Brevet FR2860067A1 — publié le 20050325

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la rugosité hydraulique de la surface interne d'un tube. Actuellement, le gaz naturel est transporté sous forme comprimée sur de grandes distances par gazoduc. La pression de transport étant de l'ordre de 7 MPa dans le cas d'une conduite à terre, mais pouvant atteindre environ 30 MPa dans le cas d'une conduite en mer. Dans la majorité des cas, le gaz naturel transporté comporte au moins 90 % de méthane. Ce transport est beaucoup plus coûteux que le transport de pétrole par bateau, ce qui limite le développement de l'exploitation du gaz naturel. La réduction des coûts de transport représente donc un enjeu économique essentiel, compte tenu de l'importance des investissements requis. Dans le transport de fluide par circulation dans un tube, par exemple le transport de gaz naturel par gazoduc ou pipe-line, l'état de surface du tube joue un rôle important: la rugosité de la surface interne du tube influence directement les pertes de charge. Il est intéressant de connaître la rugosité hydraulique afin d'optimiser les conditions de circulation du fluide (débit, vitesse de circulation, pression). La rugosité hydraulique de la surface interne d'un gazoduc peut également être un paramètre permettant d'optimiser la position des stations de recompression disposées le long d'un gazoduc neuf ou d'optimiser le repositionnement des stations de recompression disposées le long d'un gazoduc usagé. La mesure de la rugosité hydraulique peut être effectuée sur des portions de gazoduc neuves ou sur des gazoducs usagés dont la surface interne a été modifiée par la corrosion ou le dépôt de paraffines. On connaît de part le document FR 2 778 460 un dispositif qui permet de mesurer des caractéristiques aérodynamiques d'une surface. Cependant, ce 2860067 2 dispositif ne permet pas d'effectuer des mesures à l'intérieur de pipe-lines ou de gazoducs. Ainsi, la présente invention propose un dispositif mobile en translation 5 qui permet la mesure de la rugosité hydraulique de la surface interne d'un tube dont la longueur est très supérieure au diamètre. De manière générale, la présente invention concerne un dispositif pour déterminer la rugosité de la surface interne d'un tube. Le dispositif comporte: un chariot muni de roues reposant sur la surface interne du tube, un premier tambour monté mobile en rotation sur le chariot, et un premier capteur monté sur le chariot, le premier capteur mesurant un paramètre représentatif de la friction d'un fluide situé entre le premier tambour et la surface interne du tube. Le dispositif selon l'invention peut comporter un moyen pour déplacer le chariot dans le tube, par exemple une membrane qui s'oppose à la circulation du fluide dans le tube. Selon l'invention, l'axe du premier tambour peut être sensiblement 20 confondu avec l'axe du tube. Le dispositif selon l'invention peut comporter un deuxième tambour monté mobile en rotation sur le chariot, l'axe du deuxième tambour étant sensiblement confondu avec l'axe du tube, le premier tambour tournant dans un sens opposé au deuxième tambour. Le dispositif selon l'invention peut comporter un deuxième capteur mesurant la vitesse de rotation du premier tambour, un troisième capteur mesurant la pression du fluide contenu dans le tube, et un quatrième capteur mesurant la température du fluide contenu dans le tube. Le premier capteur peut être un couplemètre mesurant le couple de rotation du premier tambour, ou un tube de Pitot mesurant la pression dynamique du fluide situé entre le premier tambour et la surface interne du tube. La présente invention concerne également une méthode d'utilisation du dispositif, pour déterminer la rugosité de la surface interne du tube. La méthode comporte les étapes suivantes: a) on introduit le dispositif dans le tube, b) on actionne en rotation le premier tambour, c) on mesure au moins une valeur d'un paramètre avec le premier capteur, le paramètre étant représentatif de la friction du fluide situé