Brevet FR2805042A1 — publié le 20010817

L'objet de l'invention concerne le domaine technique de la caractérisation des perturbations d'écoulement au sens général, d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique. L'objet de l'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour permettre la détection ou la mesure des perturbations d'écoulement pour un fluide, gazeux, liquide ou polyphasique. Dans l'état de la technique, il apparaît fréquemment nécessaire de pouvoir caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide correspondant, par exemple, à une variation de pression ou de débit, à un changement d'homogénéité du fluide susceptible de faire intervenir plusieurs régimes d'écoulement du type intermittent, présentant chacun un bouchon de liquide suivi d'une poche de gaz de pression élevée. Pour détecter des perturbations d'écoulement, il est connu une première méthode reposant sur la différence des propriétés électriques des constituants du fluide polyphasique qui s'écoule à l'intérieur de la canalisation. est ainsi possible d'effectuer des mesures de capacité, d'inductance ou de conductivité du fluide, en vue de détecter l'instabilité de l'écoulement multiphasique et, notamment, l'apparition des bouchons de liquide, dans la mesure où les caractéristiques diélectriques entre les poches de gaz et de liquide sont très différentes. Il est ainsi connu un dispositif reposant sur la technique de l'imagerie d'impédance qui consiste a étudier la réponse du fluide à une excitation électrique alternative basse tension. Un tel système comporte une électrode d'excitation envoyant un courant et une série d'électrodes de mesure permettant de connaître la distribution des courants recueillis. Une telle distribution reflète la manière dont les lignes de courant traversent le liquide et contournent le gaz qui est moins bon conducteur que le liquide. est ainsi possible d'obtenir une véritable cartographie de l'écoulement. Si une telle méthode permet de détecter des perturbations d'écoulement, elle présente l'inconvénient d'être intrusive, c'est-à-dire de nécessiter accès à l'intérieur de la canalisation, d'une part, et de mettre en oeuvre une excitation électrique, d'autre part. De plus, un tel dispositif ne peut pas être aisément installé sur des canalisations et impose une consommation d'énergie relativement importante. Un tel dispositif s'avère particulièrement inadapté pour être installé sur une canalisation de transport de fluides, notamment sous-marine, placée à de grandes, voire très grandes profondeurs. L'état de la technique connaît une deuxième méthode reposant sur l'atténuation photonique qui prend en considération le fait que des fluides différents présentent des propriétés d'absorption différentes au rayonnement photonique. Les sources de rayonnement les plus couramment utilisées, notamment dans le secteur pétrolier, sont les sources de rayonnement gamma. Une telle méthode présente la particularité d'être non intrusive et de ne pas requérir une maintenance particulière, ni un apport d'énergie important, dans la mesure où les sources de rayonnement utilisées sont d'origine chimique. Toutefois, l'utilisation de systèmes radioactifs se heurte à des problèmes de réglementation et de législation importants, notamment lorsqu'un tel système doit équiper canalisation immergée. L'analyse de l'état de la technique conduit à constater qu'il apparaît le besoin de disposer d'une technique adaptée pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation et conçue pour être non intrusive, présenter une consommation d'énergie limitée et un montage et une maintenance simplifiés. L'objet de l'invention vise donc à satisfaire ce besoin en proposant un procédé non intrusif pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique. Selon l'invention, le procédé consiste, pour déterminer les perturbations d'écoulement, à utiliser comme premier indicateur, la variation de pression du fluide - en disposant autour de la canalisation, au moins un collier de serrage muni d'au moins un capteur de déformation sensible aux déformations que subit la canalisation consécutivement aux variations de pression du fluide, - en mesurant les variations de déformation détectées par le capteur de déformation, - et en déterminant les variations de pression du fluide à l'intérieur de la canalisation à partir des mesures de variations de déformation détectées par ledit capteur. Une autre caractéristique de l'invention vise à proposer un dispositif non intrusif pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique. Selon l'invention, le dispositif comprend au moins un système de mesure la pression du fluide comportant - au moins un collier de serrage muni d'au moins un capteur de déformation sensible aux déformations que subit la canalisation consécutivement variations de pression du fluide, - des moyens de serrage du collier autour de la canalisation, - et des moyens de mesure et de traitement associés audit capteur, permettant de déterminer les variations de pression du fluide à l'intérieur de canalisation à partir des mesures de variations de déformations détectées par ledit capteur. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un exemple de mise en oeuvre d'un dispositif conforme à l'invention. Les fig. 2A, 3A et 4A sont des vues en coupe transversale du dispositif illustré ' la fig. 1 et montrant divers systèmes de mesure conformes à l'invention. Les fig. 2B, 3B et 4B sont des courbes illustrant les mesures effectuées par les systemes illustrés respectivement aux tig. 2A, 3A et 4A. La fig. 1 représente un dispositif 1 pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique de transport 2, d'axe longitudinal X. Le fluide est de toute nature par exemple liquide, gazeux ou polyphasique, tel qu'un fluide pétrolier par exemple. La canalisation 2 peut être considérée, à titre d'exemple, comme horizontale mais peut naturellement présenter toute sorte d'orientation, telle que verticale. Cette canalisation 2 peut être constituée de divers matériaux comme par exemple en acier et être installée à l'air libre ou être immergee en grande, voire très grande profondeur. Le dispositif 1 est adapté pour caractériser une perturbation d'écoulement du fluide, c'est-à-dire par exemple une modification de pression, de débit, d'homogénéité, . Le dispositif 1 comporte au moins un système 3 de mesure de la pression du fluide s'écoulant à l'intérieur de la canalisation 2. Le système de mesure 3 comporte au moins un collier de serrage 4 monté de façon localisée à l'extérieur de la canalisation 2, dans une zone de mesure Zl. Tel que cela ressort plus précisément 2A, le collier de serrage 4 est équipé de moyens de serrage 5 de tous types, adaptés pour permettre au collier 4 d'épouser la forme extérieure de la canalisation moyens de serrage 5 permettent également de verrouiller, dans une position déterminée, le collier autour de la paroi externe de la canalisation 2. De préférence, moyens de serrage 5 présentent un caractère réglable permettant de régler différence de pression apparaissant à l'endroit du collier entre l'intérieur et l'extérieur canalisation 2. Il peut ainsi être réglé les valeurs des variations de pression détectées. Le collier de serrage 4 est équipé d'au moins un, et dans l'exemple illustré à fig. 2A, de deux capteurs de déformation 6 qui sont chacun sensible aux déformations que subit la canalisation 2 consécutivement aux variations de la pression du fluide. exemple, chaque capteur de déformation 6 est du type à jauges de contrainte, résistif ou fibre optique. Chaque capteur de déformation 6 peut également être du type à fibre optique enroulée autour de la canalisation 2. Les déformations subies par la paroi de la canalisation 2 reflètent l'action du fluide à l'intérieur de la canalisation et donc les variations de la pression du fluide. Il apparaît ainsi que l'élongation mesurée par le capteur sur la génératrice extérieure de la canalisation 2 est proportionnelle au diamètre de la canalisation multiplié par la différence entre la pression interne et externe à la canalisation, divisé par le double de l'épaisseur de la paroi de canalisation 2. Le ou les capteurs de déformation 6 sont reliés par une liaison 7 à moyens 8 de mesure et de traitement permettant de déterminer les variations de pression du fluide à l'intérieur de la canalisation 2 à partir des mesures de variations déformations détectées par chaque capteur de déformation 6. La fig. 2B donne à titre d'exemple, les variations de déformations enregistrées par un capteur déformation 6, en fonction de temps t. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le dispositif 1 comporte également un système 10 de mesure des variations d'échange thermique intervenant entre le fluide et la canalisation 2. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3A, tel système de mesure 10 comporte au moins un collier serrage 11 monté de façon localisée autour de la canalisation 2 dans la zone de mesure Zl. Le collier de serrage 11 est équipé de moyens de serrage 12 conçus pour permettre au collier 11 d'épouser au mieux la forme extérieure de la canalisation 2. moyens de serrage 12 permettent également de verrouiller, dans une position déterminée, le collier autour de paroi externe de la canalisation 2. Le collier de serrage 11 est équipé d'au moins un de préférence, d'une série de capteurs 13 de mesure du flux thermique sensibles chacun à l'échange thermique intervenant entre le fluide et la canalisation 2. Chaque capteur de mesure 13 du flux thermique est monté pour accéder à l'échange thermique (i.e. en Watts / cm2) entre la canalisation 2 et le fluide circulant à l'intérieur de la canalisation. Selon un exemple de réalisation, chaque capteur de flux thermique est constitué par un fluxmètre monté sur le collier 11 constitué par un bandeau souple, tel qu'une bande en néoprène. Il est à noter que le collier de serrage 11 peut intégrer également une sonde de température de la surface extérieure de la canalisation Chaque capteur de mesure de flux thermique 13 est relié par l'intermédiaire d'une liaison 14 de tous types, à des moyens de mesure et de traitement 15 permettant de déterminer les variations du flux thermique à partir des mesures de variations d'échange thermique détectées par chaque capteur de flux thermique 13. A titre d'exemple, la fig. 3B illustre les variations de flux thermique mesurées par un capteur de flux 13, au cours du temps t. Selon une caractéristique préférée de réalisation le dispositif 1 selon l'invention comprend également un système 20 de mesure bruits et vibrations générés par l'écoulement du fluide, comme par exemple le frottement du fluide sur la paroi de la canalisation ou les coups de bélier. Un tel système de mesure des bruits et vibrations 20 comporte au moins un collier de serrage 21 monté de façon localisée extérieurement sur la canalisation 2 dans la zone de mesure Zl. Tel que cela ressort plus précisément de la fig. 4A, le collier de serrage 21 est pourvu de moyens de serrage 22 adaptés pour permettre au collier 21 d'épouser la forme de la paroi extérieure de la canalisation 2. Les moyens de serrage 22 permettent également de verrouiller en position déterminée, le collier autour de la paroi externe de la canalisation 2. Le collier de serrage 22 est équipé d'au moins un capteur de vibrations 23 sensible aux bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide à l'intérieur de la canalisation 2. Par exemple, chaque capteur de vibrations 23 est constitué, par un accéléromètre type piézoélectrique ou fibre optique ou de films piézoélectriques (PVDF, copolymère, PZT, etc). Chaque capteur de vibrations 23 est relié par l'intermédiaire d'une liaison 25,à des moyens de mesure et de traitement 26 permettant de déterminer les variations des bruits et des vibrations produits par l'écoulement du fluide à l'intérieur la canalisation à partir des mesures de vibrations détectées par chaque capteur de vibration 23. La fig. 4B illustre, à titre d'exemple, l'évolution au cours du temps t, de variation des vibrations détectées par un capteur de vibrations 23. Conformément à la description qui précède, le procédé selon l'invention consiste à caractériser les perturbations d'écoulement en utilisant au moins un premier indicateur, à savoir la variation pression du fluide s'écoulant à l'intérieur de la canalisation 2. A cet égard, un système 3 de mesure de la pression du fluide est installé sur ladite canalisation dans une zone de mesure Zi. Un tel système de mesure 3 présente l'avantage d'être non invasif puisqu'il nécessite le montage d'un collier autour de la canalisation 2. tel système 3 permet de mesurer une variation de pression du fluide conduisant à déduire une perturbation dans l'écoulement du fluide. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, il est prévu de comparer les variations de pression mesurées avec au moins un modèle de référence de variation de pression permettant de caractériser un type de perturbation d'écoulement. Par exemple et comme illustré à la fig. 2B, il peut être défini pour caractériser la présence d'un bouchon de liquide, un modèle de référence comportant trois phases successives, à savoir - une première phase P1 pendant laquelle la pression diminue lentement, - une deuxième phase pendant laquelle la pression augmente fortement et rapidement correspondant au passage d'un bouchon de liquide qui se trouve poussé par une poche gaz à haute pression, - et une troisième phase P3 au cours de laquelle la pression diminue lentement. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le procédé consiste à caractériser les perturbations d'écoulement en utilisant également, si nécessaire un deuxième indicateur, à savoir les variations d'échange thermique entre le fluide la canalisation 2. A cet égard, un système 10 de mesure des variations d'échange thermique entre le fluide et la canalisation 2, est installé dans la zone de mesure tel système de mesure 10 présente aussi l'avantage d'être non invasif puisqu nécessite le montage d'un collier autour de la canalisation 2. Un tel système 10 permet mesurer une variation d'échange thermique conduisant à déduire une perturbation dans l'écoulement du fluide. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, il est prévu de comparer les variations d'échange thermique mesurées avec au moins un modèle de référence de variation d'échange thermique permettant de caractériser un de perturbation d'écoulement. Par exemple, comme illustré à la fig. 3B, il peut être défini, pour caractériser la présence d'un bouchon de liquide, un modèle de référence comportant trois phases successives, à savoir - une première phase P', pendant laquelle le flux thermique augmente rapidement vers une valeur asymptotique, - une deuxième phase P'2 au cours de laquelle apparaît une augmentation rapide et de courte durée du flux thermique correspondant au passage d'un bouchon de liquide qui conduit à un échange thermique plus important en raison de la présence de la phase liquide, - et une troisième phase P'3 au cours de laquelle le flux thermique diminue progressivement. Selon une caractéristique préférée de réalisation, le procédé selon l'invention consiste à caractériser les perturbations d'écoulement en utilisant un troisième indicateur, à savoir les bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide à l'intérieur de la canalisation 2. A cet effet, un système 20 de mesure des bruits et vibrations est installé dans la zone de mesure Zl. Un tel système de mesure 20 présente l'avantage d'être non invasif puisqu'il permet le montage d'un collier autour de la canalisation 2. Un tel système 20 permet de mesurer les bruits et vibrations provoqués par l'écoulement du fluide conduisant à déduire une perturbation dans l'écoulement du fluide. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, il est prévu de comparer les variations des bruits et vibrations par rapport à un modèle de référence de variation des bruits et vibrations permettant de caracteriser un type de perturbation d'écoulement. Par exemple, il peut être défini pour caractériser la présence d'un bouchon de liquide, un modèle de référence comportant une phase P", d'une durée donnée au cours de laquelle les valeurs mesurées dépassent un seuil déterminé. Cette phase P", correspond au passage d'un bouchon de liquide. Tel que cela découle de la description qui précède, la caractérisation d'un type de perturbation d'écoulement est effectuée avec la mise en oeuvre du premier indicateur associé ou non au deuxième et/ou au troisième indicateur. De façon avantageuse, les mesures de variation de pression, de variation de thermique et de variation des bruits et vibrations sont effectuées simultanément pour permettre, après comparaison avec les modèles de référence respectifs, de vérifier le type de perturbation d'écoulement. Ainsi, tel que cela apparait clairement aux fig. 2B, 3B, 4B, l'apparition d'un bouchon de liquide détecté par le système de mesure de pression 3 peut être confirmé par les informations données par les systèmes de mesure de flux 10 et/ou de bruits et vibration 20. Selon une caractéristique de réalisation illustrée à la fig. 1, il peut être envisagé de réaliser sur la canalisation 2, une deuxième zone de mesure ZZ distante de la première Z,, selon l'axe longitudinale X. Dans cette deuxième zone de mesure ZZ, il installé des colliers de serrage munis de capteurs de déformation et/ou de flux thermique et/ou de vibrations appartenant à des systèmes de mesure respectivement pression 3, de flux thermique 10 et de bruits et vibrations 20. Les mesures effectuées par les capteurs de même nature appartenant aux deux zones sont intercorrélées, en vue d'obtenir la vitesse de propagation de la perturbation ainsi que caractéristiques dimensionnelles. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé non intrusif pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique (2), caractérisé en ce consiste, pour déterminer les perturbations d'écoulement, à utiliser comme premier indicateur, la variation de pression du fluide - disposant autour de la canalisation, au moins un collier serrage (4) muni d'au moins un capteur de déformation (6) sensible aux déformations subit la canalisation consécutivement aux variations de pression du fluide, - en mesurant les variations de déformation détectées par le capteur de déformation, - et en déterminant les variations de pression du fluide à l'intérieur de la canalisation à partir des mesures de variations de déformation détectées par ledit capteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un capteur de déformation (6) du type jauges de contrainte, résistif ou fibre optique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un capteur de déformation (6) du type fibre optique enroulée autour de la canalisation. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le serrage du collier (4) sur la canalisation en vue de régler les valeurs des variations de pression détectées. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, pour déterminer les perturbations d'écoulement, à utiliser comme deuxième indicateur, les variations d'échanges thermiques entre le fluide et la canalisation - disposant autour de la canalisation (2), au moins un collier de serrage (11) muni d'au moins un capteur (13) de mesure du flux thermique sensible à l'échange thermique entre le fluide et la canalisation, - mesurant les variations d'échanges thermiques détectées par le capteur de flux thermique, et en déterminant les variations du flux thermique à partir des mesures de variation d'échanges thermiques détectées par ledit capteur. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce consiste, pour déterminer les perturbations d'écoulement, à utiliser comme troisième indicateur, les bruits et vibrations introduits par l'écoulement du fluide en disposant autour de la canalisation (2), au moins un collier de serrage (21) muni d'au moins un capteur de vibration (23) sensible aux bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide, - en mesurant les variations des bruits et vibrations détectés par le capteur de vibration (23), - et en déterminant les variations des bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide à l'intérieur de la canalisation, ' partir des mesures de vibrations détectées par ledit capteur. 7. Procédé selon les revendications 5 et 6, caractérisé qu'il consiste à comparer les variations de la pression, du flux thermique et des bruits et vibrations, à au moins un modèle de référence, respectivement de variation pression, de flux thermique et de bruits et vibrations permettant de caractériser un type de perturbation d'écoulement. 8. Procédé selon les revendications 1, 5, 6 et 7, caracterisé en ce qu'il consiste à mesurer simultanément les variations de déformation les variations d'échanges thermiques et les variations des bruits et vibrations de manière à permettre, après comparaison avec les modèles de référence respectifs, de vérifier le type de perturbation d'écoulement. Procédé selon les revendications 1, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il consiste - ' disposer dans deux zones (Z1, 72) de mesure distantes l'une de l'autre selon la longueur de la canalisation, des colliers de serrage munis de capteurs de déformation et/ou de flux thermique et/ou de vibrations, - et à assurer l'intercorrélation des mesures effectuées par capteurs de même nature, en vue d'obtenir la vitesse de propagation de la perturbation ainsi que ses caractéristiques dimensionnelles. 10. Dispositif non intrusif pour caractériser les perturbations d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une canalisation cylindrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un système (3) mesure de la pression du fluide comportant - au moins un collier de serrage (4) muni d'au moins un capteur de déformation sensible aux déformations que subit la canalisation consécutivement aux variations de pression du fluide, - des moyens serrage (5) dudit collier autour de la canalisation (2), - et des moyens de mesure et de traitement (8) associés audit capteur, permettant déterminer les variations de pression du fluide à l'intérieur de la canalisation ' partir des mesures de variations de déformations détectées par ledit capteur. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend aussi un système (10) mesure des variations d'échange thermique entre le fluide et la canalisation, comportant - au moins un collier de serrage (11) muni d'au moins un capteur (13) de mesure de flux thermique sensible à l'échange thermique entre le fluide et la canalisation, - des moyens de serrage (12) dudit collier autour de la canalisation (2), - et des moyens de mesure et de traitement (15) associés audit capteur, permettant de déterminer les variations du flux thermique à partir des mesures de variations d'échanges thermiques détectées par le capteur de flux thermique. 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend aussi un système (20) de mesure des bruits et vibrations comportant - au moins un collier de serrage (21) muni d'au moins un capteur de vibration (23) sensible bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide, - des moyens de serrage (22) dudit collier autour de la canalisation, - et des moyens de mesure et de traitement (26) associés au capteur, permettant de déterminer les variations des bruits et vibrations produits par l'écoulement du fluide à l'intérieur de la canalisation, à partir des mesures de vibrations détectées par ledit capteur.