Brevet FR2852391A1 — publié le 20040917

"Procédé et système pour surveiller (monitoring) le comportement d'une tuyauterie contenant un fluide sous pression" La présente invention concerne un procédé pour surveiller (monitoring) le comportement d'une tuyauterie contenant un fluide sous pression. Elle vise également un système mettant en oeuvre ce procédé. Cette invention s'inscrit dans le cadre général de la 10 gestion du vieillissement des tuyauteries, en particulier en béton armé ou précontraint contenant un fluide sous pression dont la face externe est accessible (soit en galerie, soit par dégagement). Ces tuyauteries en béton armé ou précontraint sont 15 pourvues de tiges d'acier susceptibles d'être soumises à un phénomène de corrosion qui se traduit dans le temps par une diminution de leur section. On fera référence dans la suite à la notion, bien connue dans ce domaine, de section résiduelle d'acier. Une préoccupation majeure des opérateurs de systèmes de transport de fluide sous pression est de maîtriser le risque d'éclatement de tuyauteries contenant ces fluides sous pression. Cet objectif est atteint avec un procédé pour surveiller 25 (monitoring) le comportement d'une tuyauterie contenant un fluide sous pression, cette tuyauterie comportant au moins une zone courante et des zones singulières. Le procédé selon l'invention comprend - une surveillance (monitoring) statique d'un nombre 30 prédéterminé de zones singulières et/ou de zones courantes de la tuyauterie, pour fournir des informations de dilatations circonférentielles, et - un calcul, à partir desdites informations de dilatations circonférentielles, de la rigidité effective K(ti) de la tuyauterie et de sa section d'acier résiduelle mesurée As(ti). Dans une forme particulière complète de l'invention, le procédé de surveillance comprend en outre une surveillance (monitoring) dynamique de la tuyauterie, pour fournir des informations de modes et de fréquences propres de vibration de ladite tuyauterie. Ces informations de modes et de 10 fréquences propres sont alors aussi exploitées, avec les informations de dilatations circonférentielles, pour le calcul de la rigidité effective et de la section d 'acier résiduelle mesurée. Le procédé selon l'invention peut en outre 15 avantageusement comprendre: - un processus de prédiction de l'évolution temporelle A's(t>ti) d'un estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, cette prédiction étant effectuée sur la base d'une modèle de la corrosion et du comportement mécanique de 20 la tuyauterie, - une comparaison entre la section d'acier résiduelle mesurée (As(ti) et l'estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, et - une actualisation du modèle de corrosion, lorsque la 25 différence entre ladite section d'acier résiduelle mesurée As(ti) et ledit estimateur de section d'acier résiduelle A's(ti) est supérieure à une précision prédéterminée. Dans une version avantageuse de l'invention, le processus de prédiction est agencé pour intégrer, dans la 30 phase d'actualisation du modèle de corrosion, une information provenant d'une source externe. Le procédé de surveillance (monitoring) selon l'invention peut en outre comprendre une comparaison de la valeur mesurée As(ti) de la section d'acier résiduelle à un critère limite de tenue mécanique (CL), cette comparaison étant suivie: - soit d'une émission d'une information de remplacement immédiat d'un tronçon de ladite tuyauterie correspondant aux zones surveillées, lorsque cette valeur mesurée As(ti) est inférieure audit critère limite de tenue mécanique (CL), - soit d'un calcul d'une durée de vie résiduelle D(ti) de ladite tuyauterie. Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une comparaison de la valeur mesurée As(ti) de la section d'acier résiduelle à un critère d'alarme (CA) associée à la 15 tenue mécanique de ladite tuyauterie, cette comparaison étant suivie: - soit d'une émission d'une information de confortement et de remplacement ultérieur d'un tronçon de ladite tuyauterie correspondant aux zones surveillées, lorsque cette 20 valeur mesurée As(ti) est inférieure audit critère d'alarme (CA), -soit d'un calcul d'une durée d'exploitation avant alarme Da(ti) de ladite tuyauterie. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé 25 un système pour surveiller (monitoring) le comportement d'une tuyauterie contenant un fluide sous pression, cette tuyauterie comportant au moins une zone courante et des zones singulières, caractérisé en ce qu'il comprend: - un dispositif de surveillance (monitoring) statique d'un 30 nombre prédéterminé de zones singulières, pour fournir des informations de dilatations circonférentielles, et - des moyens pour calculer, à partir desdites informations de dilatations circonférentielles, la rigidité effective K(ti) de la tuyauterie et sa section d'acier résiduelle mesurée As(ti). Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, ce système comprend en outre un dispositif de surveillance (monitoring) dynamique de la tuyauterie, pour fournir des informations de modes et de fréquences propres de vibration de cette tuyauterie, ces informations de modes et 10 de fréquences propres étant aussi exploitées par les moyens pour calculer la rigidité effective et la section d'acier résiduelle de la tuyauterie. Le système selon l'invention peut en outre avantageusement comprendre: des moyens pour prédire l'évolution temporelle A's(t>ti) d'un estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, cette prédiction étant effectuée sur la base d'une modèle de la corrosion et du comportement mécanique de la tuyauterie, - des moyens pour comparer la section d'acier résiduelle 20 mesurée (As(ti) et l'estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, et - des moyens pour actualiser le modèle de corrosion, lorsque la différence entre ladite section d'acier résiduelle mesurée As(ti) et ledit estimateur de section d'acier résiduelle 25 A's(ti) est supérieure à une précision prédéterminée. Le dispositif de surveillance (monitoring) statique peut comprendre des moyens pour mesurer des déformations longitudinales d'un tronçon de la tuyauterie et des moyens pour mesurer des déformations circonférentielles dudit 30 tronçon. Le dispositif de surveillance (monitoring) dynamique comprend des moyens de sismométrie pour mesurer en un nombre prédéterminé de points sur la tuyauterie des vitesses de déplacement. Le système selon l'invention peut en outre comprendre des moyens pour prétraiter des données brutes fournies par le 5 dispositif de surveillance (monitoring) statique et par le dispositif de surveillance (monitoring) dynamique, cet moyens de prétraitement étant agencés pour calculer une déformation moyenne sur une période données et des fréquences propres moyennes en phase d'exploitation. La présente invention combine des techniques de monitoring permanent du comportement en service de ce type de tuyauteries et la modélisation prédictive de son vieillissement dans le but de maîtriser le risque d'éclatement de ces tuyaux et d'optimiser leurs périodes de 15 remplacement. Le comportement à long terme des zones singulières (par exemple, le passage au droit des blocs d'appui, les coudes, les cônes de réduction, .. .) de ce type de tuyauterie doit être différentié du comportement à long terme de la zone courante, 20 comme l'illustre le Tableau 1. Par conséquent, le système de monitoring intelligent selon l'invention doit intégrer cette différence de comportement et de priorité au niveau du suivi. Zones singulières Zones courantes Corrosion interne généralisée + + Corrosion externe + Défauts initiaux ++ + Priorité ... + Monitoring XX " statique " Monitoring x xx " dnaxnqu (autres modes de (Mode I de __________________. vibration) vibration) Le procédé selon l'invention consiste ainsi, dans sa version complète: - à instrumenter à l'aide d'un monitoring " statique " un 5 nombre limité de zones singulières (appuis, coudes, ...) préalablement définies; - et de compléter ce dispositif en instrumentant un tronçon de tuyauterie comprenant des zones courantes et des zones singulières à l'aide d'un monitoring 10 " dynamique ". Mais il est à noter que le procédé selon l'invention peut fort bien opérer uniquement à partir d'un monitoring statique. Une contribution significative procurée par le procédé 15 et le système selon l'invention dans sa version complète est liée à la combinaison de deux types de monitoring (statique et dynamique) dont l'originalité est de pouvoir suivre en permanence le comportement mécanique de la