entre le premier tambour et une première portion de la surface interne du tube, ladite première portion faisant face au premier tambour, d) on détermine la rugosité de la première portion de la surface interne du tube en comparant la valeur mesurée à l'étape c) avec un ensemble de valeurs du paramètre préalablement mesurées, chaque valeur dudit ensemble correspondant à une rugosité connue d'une surface. De plus, selon l'invention, on peut déplacer le chariot dans le tube, et 20 on peut déterminer la rugosité d'une deuxième portion de la surface interne du tube en effectuant les étapes c) et d). L'ensemble des valeurs préalablement mesurées peut être obtenu en effectuant les étapes a), b) et c) avec un tube dont la rugosité de la surface interne est connue. Selon l'invention, l'ensemble des valeurs préalablement mesurées peut comporter des relations exprimant le rapport entre les vitesses d'un fluide situé entre le tambour et le tube, les vitesses étant relatives au tambour et au tube, en fonction du nombre de Reynolds, les relations étant établies pour plusieurs surfaces dont la rugosité est connue. Selon l'invention, à l'étape c), on peut mesurer, en outre, la vitesse de rotation du premier tambour, la pression et la température du fluide situé entre le premier tambour et la surface interne du tube, et à l'étape d) on peut déterminer la rugosité de la surface interne du tube en tenant compte de la vitesse, de la pression et de la température mesurées à l'étape c). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après 10 en se référant aux dessins parmi lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une vue longitudinale du dispositif selon l'invention, la figure 2 représente schématiquement une vue transversale du dispositif selon l'invention, - la figure 3 représente schématiquement une vue longitudinale d'une variante du dispositif selon l'invention. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif 1 pour mesurer la rugosité hydraulique de la surface interne du tube 2 comporte un bâti 4 muni des roues 3. En général la surface interne du tube 2 est un cylindre de section circulaire. Le tube 2 sert à transporter un fluide, par exemple du gaz naturel. Les roues 3 permettent de déplacer en translation le dispositif 1 dans la direction de l'axe A-A' du tube 2. Les dimensions des roues 3 et du bâti 4 peuvent être choisies de manière à centrer le bâti 4 dans le tube 2. La membrane 15 solidaire du bâti 4 permet de propulser le dispositif 1 en s'opposant à la circulation du fluide transporté dans le tube 2. Par exemple la membrane est en forme de disque disposé dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe A-A'. Le dispositif 1 peut être déplacé par d'autres moyens. Par-exemple, le dispositif 1 est tracté dans le tube 2 par un câble. Le tambour 5 est monté mobile en rotation sur le bâti 1, le tambour tournant dans un plan perpendiculaire à l'axe A-A'. Le tambour 5 peut avoir la forme d'une surface de révolution, par exemple en forme de cylindre circulaire. Sur la figure 1, le sens de rotation est indiqué par la flèche F1. Les dimensions du bâti 4 et des roues 3 et la position du tambour 5 sur le bâti sont choisies de manière à ce que le tambour puisse tourner autour d'un axe sensiblement confondu avec l'axe A-A' du tube 2. Le moteur 7 installé sur le bâti 4 permet d'actionner le tambour 5 en rotation. Le moteur 7 peut être un moteur électrique alimenté par les batteries 8. La rotation du tambour 5 entraîne par friction le fluide à sa périphérie. Le fluide s'écoule selon le même mouvement que celui du tambour 5, c'est à dire selon un mouvement circulaire indiqué par la flèche F3 sur la figure 2. Cependant le mouvement du fluide est freiné par la paroi fixe du tube 2. La friction du fluide engendre un couple résistant sur l'arbre d'entraînement du tambour 5. La friction et, par conséquent, le couple résistant sont d'autant plus importants que la rugosité de la surface interne du tube 2 est élevée. Ce couple peut être mesuré par le couplernètre 