs entre les conducteurs, et par une admittance en dériva- tion dYd = dg + jdc corespondant aux pertes de la conductance à travers l'isolant et aux effets capacitifs entre les conducteurs. Les constantes linéiques étant pour une ligne homogène: résistance linéique: R = dr dx dc capacitance linéique: C = dc dx inductance linéique: L =ib conductance linéique: G = d la figure 1 donne la représentation d'un élément dx. On sait par ailleurs, que l'impédance caractéristique de la ligneest: - R+ jLw Zc G+jCw tandis que la constante de propagation de la ligne qui caractérise l'atté- nuation d'une onde pendant son parcours et sa vitesse de propagation le long de la ligne est: n = V(R+jLw)(G+jCw) Le procédé selon la présente invention est caractérisé en ce qu'on déter- mine d'abord les constantes linéiques R,C,L et G d'une ligne en bon état pour calculer son impédance apparente Za selon l'équation Zu+Zc+th nl Z. = _ _ x Zc a Zu.th nl +Zc xc fR+jLw Zc étant G+jCw, R étant la résistance, C la capacitance, L l'inductance, G la conductance, Zu l'impédance de charge de valeur infinie pour une ligne en bon état, w)la période 2mf, f la fréquence du courant, 1 la longueur de 2s86818 la ligne, n la constante de propagation selon n = (R+jLw)(G+jCw), puis au cours de son utilisation sur le site de service, on connecte son armature métallique sur un circuit de charge et de mesure, on injecte périodiquement un courant a basse fréquence et on mesure la valeur de l'impédance apparente instantannee Za, dont l'écart par rapport à l'impédance apparente initiale signifie une usure ou endom- magement de la gaine isolante. Il faut observer que l'impédance apparente Za varie de la façon suivante. En cas de circuit ouvert à l'extrémité d'une ligne bien isolée en bon état, la valeur du courant de retour 12 est de 0, Zu =O et Za = Zc. cth i 1. Il est donc facile de vérifier, que dans le cas d'une ligne idéale Za est le cas réel. équivalent à une pure capacité.La ligne est à prédominance capacitivedans- Dans le cas d'un court circuit dû au percement de la gaine isolante extérieure, la tension à cet endroit est V2 = 0, Zu = 0 et Za = Zc.thn 1. Za est équivalent à une inductance pure. Le circuit est à prédominance inductive. dans le cas réel. Lorsque la ligne est connectée sur une impédance de charge Zu, V2 = Zu. I2 et l'impédance apparente Za peut être calculée au moyen de la formule sus-indiquée. En pratique, pour détecter un défaut dans la gaine extérieure isolante de l'ombilical, on examine le comportement de la ligne électrique formée par l'armature métallique (conducteur 1), la gaine isolante extérieure et le liquide conducteur (conducteur 2). La gaine métallique étant normale- ment isolée, une détérioration de la gaine isolante extérieure se tra- duira par une baisse de la résistance entre la gaine métallique et le liquide conducteur, représentant notamment le cas d'une ligne branchée sur une impédance de charge, tandis qu'une rupture de la gaine isolante exté- rieure se traduira par une mise en contact de la gaine métallique et le liquide conducteur, représentant notamment le cas évoqué ci-dessus du court-circuit. Souvent le milieu dans lequel est immergé sur son site de service l'ombi- lical n'est Das un milieu homogène..et les constantes linéiques sont difficiles à estimer, car elles R,C,L et Gyvarient en raison de la présence de structures métalliques le long de l'ombilical et notamment la résistance linéique R du conducteur de retour, l'inductance L et capacité C en fonction de formes et positions relatives des conducteurs. Pour tenir compte de ces variations, on opère de préférence de la façon suivante. Après avoir calculé l'impédance apparente de la ligne en bon état comme indiqué ci-dessus, on immerge la ligne sur son site de service et on effectue la mesure de son impédance apparente pour vérifier si le résultat de la mesure est conforme au résultat du calcul théorique effectué précédemment et, en cas de non conformité, on rectifie les valeurs de constantes liné- iques, qui dépendent notamment de l'environnement constitué par le milieu d'immersion. Le procédé selon l'invention permet non seulement de constater la présence d'un défaut de la gaine isolante, mais aussi de localiser ce défaut par rapport à la distance qui le