zone courante et celui des zones singulières. La seconde contribution procurée par le procédé et le système selon l'invention repose sur la mise au point d'une solution combinant les méthodes de suivi (suivi des déformations circonférentielles et longitudinales, suivi des modes et fréquences propres) d'un tronçon d'une tuyauterie et 25 un prétraitement des données mesurées. Cette solution permet de déterminer de manière indirecte la section d'acier résiduelle du tronçon instrumenté. La troisième contribution repose sur la valorisation des données issues du suivi dans un modèle de prédiction de la 30 cinétique de corrosion des parties métalliques des tuyauteries. Cet enrichissement de la modélisation permet de converger vers une prédiction de la durée de vie qui minimise toute incertitude et qui permet de déclencher les bonnes actions de maintenance au bon moment. En conclusion, ces trois contributions permettent d'optimiser les périodes de remplacement des tuyauteries 5 instrumentées tout en maîtrisant le risque d'éclatement de ces structures. Le procédé de surveillance (monitoring) selon l'invention permet de: déterminer en permanence et de manière indirecte la 10 section d'acier résiduelle présente dans une tuyauterie en béton armé ; - confronter les valeurs mesurées à des estimateurs issus de modèles physiques validés; valoriser les données issues du suivi dans un outil 15 prédictif pour prédire l'évolution à long terme de la section d'acier résiduelle en minimisant les sources d'incertitudes; - confronter les valeurs mesurées à des critères de tenue mécanique; - de définir une stratégie globale de gestion d'un réseau de tuyauteries en instrumentant qu'un nombre limité de tronçons singuliers; - engager les actions de maintenance appropriées à l'état de détérioration des tuyauteries en terme de coûts et de 25 délais; - minimiser les coûts associés à la maintenance des tuyauteries; maîtriser les risques d'éclatement des tuyauteries; - rassurer les autorités de surveillance et le public en 30 mettant en avant un contrôle permanent et actif à l'aide du dispositif de monitoring intelligent. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre le principe de fonctionnement du procédé selon l'invention; - la figure 2 est une description schématique d'un dispositif de monitoring statique; - la figure 3 illustre le comportement sous pression d'une 10 tuyauterie pour laquelle la solution peut être mise en oeuvre (cas d'un tuyau en béton armé) ; - la figure 4 illustre Les différentes étapes du prétraitement des données de base permettant d'aboutir à la valeur de la section d'acier résiduelle (illustrées pour le cas du monitoring statique) ; et - la figure 5 illustre une procédure d'actualisation mise en òuvre dans le procédé selon l'invention. La combinaison entre les techniques de suivi permanent et l'outil prédictif constitue le dispositif de monitoring 20 intelligent (DMI) que constitue le système selon l'invention. Un prétraitement des données issues du monitoring permanent est nécessaire pour ne retenir qu'un nombre limité de données (rigidité de la tuyauterie K(ti) et sa section d'acier résiduelle AS(tj)> synthétisant les mesures prises 25 sur une période définie. L'outil prédictif est construit autour de lois physiques (modélisation de la corrosion et du comportement mécanique de la tuyauterie) permettant de déterminer par calcul un estimateur de la section d'acier résiduelle A',(ti) et son 30 évolution au cours du temps A',(t > ti). La section d'acier résiduelle obtenue par le système de monitoring Ar(ti) est ensuite comparée, à intervalles 9 2852391 réguliers, à son estimateur A's(ti) . Si la différence entre ces deux valeurs est supérieure à une précision E fixée au préalable, la valeur de la section d'acier résiduelle mesurée As(ti) est utilisée pour actualiser le modèle de corrosion. 