10 monté sur l'arbre d'entraînement du tambour 5. Le couplemètre fournit une mesure moyenne de la rugosité sur toute la circonférence d'une portion du tube 2 en vis à vis du tambour 5. Le profil de vitesse du fluide situé entre le tambour 5 et la paroi du tube 2 dépend également de la rugosité de la surface interne du tube 2. La vitesse du fluide dans l'entrefer e séparant le tambour 5 de la surface interne du tube 2 peut être mesurée par les tubes de Pitot 11. Chaque tube de Pitot est connecté à un capteur de pression différentielle 16 pour la mesure de la pression dynamique. La vitesse du fluide peut également être mesurée par tout autre capteur anémométrique tel qu'un fil chaud. La mesure de la vitesse par un tube de Pitot 11 fournit une mesure locale sur la circonférence du tube 2860067 6 2. On peut disposer plusieurs tubes de Pitot 11, répartis sur toute la circonférence du tambour 5. Ainsi, on peut mesurer localement la rugosité de la surface interne du tube 2 à différentes positions sur la circonférence du tube 2. La variante du dispositif 1 selon l'invention représenté sur la figure 3 concerne la position du tambour 5. Le chariot 4 muni de roues 3 est disposé dans le tube 2. Le tambour 5 est monté mobile en rotation sur le chariot 4, l'axe de rotation du tambour 5 étant perpendiculaire à l'axe AA' du tube 2. Le tambour 5 peut avoir une forme de surface de révolution, par exemple un cylindre circulaire ou une forme de tonneau. Les tubes de Pitot 11 mesurent la pression dynamique du fluide situé dans l'entrefer e séparant le tambour 5 de la surface interne du tube 2. La largeur de l'entrefer e peut être comprise entre 20 mm et 40 mm. Cependant, il est possible de réduire ou d'augmenter cet intervalle. Une valeur plus faible de l'entrefer, par exemple comprise entre 5 mm et 20 mm permet d'augmenter la sensibilité de la mesure, en particulier la mesure effectuée par le couplemètre 10. Une valeur de l'entrefer supérieure à 40' mm limite les risques de contact d'un tube de Pitot 11 avec la surface interne du tube 2. La vitesse de rotation du cylindre est choisie en fonction de la valeur de rugosité que l'on souhaite mesurer. Plus les valeurs de rugosités à mesurer sont faibles, plus il faut réduire l'épaisseur de la couche visqueuse dans la zone proche du tambour tournant 5, donc, plus il faut augmenter la vitesse du fluide à la périphérie du tambour 5, et par conséquent, plus il faut augmenter la vitesse de rotation du tambour 5. Le capteur 13 permet de mesurer la vitesse de rotation du tambour 5. Sur la figure 1, le bâti 4 est également muni des capteurs 12a et 12b qui mesurent la pression et la température du fluide contenu dans le tube 2. L'ensemble des mesures des capteurs 10, 11, 12a, 12b et 13 peut être enregistré par les moyens d'enregistrement 14 montés sur le bâti 4. La pression et la température du fluide permettent de déterminer la densité du fluide et la viscosité du fluide. A partir de la pression dynamique mesurée par les tubes de Pitot 11 et de la densité du fluide, on détermine la vitesse d'écoulement du fluide au niveau du tube de Pitot. Les mesures enregistrées par le moyen 14 peuvent être analysées et traitées après une campagne de mesure, par exemple après que le dispositif 1 ait effectué une série de mesure dans un tronçon de gazoduc. Pour éviter la mise en rotation du bâti, l'inertie du tambour 5 est choisie la plus petite possible par rapport à l'inertie du bâti 4. Par ailleurs, le bâti 1 est agencé de manière à ce que le centre de gravité du dispositif 1 soit le plus bas possible par rapport à l'axe A-A', et que le couple de réaction du tambour 5 soit au moins inférieur à environ la moitié du couple nécessaire à la mise en rotation du bâti 4, c'est à dire inférieur au couple nécessaire pour positionner le centre de gravité du bâti 4 sur un plan horizontal passant par l'axe A-A'. Pour le dispositif représenté par la figure 1, la mise en rotation du tambour 5 peut être facilitée par le passage du fluide au travers du bâti, puis au travers