sépare de la tête de ligne. Pour ce faire, on fait varier par approximation successives la valeur de l'impédance de charge Zu et de la longueur l, jusqu'à ce que l'impédance apparente calculée soit égale à l'impédance apparente mesurée, la valeur de 1 ainsi trouvée correspondant à cette distance de la tête de ligne. L'invention a également pour objet la détection et la localisation d'usure de la gaine isolante d'une ligne parcourant sur son site de service plusieurs milieux environnants, chaque milieu étant homogène électrique- ment mais différent des autres. Pour ce faire, on décompose virtuellement la ligne en une succession de tronçons, chacun correspondant à un site de service homogène, on détermine pour chaque tronçon préalablement ses constantes linéiques R,C, L,G; R1,C1LLG1;Rn-_iCn-1Ln-1.GniRnCn LGn pour calculer l'impédance appa- rente de chaque tronçon Za1, Zanl, Zan. On commence par le dernier tron- con en branchant toute la ligne sur une impédance de charge Zu et on cal- cule>à partir de constantes RnCnLnet Gn et4" longueur lnjl'impédance apparente Zan vue en tête de tronçon n. Pour l'avant dernier tronçon n-1, on calcule à partir de Rn.I, Cn_1, LnlGn_1 et n1 l'impdance apparente Zan_1 en tête du tronçon n-1 en utilisant comme valeur d'impé- dance de charge pour ce tronçon la valeur de Zan. Ainsi, de proche en proche, on calcule l'im9éance apparente initiale de la ligne en affectant à chaque tronçon une impédance de charge égale à l'impédance apparente calculée du tronçon précédant, c'est à dire portant un indice supérieur (n pour n-1, n-1 pour n-2 etc.). Lors de l'immersion de la ligne, on vérifie,pour Zu égal àcO pour une ligne en bon état, que l'impédance apparente calculée est égale à l'impédance apparente mesurée et en cas de non conformité on ajuste les valeurs selon la méthode indiquée précédemment. Ensuite, on injecte un courant de basse fréquence en tête de ligne dans l'armature métallique et on mesure l'impédance apparente en tête de ligne) l'écart de l'impédance apparente mesurée avec l'impédance apparente cal- culée initiale signifiant une usure de la gaine extérieure. - Selon les écarts entre les valeurs de Za calculé et Za mesurée en tête de ligne, on localise la partie de la ligne défectueuse. An resserre le calcul en s'intéressant aux tronçons situés dans cette partie et on recherche par approximations successives la partie o se trouve le défaut, en rapprochant l'impédance apparente calculée le plus possible de l'im- pédance apparente mesurée et on en déduit approximativement l'endroit du défaut. Le procédé selon l'invention pourra être mieux compris à l'aide de l'exemple illustré par les dessins annexes, dont la figure 1 est une représentation graphique du modèle de ligne élé- mentaire, la figure 2 montre le circuit de charge connecté à l'armature métal- lique d'une ligne plongée dans l'eau de mer et destiné à être con- necté sur un appareillage de mesure, figure 3 présente un diagramme des impédances apparentes pour une ligne de plusieurs tronçons avec des défauts apparaissant à l'extrémité des tronçons n, n-l, n-2, etc. et la figure 4 donne une représentation de l'impédance apparente vue en tête de ligne composée de deux tronçons pour différentes valeurs et posi- tions d'un défaut localisé sur le second tronçon. La détermination des constantes-linéiques s'effectue de la façon suivante. La résistance linéique R est la mise en série de la résistance linéique de l'armature métallique, mesurée éventuellement avant l'installation de la ligne, et de la résistance du conducteur de retour, c'est à dire du milieu liquide conducteur. La capacité linéique C est la capacité entre l'armature métallique et le conducteur de retour, qui peut être estimée à partir de mesures faites sur un échantillon de gaine isolante, à plusieurs fréquences de courant, mesures qui seront ramenées par calcul aux dimensions réelles de l'ombi- lical au moyen de formules connues. L'inductance linéique L est la somme des inductances propres des conduc- teurs et des inductances mutuelles entre les conducteurs aller et retour. Elles peuvent être calculées à partir de la géométrie des conducteurs et de leur nature. La conductance linéique G est la conductance entre l'armature métallique et le conducteur de