Brevet FR2845768A1 — publié le 20040416

La présente invention a pour objet un procédé pour évaluer des contraintes dans un élément allongé, notamment une conduite tubulaire, et un système permettant de mettre en oeuvre ce procédé. L'invention est notamment destinée au domaine de l'exploitation pétrolière en milieu sous-marin. Ce type d'exploitation met en oeuvre des éléments allongés tels que des conduites, des ombilicaux et des câbles, reliant un support de surface, notamment une plate-forme ou un navire, et le fond de la nappe d'eau ou un autre support de surface, lesquels éléments sont soumis à des contraintes générées par le mouvement de ces 10 éléments sous l'effet notamment de la houle, des vagues, des courants marins et des déplacements du ou des supports de surface. De manière classique, le comportement en fatigue de ces éléments allongés peut être modélisé lors d'une phase préliminaire d'étude. Dans le cas d'une conduite dont une portion repose sur le fond, une région critique en termes de fatigue se situe au voisinage du " point de touche ", c'est-à-dire du 15 point o la conduite vient en contact avec le fond. Le point de touche n'est pas fixe et peut se déplacer sur de grandes distances, jusqu'à plusieurs centaines de mètres dans le cas d'une exploitation en grande profondeur. Il existe un besoin pour pouvoir évaluer de manière fiable les contraintes et l'état de fatigue dans un élément allongé, en particulier dans une portion de celui-ci au 20 voisinage du point de touche, le cas échéant, afin notamment de confirmer la durée de vie prévue pour la conduite, et de prévoir, en cas de besoin, des opérations de maintenance sur la conduite et prévenir d'éventuels accidents. Il existe également un besoin pour pouvoir valider de manière satisfaisante, voire améliorer, les modèles théoriques utilisés lors de la phase préliminaire d'étude. L'invention a pour objet un procédé pour évaluer des contraintes dans un élément allongé, notamment une conduite, le procédé comportant les étapes consistant à: - mesurer une ou plusieurs grandeurs physiques prédéterminées associées à une ou plusieurs régions de l'élément allongé notamment radialement éloignées de l'axe de celui-ci, en au moins deux points de mesure axialement espacés sur l'élément allongé et de 30 manière simultanée, - déterminer à partir de cette ou ces grandeurs mesurées au moins un paramètre caractéristique de l'élément allongé auxdits au moins deux points de mesure, - déterminer à partir dudit au moins un paramètre caractéristique auxdits au moins deux points de mesure, au moins un paramètre caractéristique de l'élément allongé pour des points autres que lesdits au moins deux points de mesure. Selon la présente invention, un point de mesure repère la position axiale sur 5 l'élément allongé o la ou les mesures sont effectuées, indépendamment du fait que cette ou ces mesures soient réalisées à distance ou sur l'axe de l'élément allongé lui-même. Le paramètre caractéristique précité peut être le rayon de courbure, la position du centre de courbure ou la déformation en sens axial, sur son axe, de l'élément allongé. L'invention permet, à partir de plusieurs mesures ponctuelles, de reconstituer la 10 géométrie d'une portion de l'élément allongé. Ainsi, à partir d'un nombre de mesures qui peut être faible, il est possible de connaître des caractéristiques associées à l'élément allongé en de nombreux points et de déterminer la position d'un point critique prédéterminé tel qu'un point de touche. Afin de déterminer le paramètre caractéristique, notamment l'un au moins du 15 rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation dans le sens axial, sur son axe, de l'élément allongé en d'autres points que les points de mesure, par exemple là o des mesures directes ne seraient pas réalisables, il est possible de procéder par extrapolation, notamment en modélisant sous forme d'une équation la géométrie d'une portion prédéterminée de l'élément allongé, et en effectuant la résolution numérique de 20 cette équation grâce aux valeurs mesurées aux points de mesure. Les mesures et les calculs numériques sont avantageusement réalisés de manière concomitante et répétée afin de pouvoir suivre en temps réel la déformation d'une portion prédéterminée de l'élément allongé. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, on détermine, à partir du 25 paramètre caractéristique, notamment du rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation en sens axial, sur l'axe, en un point de l'élément allongé, les contraintes dans l'élément allongé en ce point et, à partir de ces contraintes, l'état de fatigue dans l'élément allongé. On peut ainsi connaître les contraintes et l'état de fatigue de l'élément allongé non seulement aux points de mesure mais également en des points 30 éloignés des points de mesure, par exemple au voisinage d'un point de touche. L'une au moins des grandeurs physiques mesurées peut correspondre à une déformation en sens axial associée à une région de l'élément allongé radialement éloignée de l'axe de celui-ci. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, pour au moins un point de 5 mesure, on mesure la grandeur physique en au moins deux emplacements, notamment trois emplacements, angulairement espacés autour de l'axe de l'élément allongé. On peut par exemple mesurer, pour chaque point de mesure, une déformation en sens axial de l'élément allongé en trois emplacements situés autour de l'axe de l'élément, de manière à pouvoir déduire de ces trois valeurs de déformation mesurées le 10 rayon de courbure, la position du centre de courbure et la déformation en sens axial, sur l'axe, en ce point de mesure. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, on effectue des mesures de la grandeur physique en au moins trois points de mesure axialement espacés sur l'élément allongé. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'élément allongé est destiné à être immergé et peut être sous la forme d'une conduite, d'un ombilical ou d'un câble, ou d'un ensemble de ceux-ci. Une déformation en sens axial de l'élément allongé peut être mesurée au moyen d'un capteur optique comportant notamment deux fibres optiques dont l'une est 20 solidaire, en deux points, de l'élément allongé, étant tendue entre ces deux points afin de suivre localement des déformations en sens axial de celui-ci, et l'autre fibre servant de fibre de référence, étant détendue entre les deux points. Le capteur peut être fixé sur l'élément allongé, à distance de l'axe de celui-ci. Les points de mesure peuvent se situer à proximité du point de touche, le cas 25 échéant, mais sont suffisamment éloignés de celui-ci de sorte que, suite à un mouvement éventuel du point de touche, le ou les capteurs fixés sur l'élément allongé ne viennent pas en contact avec le fond. L'invention a également pour objet un système d'évaluation des contraintes dans un élément allongé, notamment une conduite tubulaire, ce système comportant: - au moins deux modules de mesure destinés à être fixés respectivement en deux points axialement espacés sur l'élément, chaque module comportant un ou plusieurs capteurs, de préférence au moins trois capteurs, situés à distance de l'axe de l'élément allongé et agencés pour mesurer une grandeur physique associée à l'élément, notamment une déformation en sens axial, et - une unité de traitement des données agencée pour recevoir des données relatives aux mesures effectuées par lesdits au moins deux modules et pour déterminer à 5 partir desdites données au moins un paramètre caractéristique de l'élément allongé, notamment l'un au moins du rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation en sens axial, sur l'axe, de l'élément allongé auxdits au moins deux points de mesure et en des points autres que lesdits au moins deux points de mesure. L'un au moins des capteurs peut être un capteur optique comportant 10 notamment deux fibres optiques dont l'une est tendue et solidaire, en deux points, de l'élément allongé, et l'autre fibre servant de fibre de référence. Le système peut comporter un interféromètre agencé pour déterminer le déphasage entre deux signaux lumineux issus respectivement des deux fibres. L'un au moins des modules peut comporter trois capteurs disposés notamment 15 à 1200 les uns des autres autour de l'élément allongé. Du fait de l'utilisation de fibres optiques, le ou les modules peuvent être dépourvus de composants électroniques et/ou de moyens de mémorisation des données. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, en se référant au dessin 20 annexé, sur lequel: - la figure 1 illustre schématiquement et partiellement la mise en oeuvre d'un système conforme à l'invention, - la figure 2 représente schématiquement et partiellement les différents éléments du système de la figure 1, les capteurs étant fixés sur une conduite tubulaire, et, - la figure 3 est une coupe schématique et partielle suivant III-III de la conduite de la figure 2. On a représenté sur la figure 1 un support de surface 1 tel qu'un navire ou une plate-forme pétrolière qui peut être fixe ou flottante, sur lequel se raccorde un élément allongé 2 tel qu'une conduite tubulaire présentant un axe X et reliée à un puits de pétrole 3 30 situé sur le fond 4 de la nappe d'eau. Dans l'exemple décrit, la conduite 2 est rigide et réalisée en acier. La conduite 2 présente une longueur telle qu'elle puisse être utilisée à des profondeurs supérieures à environ mille mètres. La conduite 2 présente un point de touche 5 définissant deux