d'ailettes montées à l'intérieur du tambour 5. Sur la figure 1, le dispositif 1 peut comporter un deuxième tambour 6. Dans ce cas, le sens de rotation du tambour 6 indiqué par la flèche F2 est de préférence dans le sens contraire de la rotation du tambour 5 indiqué par la flèche F1. Ainsi le couple de réaction du tambour 5 compense le couple de 2860067 8 réaction du tambour 6. Donc le couple total de l'ensemble est sensiblement nul, et de ce fait on évite la mise en rotation du bâti 4. Chacun des tambours 5 et 6 peut être équipé d'un moteur différent permettant de mesurer le couple résistant sur chaque tambour. Chacun des tambours 5 et 6 peut également être équipé de tubes de Pitot. Avantageusement, la position sur la circonférence des tubes de Pitot du tambour 6 est différente de la position sur la circonférence des tubes de Pitot du tambour 5, afin d'augmenter le nombre de mesures locales. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'équiper le bâti 4 de 10 plusieurs tambours répartis en deux groupes, un groupe de tambours tournant dans le sens opposé à celui des tambours de l'autre groupe. Le dispositif 1 est préalablement calibré comme décrit ci-dessous. Le dispositif 1 est introduit dans un tube 2 dont la rugosité physique 15 de la surface interne a été déterminée. La rugosité physique désigne une valeur numérique ou un ensemble de valeurs numériques exprimant l'état géométrique, c'est à dire des caractéristiques géométriques, d'une surface. Il existe de nombreuses normes définissant la rugosité physique. Par exemple, la norme ISO 4287 définit la rugosité physique par rapport à la ligne moyenne (Ra, Rt, Rz, etc), la norme ISO 12085 définit la rugosité physique par rapport aux motifs (R, Rx, W, Ar, Aw, etc), la norme ISO 13565 définit la rugosité par rapport à la courbe de portance (Rpk, Rvk, Rk, Rmr (c), etc). La rugosité physique peut être déterminée à l'aide d'un appareil de mesure à contact tel qu'un palpeur, ou d'un microscope qui permet de visualiser la surface. De plus, pour calibrer le dispositif, le tube 2 contient un fluide connu, à une température et à une pression connues. On actionne le tambour 5 en rotation, et on effectue des mesures de couple résistant avec le couplemètre 10, ou on effectue des mesures de pression dynamique avec les tubes de Pitot 11. On effectue les mesures pour plusieurs vitesses de rotation du tambour 5, pour plusieurs pressions et températures du fluide et pour plusieurs valeurs de rugosité physique de la surface interne du tube 2. Ainsi, on établit une base de données regroupant plusieurs groupes de valeurs. Chaque groupe de valeurs comporte une valeur du couple résistant ainsi que les valeurs correspondant aux conditions de mesure de ce couple résistant, c'est à dire la rugosité physique de la surface interne du tube 2, la vitesse de rotation du tambour 5, la température du fluide, la pression du fluide et la composition du fluide. Chaque groupe de valeurs peut également comporter une valeur de la pression dynamique ainsi que les valeurs correspondant aux conditions de mesure de cette pression dynamique, c'est à dire la rugosité physique de la surface interne du tube 2, la vitesse de rotation du tambour 5, la température du fluide, la pression du fluide et la composition du fluide. La base de données peut être organisée d'une manière avantageuse. Pour une valeur de rugosité physique de la surface interne du tube, on établit une relation f exprimant un rapport, entre la vitesse U1 du fluide dans l'entrefer e relative à la surface interne du tube 2 et la vitesse U2 du fluide dans l'entrefer e relative au tambour 5, en fonction d'un nombre adimensionnel, par exemple le nombre de Reynolds, dépendant de la vitesse N de rotation du tambour, du diamètre D du tube, de la viscosité absolue du fluide et de la densité p du fluide: U2U1= f (N, D u, p) . La relation peut être établie sous forme de courbes sur un abaque ou sous forme de relations analytiques. Le dispositif selon l'invention permet d'attribuer une rugosité équivalente