5 Cette procédure d'actualisation permet de recalculer l'estimateur de la section d'acier résiduelle A'3(tj) et son évolution dans le temps A',(t > ti). L'outil prédictif est conçu de manière à pouvoir intégrer dans la phase d'actualisation du modèle de corrosion une information 10 provenant d'une source autre que le monitoring statique ou dynamique (essais en laboratoire, inspections visuelles, nombre de défaillances, ...). Une fois que la précision recherchée est obtenue, la valeur de la section d'acier résiduelle mesurée As(ti) est 15 comparée à un critère limite de tenue mécanique CL. Si la valeur mesurée est inférieure au critère, un remplacement immédiat du tronçon de tuyauterie instrumenté peut, par exemple, être décidé. Si la valeur mesurée de la section d'acier résiduelle 20 As(ti) est supérieure au critère limite, la durée de vie résiduelle de la tuyauterie D(ti) est déterminée à l'aide de l'évolution de la section d'acier résiduelle calculée par l'outil prédictif. L'étape suivante consiste à comparer la valeur de la 25 section d'acier résiduelle mesurée As(ti) à un critère d'alarme CA associé à la tenue mécanique. Cette fois, si la valeur mesurée est inférieure au critère d'alarme, un confortement du tronçon de tuyauterie instrumenté peut, par exemple, être mis en place de manière à différer le 30 remplacement. Si la valeur mesurée de la section d'acier résiduelle As(ti) est supérieure au critère d'alarme, la durée - 10 d'exploitation avant alarme Da(ti) est déterminée à l'aide de l'évolution de la section d'acier résiduelle calculée par l'outil prédictif. Dans ces conditions, l'action de maintenance consisterait, par exemple, à ne rien faire et la tuyauterie serait laissée en l'état. On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées. On va maintenant donner une description détaillée d'un forme de réalisation du système selon l'invention. Le dispositif de monitoring statique est mis en oeuvre 10 sur un nombre limité de zones singulières définies à l'avance. L'objectif de ce dispositif est de suivre, en zones singulières, l'évolution à long terme des déformations longitudinales et circonférentielles des tuyauteries. Dans le but de fiabiliser ce monitoring statique, deux 15 types de capteurs sont à retenir. Par exemple, une combinaison entre des capteurs d'extensométrie standard (capteurs inductifs) et des capteurs à fibres optiques mesurant sur des bases de longueurs différentes peut être une possibilité. Les déformations longitudinales servent principalement en cas de sollicitations accidentelles (séismes, surpressions) pour vérifier la tenue mécanique des tuyauteries (risque d'éclatement) . Les déformations circonférentielles sont utilisées en conditions normales 25 d'exploitation dans le cadre de la solution permettant de suivre l'évolution à long terme de la section d'acier résiduelle, en référence à la figure 3. Le dispositif de monitoring dynamique exploite la vibration naturelle des tuyauteries sous pression. Il est 30 conçu pour mesurer en un nombre défini de points les vitesses de déplacements à l'aide de sismomètres. L'objectif du dispositif de monitoring dynamique est de déterminer les 11 modes propres de vibration de la tuyauterie (déformée modale) et les fréquences associées. Suivant la fréquence de mesure, le volume des données brutes recueillies par le dispositif de monitoring devient 5 important. A intervalles réguliers, il est nécessaire de procéder à un prétraitement de ces données afin d'extraire un nombre limité de valeurs permettant de quantifier la section d'acier résiduelle. Ce prétraitement consiste à partir des données brutes 10 (déformations, pression, fréquences propres, déformées modales) de calculer: - une déformation moyenne sur une période donnée (par exemple: avant, pendant et après un cycle de mise en pression) ; - les fréquences propres moyennes en phase d'exploitation; - la rigidité K du tronçon de tuyauterie sur une période donnée, en référence aux figures 3 et 4; - la section d'acier résiduelle A. correspondante. Le diagramme de la figure 4 permet d'illustrer les différentes étapes du prétraitement dans le cas du monitoring statique. Les lois qui définissent les relations entre les déformations et la rigidité et entre la rigidité et la section d'acier résiduelle sont des caractéristiques 25 intrinsèques de la tuyauterie instrumentée. Un diagramme similaire à celui de la figure 4 est développé pour le monitoring dynamique. Dans ce cas, les lois utilisées permettent de définir la relation entre une fréquence propre, la perte de rigidité de la zone concernée 30 (ceci dépend du mode de vibration associé) et la section d'acier résiduelle. Ces lois sont