retour, qui peut être estimée à partir de mesures faites sur un échantillon de gaine isolante, à plusieurs fréquences de courant, mesures qui seront ramenées par calcul aux dimensions réelles de l'ombilical à l'aide de formules connues. Une fois les valeurs de R,C,L et G déterminées comme indiqué ci-dessus, on confirme ces résultats par des mesures sur un ombilical immergé dans un environnement connu. On mesure l'impédance apparente d'un tronçon d'ombilical dans ces conditions et on ajuste les valeurs des paramètres sur lesquels existent des incertitudes, notamment ceux influencés par l'environnement comme l'inductance L. On considérera que les nouvelles valeurs de R,C,L et G représentent l'ombilical dans l'environnement de service. Pour effectuer des mesures, on dénude en tête de ligne l'armature métal- lique 1 de la ligne (figure 2), on la connecte électriquement à un cir- cuit comprenant un générateur de courant de basse fréquence dont le pôle opposé est relié au milieu liquide conducteur 2. Des conducteurs aux bornes d'une résistance R et un conducteur connecté audit pôle opposé de la génératrice permettent d'effectuer des mesures de la tension V et du courant I et l'élaboration à partir de ces mesures des valeurs du module et du déphasage de l'impédance apparente Za. Ainsi, en utilisant le circuit sus-indiqué, on pourra mesurer l'impédance (module) apparente Za correspondant au cas Zu=oo. Cette mesure sert dans le stade de vérification des constantes linéiques à comparer les valeurs de l'impédance calculée et mesurée et à rectifier au besoin les valeurs de ces constantes. Le circuit et l'appareillage de mesure restant installés sur le site de service, on injecte un courant de basse fréquence dans l'armature métal- lique et on mesure l'impédance apparente. Lorsqu'on observe une variation de l'impédance apparente correspondant à l'apparition d'un défaut dans la gaine isolante, on calcule l'impédance apparente en faisant varier la position (le paramètre 1 dans la formule de Za) du défaut par appro- ximations successives, jusqu'à ce qu'on retrouve une valeur de 1 corres- pondant à l'égalité de la valeur de l'impédance mesurée avec celle cal- culée. Lorsqu'on a affaire à une ligne dont plusieurs (quatre selon le diagramme de la figure 3) tronçons parcourent des milieux homogènes mais différents entre eux sous l'aspect électrique, on effectue préalablement sur des tronçons n, n-l, n-2 et n-3, dont on connait les longueurs, des détermi- nations de constantes linéiques, comme décrit précédemment. Lors de l'immersion de la ligne sur son site de service et la connexion de l'armature sur le circuit de charge et de mesure indiqué précédemment, on vérifie le calage des constantes linéiques. En cas d'apparition de défaut, on calcule l'impédance apparente Za en tête de ligne pour des court-circuits apparaissant aux extrémités de chaque tronçon; on porte sur un diagramme (figure 3) représentant en ordonnées la composante imaginaire de l'impédance (la composante induc- tive Lw et la composante capacitive 1/Cw) et en abcisses la compo- sante réelle R de l'impédance, les valeurs calculées. On porte ensuite sur le diagramme l'impédance Za mesurée en tête de ligne. Selon l'en- droit o se situe ce point de Za mesurée, on déduit l'identité du tronçon portant ce défaut, dans le cas représenté sur le dia- gramme, le défaut est localisé sur l'avant dernier tronçon n-1. On peut affiner la localisation du défaut en faisant'varier par calcul par approximations successives la position et la valeur du dé- faut sur le tronçon incriminé jusqu'à retrouver la valeurdeZa mesurée. La figure 4 est un exemple de représentation graphique des résultats de calculs effectués dans le cas d'une ligne composée de deux tron- çons, avec tronçon n 2 en défaut. Les calculs ainsi effectués permettent de tracer des abaques qui sont des courbes tracées respectivement pour des distances séparant le dé- faut de la tête de ligne de O, 40, 80, 120, 160 et 200 m (courbes iso-position). Puis, on relie les points de ces courbes correspon- dant à une même valeur du défaut en ohms, respectivement de 0(court- circuit), 2, 5,-10, 20 etoeohms (courbes iso-importance). On porte sur un tel diagramme en coordonnées polaires (module et argument) l'impédance mesurée et on localise le défaut. Ainsi, dans le cas représenté, l'impédance Za mesurée, 9,6Q et 44,5 , point indi- qué par la flèche D, correspond à un défaut de 1 situé à 100 m sur le deuxième tronçon. REVENDICATIONS. 