à une surface dont la rugosité physique n'est pas connue. La rugosité équivalente est établie d'un point de vue hydraulique. En effet, selon la présente invention, on considère l'effet de l'état de la surface, dont la 2860067 10 rugosité physique est inconnue, sur l'écoulement d'un fluide au contact de cette surface. Ensuite, en considérant la base de données préalablement établie, on attribue à cette surface, dont la rugosité physique est inconnue, une valeur de rugosité physique d'une autre surface qui a sensiblement le même effet sur l'écoulement du fluide, cette autre surface ayant servi à établir la base de données. Dans la description de l'invention, cette rugosité équivalente est dénommée rugosité hydraulique. Pour déterminer la rugosité hydraulique d'une surface interne d'un tube avec le dispositif 1 décrit en relation avec les figures 1, 2 et 3, on peut 10 effectuer les étapes suivantes. On dispose le dispositif 1 dans le tube 2, l'axe des tambours 5 et 6 étant sensiblement confondus avec l'axe A-A' du tube 2. On remplit lé tube 2 avec un fluide, par exemple du gaz naturel. On déplace en translation le dispositif 1 selon l'axe A-A' du tube 1. Par exemple, on fait circuler le fluide contenu dans le tube 2 avec un débit déterminé. Ainsi, le dispositif 1 se déplace environ à la vitesse du fluide grâce à la membrane 15. On peut également tracter le dispositif 1 par un câble. On actionne le tambour 5 en rotation. On mesure la pression et la température du fluide contenu dans le tube 20 2. On mesure la vitesse de rotation du tambour 5. On mesure le couple résistant sur l'arbre d'entraînement du tambour 5 et/ou on mesure la pression dynamique du fluide situé entre le tambour 5 et la surface interne du tube 2. On détermine la rugosité hydraulique de la surface interne du tube 2, par exemple en utilisant la valeur du couple résistant mesurée sur l'arbre 25 d'entraînement du tambour 5 et/ou en utilisant la valeur de la pression dynamique donnée par les tubes de Pitot 11. Pour déterminer la rugosité hydraulique, on peut comparer les valeurs mesurées avec les valeurs de la base de données préalablement établie, on sélectionne dans la base de données le groupe de valeurs qui s'accorde au mieux avec les valeurs mesurées, et on attribue la rugosité correspondant au groupe sélectionné au tube 2 ou à la portion du tube 2 en vis à vis avec le tambour 5 lors de la mesure. Dans le cas où la base de données est organisée sous forme de relations entre le rapport des vitesses du fluide relatives au tube 2 et au tambour 5 en fonction du nombre de Reynolds pour des rugosités physiques connues, on peut procéder de la manière suivante. On calcule la viscosité et la densité du fluide à partir des mesures de pression, de température et de la connaissance de la composition du fluide. On calcule le nombre de Reynolds à partir des valeurs de viscosité, de densité, du diamètre du tube et de la vitesse de rotation du tambour 5. A partir du nombre de Reynolds, de la vitesse périphérique du tambour 5 et de la vitesse du fluide obtenu par la mesure de la pression dynamique du fluide effectuée par un tube de Pitot, on détermine la rugosité hydraulique en utilisant les relations préalablement établies donnant le rapport des vitesses du fluide relatives au tube 2 et au tambour 5 en fonction du nombre de Reynolds. D'autres détails pour déterminer la rugosité hydraulique sont donnés dans le document FR 2 778 460. Les mesures peuvent être effectuées de manière discrète, c'est à dire que les mesures sont effectuées lorsque le dispositif 1 est à une ou plusieurs positions déterminées. Ainsi, on détermine la rugosité de la surface interne du tube 2 à un ou plusieurs endroits correspondant à la position du tambour 5 lorsque les mesures ont été effectuées. Par exemple, les positions des mesures dans un tube sont espacées d'un intervalle compris entre 1 m et 100 m. Les mesures peuvent également être effectuées de manière continue sur une longueur du tube 2. Ainsi, on détermine la rugosité de la surface interne sur toute la longueur du tube 2. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour déterminer la rugosité de la surface interne d'un tube 5 (2), le dispositif comportant: - un chariot (4) muni de roues (3) reposant sur la surface interne du tube (2), un premier tambour (5) monté mobile en rotation sur le chariot (4), - un premier capteur (10; 11) monté sur le chariot (4), le premier capteur (10; 11) mesurant un paramètre représentatif de la friction d'un fluide situé entre le premier tambour (5) et la surface interne du tube (2). 2) Dispositif selon la revendication 1, comportant un moyen pour déplacer 15 le chariot dans le tube. 3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le moyen pour déplacer le chariot dans le tube est une membrane (15) qui s'oppose à la circulation du fluide dans le tube. 4) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'axe du premier tambour (5) est sensiblement confondu avec l'axe du tube (2). 5) Dispositif selon la revendication 4, comportant un deuxième tambour (6) monté mobile en rotation sur le chariot (4), l'axe du deuxième tambour (6) étant sensiblement confondu avec l'axe du tube (2), le premier tambour (5) tournant dans un sens opposé au deuxième tambour (6). 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comportant un deuxième capteur (13) mesurant la vitesse de rotation du premier tambour (5), un troisième capteur (12a) mesurant la pression du fluide contenu dans le tube (2), et un quatrième capteur (12b) mesurant la température du fluide contenu dans le tube (2). 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier capteur (10) est un couplemètre mesurant le couple de rotation du premier tambour (5). 8) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le premier capteur (11) est un tube de Pitot mesurant la pression dynamique du fluide situé entre le premier tambour (5) et la surface interne du tube (2). 9) Méthode d'utilisation du dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, pour déterminer la rugosité de la surface interne du tube (2), la méthode comportant les étapes suivantes: a) on introduit le dispositif dans le tube (2), b) on actionne en rotation le premier tambour (5), c) on mesure au moins une valeur d'un paramètre avec le premier capteur (10; 11), le paramètre étant représentatif de la friction du fluide situé entre le premier tambour (5) et une première portion de la surface interne du tube (2), ladite première portion faisant face au premier tambour (5), d) on détermine la rugosité de la première portion de la surface interne du tube (2) en comparant la valeur mesurée à l'étape c) avec un ensemble de valeurs du paramètre préalablement mesurées, chaque valeur dudit ensemble correspondant à une rugosité connue d'une surface. 10) Méthode selon la revendication 9, dans laquelle on déplace le chariot (4) dans le tube (2), et on détermine la rugosité d'une deuxième portion de la surface interne du tube (2) en effectuant les étapes c) et d). 11) Méthode selon l'une des revendications 9 et 10, dans laquelle l'ensemble des valeurs préalablement mesurées est obtenu en effectuant les étapes a), b) et c) avec un tube dont la rugosité de la surface interne est connue. - 12) Méthode selon l'une des revendications 9 à 11, dans laquelle l'ensemble des valeurs préalablement mesurées comporte des relations exprimant le rapport entre les vitesses d'un fluide situé entre le tambour et le tube, les vitesses étant relatives au tambour et au tube, en fonction du nombre de Reynolds, les relations étant établies pour plusieurs surfaces dont la rugosité est connue. 13) Méthode selon l'une des revendications. 9 à 12, dans laquelle à l'étape c) on mesure, en outre, la vitesse de rotation du premier tambour, la pression et la température du fluide situé entre le premier tambour (5) et la surface interne du tube (2), et dans laquelle à l'étape d) on détermine la rugosité de la surface interne du tube (2) en tenant compte de la vitesse, de la pression et de la température mesurées à l'étape c).