également des caractéristiques intrinsèques de la tuyauterie instrumentée - 12 - 2852391 et dépendent fortement des conditions de bord de la tuyauterie. Les différentes étapes du prétraitement des données de base permettent d'aboutir à la valeur de la section d'acier 5 résiduelle, comme l'illustre la figure 4 pour le cas du monitoring statique. L'étape suivante consiste à comparer, à intervalles réguliers, la section d'acier résiduelle obtenue par le système de monitoring As(ti) à son estimateur A's(ti). Si la 10 différence entre ces deux valeurs est supérieure à une précision fixée au préalable, la valeur de la section d'acier résiduelle mesurée As(ti) est utilisée pour actualiser le modèle de corrosion. Cette actualisation est basée, entre autres, sur une 15 approche bayesienne qui permet d'améliorer la précision du modèle prédictif lorsque des données de terrain sont disponibles. La procédure d'actualisation permet de recalculer l'estimateur de la section d'acier résiduelle A's(ti) et son 20 évolution dans le temps A', (t > ti). L'outil prédictif est conçu de manière à pouvoir intégrer dans la phase d'actualisation du modèle de corrosion une information provenant d'une source autre que le monitoring statique ou dynamique (essais en laboratoire, 25 inspections visuelles, nombre de défaillances, ...). Une fois que la précision recherchée est obtenue, la valeur de la section d'acier résiduelle mesurée As(ti) est comparée à un critère limite de tenue mécanique CL. Si la valeur mesurée est inférieure au critère, un remplacement 30 immédiat du tronçon de tuyauterie instrumenté peut, par exemple, être décidé. - 13 L'étape suivante consiste à comparer la valeur de la section d'acier résiduelle mesurée AS(tj) à un critère d'alarme CA associé à la tenue mécanique. Cette fois, si la valeur mesurée est inférieure au critère d'alarme, un 5 confortement du tronçon de tuyauterie instrumenté peut, par exemple, être mis en place de manière à différer le remplacement. Si la valeur mesurée de la section d'acier résiduelle As(ti) est supérieure au critère limite, la durée de vie 10 résiduelle de la tuyauterie est déterminée à l'aide de l'évolution de la section d'acier résiduelle calculée par l'outil prédictif de la manière suivante, en référence à la figure 5: D(ti) = t(A., = CL) - ti Si la valeur mesurée de la section d'acier résiduelle As(ti) est supérieure au critère d'alarme, la durée d'exploitation avant alarme Da(ti) est déterminée à l'aide de 20 l'évolution de la section d'acier résiduelle calculée par l'outil prédictif de la manière suivante: Da(t =t(A = CA)-ti Lorsque la valeur mesurée de la section d'acier résiduelle As(ti) est supérieure au critère d'alarme, l'action de maintenance consisterait, par exemple, à ne rien faire et la tuyauterie serait laissée en l'état. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui 30 viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour surveiller (monitoring) le comportement d'une 5 tuyauterie contenant un fluide sous pression, cette tuyauterie comportant au moins une zone courante et des zones singulières, caractérisé en ce qu'il comprend: - une surveillance (monitoring) statique d'un nombre prédéterminé de zones singulières et/ou de zones courantes, 10 pour fournir des informations de dilatations circonférentielles, et - un calcul, à partir desdites informations de dilatations circonférentielles, de la rigidité effective K(ti) de la tuyauterie et de sa section d'acier résiduelle mesurée 15 As(ti). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une surveillance (monitoring) dynamique de la tuyauterie, pour fournir des informations de modes et de 20 fréquences propres de vibration de ladite tuyauterie, et en ce que ces informations de modes et de fréquences propres sont aussi exploitées pour calculer la rigidité K(ti) et la section d'acier résiduelle mesurée As(ti) de la tuyauterie. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - un processus de prédiction de l'évolution temporelle A's(t>ti) d'un estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, cette prédiction étant effectuée sur la base 30 d'une modèle de la corrosion et du comportement mécanique de la tuyauterie, - 15 - 2852391 - une comparaison entre la section d'acier résiduelle mesurée (As(ti) et l'estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, et - une actualisation du modèle de corrosion, lorsque la 5 différence entre ladite section d'acier résiduelle mesurée As(ti) et ledit estimateur de section d'acier résiduelle A's(ti) est supérieure à une précision prédéterminée. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 10 processus de prédiction est agencé pour intégrer, dans la phase d'actualisation du modèle de corrosion, une information provenant d'une source externe. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé 15 en ce qu'il comprend en outre une comparaison de la valeur mesurée As(ti) de la section d'acier résiduelle à un critère limite de tenue mécanique (CL), cette comparaison étant suivie: - soit d'une émission d'une information de remplacement 20 immédiat d'un tronçon de ladite tuyauterie correspondant aux zones surveillées, lorsque cette valeur mesurée As(ti) est inférieure audit critère limite de tenue mécanique (CL), - soit d'un calcul d'une durée de vie résiduelle D(ti) de ladite tuyauterie. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une comparaison de la valeur mesurée As(ti) de la section d'acier résiduelle à un critère d'alarme (CA) associée à la tenue mécanique de ladite tuyauterie, cette 30 comparaison étant suivie: - soit d'une émission d'une information de confortement et de remplacement ultérieur d'un tronçon de ladite tuyauterie correspondant aux zones surveillées, lorsque cette - 16 valeur mesurée As(ti) est inférieure audit critère d'alarme (CA), -soit d'un calcul d'une durée d'exploitation avant alarme Da(ti) de ladite tuyauterie. 7. Système pour surveiller (monitoring) le comportement d'une tuyauterie contenant un fluide sous pression, cette tuyauterie comportant au moins une zone courante et des zones singulières, caractérisé en ce qu'il comprend: - un dispositif de surveillance (monitoring) statique d'un nombre prédéterminé de zones singulières et/ou de zones courantes, pour fournir des informations de dilatations circonférentielles, et - des moyens pour calculer, à partir desdites informations de 15 dilatations circonférentielles, la rigidité effective K(ti) de la tuyauterie et sa section d'acier résiduelle mesurée As(ti). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il 20 comprend en outre un dispositif de surveillance (monitoring) dynamique de le tuyauterie, pour fournir des informations de modes et de fréquences propres de vibration de ladite tuyauterie, ces informations de modes et de fréquences propres étant exploitées par les moyens de calcul de la 25 rigidité effective K(ti) et de la section d'acier résiduelle mesurée As(ti). 9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - des moyens pour prédire l'évolution temporelle A's(t>ti) d'un estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, cette prédiction étant effectuée sur la base d'une modèle de la corrosion et du comportement mécanique de la tuyauterie, - 17 - 2852391 - des moyens pour comparer la section d'acier résiduelle mesurée (As(ti) et l'estimateur A's(ti) de la section d'acier résiduelle, et - des moyens pour actualiser le modèle de corrosion, lorsque 5 la différence entre ladite section d'acier résiduelle mesurée As(ti) et ledit estimateur de section d'acier résiduelle A's(ti) est supérieure à une précision prédéterminée. 10. Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé 10 en ce que le dispositif de surveillance (monitoring) statique comprend des moyens pour mesurer des déformations longitudinales d'un tronçon de la tuyauterie et des moyens pour mesurer des déformations circonférentielles dudit tronçon. 11. Système selon la revendication 8 et l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le dispositif de surveillance (monitoring) dynamique comprend des moyens de sismométrie pour mesurer en un nombre prédéterminé de points 20 sur la tuyauterie des vitesses de déplacement. 12. Système selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour prétraiter des données brutes fournies par le dispositif de 25 surveillance (monitoring) statique et/ou dynamique, ces moyens de prétraitement étant agencés pour calculer une déformation moyenne sur une période données et des fréquences propres moyennes en phase d'exploitation.