1. Procédé de détection d'usure d'une ligne pourvue d'une gaine isolante extérieure renfermant une conduite hydraulique, un câble électrique ou un faisceau mixte électro-hydraulique, ladite conduite et lesdits cables ou faisceaux mixtes étant pourvus d'une armature métallique intérieure, immergés dans un milieu conducteur, caractérise en ce qu'on détermine les constantes linéiques R,C,L et G d'une ligne en bon état pour calculer son impédance apparente Za selon les équations: yc =rR+îLw- Zu+Zc+thl Zc = Jet Za = Zu+Ztchn+thZc x Zc R étant la résistance, C la capacité, L l'inductance, G la conductance, Zc l'impédance caractéristique, Zu l'impédance de charge, w la pul- sation 21f, f la fréquence du courant, 1 la longueur de la ligne, i la constante de propagation selon n = (R+jLw)(G+jCw), puis au cours de son utilisation sur le site de service, on branche son armature métallique sur un appareillage de mesure, on injecte périodiquement un courant de basse fréquence et on mesure la valeur de son impédance apparente Za, dont l'écart par rapport à l'impédance apparente initiale signifie une usure ou un endommagement de la gaine isolante. 2. Procédé selon la revendicationn 1, caractérise en ce qu'après avoir calculé l'impédance apparente de la ligne en bon état, on l'immerge sur son site de service et on effectue la mesure de son impédance apparente pour vérifier si le résultat de la mesure est conforme au résultat du calcul théorique effectuée effectué précédemment et, en cas de non conformité, on rectifie les valeurs de constantes linéiques qui dépendent notamment de l'environnement constitué par le milieu d'im- - - Versions 3. Procédé de détection et de localisation d'une usure d'une ligne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après avoir constaté une variation de l'impédance apparente Za qui signifie une usure ou un endommagement de la gaine isolante d'une ligne immergée sur son site. de service, on fait varier par approximations successives la valeur de l'impédance de charge Zu et de la longueur 1 de la ligne jusqu'à ce que l'impédance apparente calculée soit égale à l'impédance apparente mesurée, la valeur de 1 ainsi trouvée correspondant à la localisation de l'endroit d'usure de la gaine. 4. Procédé de détection et de localisation d'usure d'une ligne parcou- rant sur son site de service plusieurs milieux environnants, chaque milieu étant homogène électriquement mais différent des autres, selon l'une ou plusieurs revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on décompose virtuellement la ligne en une succession de tronçons, chacun correspondant à un environnement homogène, on détermine pour chaque tronçon préalablement les constantes linéiques R,C,L,G; RIClLlG1 et ainsi de suite, puis, lorsqu'on immerge la ligne sur son site de service, on connecte son armature en tête de ligne sur un appareillage de mesure et on effectue la mesure de son impédance apparente pour vérifier si le résultat de la mesure est conforme au résultat du calcul théorique effectué précédemment et, en cas de non conformité, on rectifie les valeurs de constantes linéiques qui dépendent notamment de l'environnement, on injecte périodiquement au cours de son utilisation sur le site de service en tête de ligne un courant de basse fréquence, on mesure l'impédance apparente de la ligne, dont l'écart par rapport à l'impédance apparente initiale signifie l'usure de la gaine, on fait alors varier par approximations successives la valeur de l'impédance de charge Zu pour des longueurs 1 de ligne variables, jusqu'à ce que l'impédance apparente calculée en tête de ligne se rapproche le plus possible de l'impédance appa- rente mesurée, l'impédance calculée en tête de ligne étant obtenue en calculant l'impédance apparente du tronçon n chargé par l'impé- dance de charge Zu et en utilisant la valeur ainsi calculée pour déterminer l'impédance apparente du tronçon précédent n-l, et ainsi, de proche en proche jusqu'en tête de ligne, la valeur de 1 ainsi trou- vée correspondant à la localisation du défaut de la gaine.