portions 2a et 2b, à savoir une portion dynamique 2a située entre le point de touche 5 et le support 1 et une portion statique 2b située entre le point de touche 5 et le puits 3. La portion dynamique 2a est soumise à des mouvements continus sous l'effet de la houle, des vagues, des courants marins et des déplacements du support 1, lesquels mouvements génèrent au sein de la conduite 2 des contraintes de fatigue. Trois modules de mesure 6 d'un système 7 conforme à l'invention sont fixés 10 sur la conduite 2, à proximité du point de touche 5, en trois points A, B et C axialement espacés et choisis de manière à ce que, lors des déplacements du point de touche 5, les modules de mesure 6 ne viennent pas en contact avec le fond 4. Les modules 6 peuvent être agencés de manière à permettre leur fixation sur la conduite 2 à l'aide d'un robot de type R.O.V. Chaque module de mesure 6 comporte trois capteurs optiques 8 disposés équiangulairement autour de la conduite 2, à distance de l'axe X, comme on peut le voir sur la figure 3. Chaque capteur optique 8 comprend deux fibres optiques 9a et 9b, chacune étant fixée à ses extrémités respectives à un cerclage 10 mis en place autour de la conduite 20 2. Les deux cerclages 10 et les capteurs 8 peuvent être solidaires et constituer un ensemble autonome. Bien entendu, les fibres optiques peuvent être fixées sur la conduite de toute autre manière appropriée. La fibre 9a est tendue entre les deux cerclages 10 de sorte que, consécutivement à une déformation en sens axial de la conduite 2 entre les cerclages 10, la longueur de la fibre tendue 9a puisse varier en réponse. L'autre fibre 9b est fixée aux cerclages 10 de manière détendue et sert de fibre de référence. Comme illustré sur la figure 2, les fibres 9a et 9b d'un capteur 8 se raccordent à une extrémité à un coupleur individuel 11. Les trois coupleurs individuels 11 d'un module 6 sont reliés à un coupleur commun 12 par des fibres optiques 13. Les coupleurs communs 12 des trois modules de mesure 6 se raccordent à un boîtier de jonction 15 par trois fibres optiques 16 respectives. Ces fibres optiques 16 sont connectées à un interféromètre 18 en place sur le support de surface 1 et relié à une unité de traitement des données 19. L'interféromètre 18 est agencé de manière à pouvoir émettre un signal lumineux dans chacune des fibres optiques 16 et déterminer le déphasage entre les deux signaux lumineux réfléchis qui se sont propagés respectivement dans les fibres 9a et 9b d'un capteur optique 8. A partir du déphasage, il est possible de déterminer l'élongation de la fibre 9a 10 et donc la déformation en sens axial de la conduite 2 à cet endroit. L'unité de traitement 19 est agencée de manière à pouvoir: - à partir des données de déphasage envoyées par l'interféromètre 18, déterminer pour chaque capteur 8 la déformation en sens axial d'une région périphérique de la conduite 2, - à partir de ces données relatives à une déformation en sens axial, déterminer le rayon de courbure, la position du centre de courbure et la déformation en sens axial, sur l'axe X, de la conduite aux points A, B et C respectivement, - à partir des données sur le rayon de courbure, la position du centre de courbure et la déformation en sens axial, sur l'axe X, aux points A, B et C, procéder à la 20 résolution numérique d'une équation modélisant la forme d'une portion R prédéterminée de la conduite 2, laquelle portion R contient le point de touche 5 et les points A, B et C, et - déterminer le rayon de courbure, la position du centre de courbure et la déformation en sens axial, sur l'axe X, de la conduite 2 en des points de la portion R autres que les points A, B et C. Dans l'exemple décrit, l'équation précitée est l'équation d'une chaînette. L'unité de traitement 19 est également agencée de manière à permettre de déterminer les contraintes et l'état de fatigue en un point de la portion R à partir du rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation en sens axial, sur l'axe X, en ce point. Ainsi, le système 7 permet de reconstituer la forme de la portion R de la conduite 2 et de connaître l'état de fatigue dans cette portion R et notamment au voisinage du point de touche 5. Des mesures simultanées répétées aux points A, B et C et un traitement instantané des données mesurées permettent de suivre en temps réel la déformation de la portion R et de connaître l'état de fatigue dans cette portion R. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de mise en oeuvre qui vient d'être décrit. On peut notamment fixer sur la conduite 2 un nombre de modules de mesure 6 supérieur à trois, par exemple quatre. Le système selon l'invention peut également être utilisé en liaison avec un élément allongé autre qu'une conduite tubulaire raccordée à un puits 3. On a par exemple représenté sur la figure 1, en pointillés, un élément allongé constitué par une ligne d'export 20 reliant le support de surface 1 à une bouée 21 contre laquelle peut venir s'amarrer un navire pétrolier. REVENDICATIONS 1. Procédé pour évaluer des contraintes dans un élément allongé, notamment une conduite (2), caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à: - mesurer une ou plusieurs grandeurs physiques prédéterminées associées à une ou plusieurs régions de l'élément allongé notamment radialement éloignées de l'axe de celui-ci, en au moins deux points de mesure (A, B, C) axialement espacés sur l'élément allongé, et de manière simultanée, - déterminer à partir de cette ou ces grandeurs mesurées au moins un 10 paramètre caractéristique de l'élément allongé auxdits au moins deux points de mesure, - déterminer à partir dudit au moins un paramètre caractéristique auxdits au moins deux points de mesure, au moins un paramètre caractéristique de l'élément allongé pour des points autres que lesdits au moins deux points de mesure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit au moins 15 un paramètre caractéristique est sélectionné parmi le rayon de courbure, la position du centre de courbure et la déformation en sens axial, sur son axe (X), de l'élément allongé. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on détermine, à partir dudit au moins un paramètre caractéristique, notamment du rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation en sens axial, sur 20 l'axe, en un point de l'élément allongé, les contraintes dans l'élément allongé en ce point. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on détermine, à partir desdites contraintes, l'état de fatigue dans l'élément allongé en ce point. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, pour au moins un point de mesure (A, B, C), l'on mesure au 25 moins une grandeur physique en au moins deux emplacements, notamment trois emplacements, angulairement espacés autour de l'axe de l'élément allongé. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'une au moins des grandeurs physiques mesurées correspond à une déformation en sens axial associée à une région de l'élément allongé (2) radialement 30 éloignée de l'axe (X) de celui-ci. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'élément allongé (2) est destiné à être immergé. 8. Procédé selon la revendication 7, l'élément allongé présentant un point de touche (5), caractérisé par le fait que les points de mesures (A, B, C) se situent à proximité du point de touche. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le 5 fait que l'on mesure une déformation en sens axial de l'élément allongé (2) au moyen d'un capteur optique (8) comportant deux fibres optiques (9a, 9b) dont l'une (9a) est solidaire, en deux points, de l'élément allongé, étant tendue entre ces deux points afin de suivre localement des déformations axiales de l'élément allongé, et l'autre fibre (9b) servant de fibre de référence, étant détendue entre ces deux points. 10. Système (7) d'évaluation des contraintes dans un élément allongé, notamment une conduite, caractérisé par le fait qu'il comporte: - au moins deux modules de mesure (6) destinés à être fixés sur l'élément allongé (2) respectivement en deux points axialement espacés (A, B, C), chaque module comportant un ou plusieurs capteurs (8), de préférence au moins trois capteurs, situés à 15 distance de l'axe (X) de l'élément allongé et agencés pour mesurer une grandeur physique associée à l'élément allongé, notamment une déformation en sens axial, - une unité de traitement des données (19) agencée pour recevoir des données relatives aux mesures effectuées par lesdits au moins deux modules et pour déterminer à partir desdites données au moins un paramètre caractéristique, notamment 20 l'un au moins du rayon de courbure, de la position du centre de courbure et de la déformation en sens axial, sur l'axe, de l'élément allongé auxdits au moins deux points de mesure et en des points autres que lesdits au moins deux points de mesure (A, B, C). 11. Système selon la revendication 10, caractérisé par le fait que l'un au moins des capteurs est un capteur optique (8) comportant deux fibres optiques (9a, 9b) dont l'une 25 (9a) est tendue et solidaire, en deux points, de l'élément allongé, et l'autre fibre (9b) servant de fibre de référence, et par le fait que le système (7) comporte un interféromètre (18) agencé pour déterminer le déphasage entre deux signaux lumineux issus respectivement des deux fibres. 12. Système selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé par le fait que 30 le ou les modules (6) sont dépourvus de composants électroniques et/ou de moyens de mémorisation des données.