Brevet FR2971055A1 — publié le 20120803

Dispositif de détection de fuites thermiques d'une structure, et procédé de détection de fuites thermiques d'une structure. La présente invention est relative à un dispositif et procédé de détection de fuites thermiques d'une structure, telle qu'une conduite pour le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure. De telles structures de conduites sont maintenant couramment utilisées dans des environnements très froids, à terre comme en mer, et parfois en mer à de très grandes profondeurs. Dans ces conditions le fluide peut soit se congeler, soit se coaguler, soit présenter la formation de paraffine. Ces transformations du fluide peuvent générer des bouchons et entraver le transport du fluide dans la conduite. Ces conduites sont également parfois isolées avec une couche d'isolant thermique placé autour du tube de la conduite (à l'extérieur) ou entre un tube interne et un tube externe. Cependant ces conduites vieillissent et peuvent subir divers accidents pouvant endommager l'isolation thermique. La conduite présente alors localement des fuites thermiques qui favorisent les problèmes susmentionnés pour le fluide. Le document US-4 486 103 décrit un dispositif pour inspecter la performance d'isolation thermique d'une couche isolante autour d'un tube de pipeline. Ce dispositif comprend un thermomètre sans contact, du type infrarouge. Il est utilisé en laboratoire. Cependant ce principe de mesure thermique est très difficile à mettre en oeuvre dans divers environnements, notamment sur un site d'utilisation de la conduite, et notamment par grande profondeur en mer. De plus, l'eau de mer absorbe beaucoup les basses fréquences correspondant à l'infrarouge, et ce procédé ne fonctionne pas dans cet 2 environnement. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de détection de fuites thermiques de telles structures. Ce dispositif doit pouvoir fonctionner de manière fiable, sur le site d'utilisation, et dans tous les environnements ou milieux extérieurs. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de détection de fuites thermiques d'une structure, telle qu'une conduite pour le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure, ledit dispositif comprenant . - un moyen de projection d'un motif lumineux sur une zone de la structure, - un moyen d'acquisition adapté pour prendre au moins une image dudit motif projeté sur ladite zone, des changements entre l'image acquise et une image de référence de la même zone permettant de détecter une fuite thermique dans ladite zone. Grâce à ces dispositions, le motif lumineux comprend des ondes lumineuses peu absorbées par le milieu, et la détection est performante quel que soit l'environnement. En outre, ce dispositif permet de contrôler des structures ou conduites déjà en cours d'utilisation, à distance et sans modification. Dans divers modes de réalisation du dispositif selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - le moyen de projection comprend un laser ; - le laser émet une onde monochromatique de longueur d'onde inférieure à 600 nm, et de préférence inférieure à 520 nm ; - le motif lumineux s'étend selon deux dimensions et la zone est une surface à deux dimensions de la structure ; - le motif lumineux est choisi parmi une matrice de point, un quadrillage, une pluralité de cercles 3 concentriques, un motif tacheté ; - il comprend en outre un moyen de transmission radio des images ; - il comprend en outre des moyens de déplacement 5 adaptés pour déplacer de manière autonome le dispositif par rapport à ladite structure ; - il comprend en outre un capteur de température de l'environnement, et éventuellement un capteur de position pour déterminer la position du dispositif par rapport à la 10 structure ; - il comprend en outre un moyen de traitement de l'image pour déterminer de manière autonome s'il y a une fuite thermique dans la zone ; - le motif lumineux est une grille de boucles 15 fermées tel que des carrés, et le moyen de traitement calcule la surface de chaque boucle de l'image ; - le moyen d'acquisition est adapté pour prendre une pluralité d'images successives au cours du temps de la même zone ; 20 - le moyen de traitement effectue un calcul d'intercorrélation entre au moins deux des images de la pluralité pour déterminer des paramètres de mouvement ; - le moyen de traitement effectue en outre un calcul de rotationnel des paramètres de mouvement pour 25 éliminer une composante de mouvement d'ensemble dans lesdits paramètres de mouvement. L'invention se rapporte également à un procédé de détection de fuites thermiques d'une structure, telle 30 qu'une conduite pour le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure. Ce procédé comprend les étapes successives suivantes . - une étape de projection d'un motif lumineux sur 35 une zone de la structure, - une étape d'acquisition au cours de laquelle on 4 prend au moins une image dudit motif projeté sur ladite zone, et - une étape de traitement pour détecter des changements entre l'image acquise et une image de référence de la même zone pour détecter une fuite thermique dans ladite zone. Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le motif lumineux est projeté par un laser ; - le motif lumineux s'étend selon deux dimensions et la zone est une surface à deux dimensions de la structure ; - le motif lumineux est choisi parmi une matrice de 15 point, un quadrillage, une pluralité de cercles concentriques, un motif tacheté ; - il comprend en outre une étape de transmission radio.de l'image ; - le motif lumineux est une grille de boucles 20 fermées tel que des carrés, et dans l'étape de traitement on calcule la surface de chaque boucle dans l'image ; - au cours de l'étape d'acquisition on prend une pluralité d'images successives au cours du temps de la même zone ; 25 - l'étape de traitement comprend un calcul d'intercorrélation entre au moins deux des images de la pluralité pour déterminer des paramètres de mouvement ; - l'étape de traitement comprend en outre un calcul de rotationnel des paramètres de mouvement pour éliminer 30 une composante de mouvement d'ensemble dans lesdits paramètres de mouvement ; - il comprend en outre une étape initiale de balayage de la zone avec un motif d'acquisition pour déterminer un modèle géométrique de la zone, et dans lequel 35 l'étape de traitement calcule l'image de référence à partir du modèle géométrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre 5 d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue schématique de l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour le contrôle et la détection de fuites thermiques d'un pipeline, - la figure 2 est un schéma représentant le dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue agrandie d'une structure pour laquelle le dispositif des figures précédentes permet 15 de détecter des fuites thermiques, et - les figures 4a et 4b représentent une première image obtenue avec le dispositif de la figure 2 pour laquelle il n'y a pas de fuite thermique, et une deuxième image obtenue avec le dispositif de la figure 2 pour 20 laquelle il y a une fuite thermique. La figure 1 montre une utilisation d'un dispositif 10 de détection de fuites thermiques pour une structure 1 isolée thermiquement. La structure 1 est une conduite pour 25 le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure. Par exemple, la conduite 1 est un pipeline situé à grande profondeur et proche d'un fond 2 de la mer 6. Il existe des milliers de kilomètres de conduites de ce type, comportant une couche d'isolation thermique externe ou une 30 couche d'isolation thermique entre un tube interne de transport du fluide d'hydrocarbure et un tube externe. Le fluide transporté est à une température supérieure à celle du milieu environnant, l'eau de mer, pour éviter les problèmes de formation de paraffine ou de congélation cités 35 plus haut. Ces conduites 1 nécessitent des contrôles réguliers. 6 Le dispositif 10 est embarqué sur un robot sous-marin motorisé, tel qu'un ROV (pour « remotely operated vehicle » en anglais) qui comprend un moyen de déplacement 17 pour manoeuvrer au fond de la mer 2 et suivre le profil de la conduite 1 pour en examiner toute la longueur. Il est alors par exemple relié par un moyen de transmission 5 à un bateau 4 de commande situé à la surface 3 de la mer 6, à partir duquel celui-ci peut être commandé. La conduite 1 présente un défaut 1a dans son 10 isolation thermique, de sorte que le milieu marin est perturbé localement autour de ce défaut. La figure 3 représente une vue agrandie avec une visualisation schématique de ces perturbations locales 6a autour du défaut 1a. 15 Le changement de température à proximité du défaut 1a, son élévation en température fait diminuer la caractéristique physique de densité (masse volumique) d'un volume d'eau de mer ou couche du milieu marin en contact avec la conduite à proximité du défaut. Cette modification 20 de densité dudit volume provoque son ascension vers la surface 3. Le mélange de ce volume réchauffé avec des couches supérieures du milieu à une température inférieure provoque alors des mouvements complexes de convection et de brassage, formant des volutes d'un mélange de couches avec 25 des densités différentes. Les lignes 6b de la figure 3 sont des courbes de niveau représentant dans un plan de coupe vertical ces variations de densité à proximité du défaut 1a, ledit défaut 1a étant représenté ici par un manque d'isolant thermique 1b autour d'un tube interne 1c 30 de la conduite 1. D'autre part, ces variations du milieu à proximité du défaut 1a ne sont pas stationnaires, et ces mouvements complexes de convection sont au cours du temps en perpétuelle évolution. 35 De plus, la diminution et variation de densité de volumes du milieu marin proche du défaut s'accompagne 7 également de la variation et évolution temporelle de l'indice de réfraction de ces volumes du milieu marin. Ce phénomène physique existe pour tout fluide, liquide ou gazeux. La présente invention utilise ces phénomènes physiques pour détecter la présence d'une fuite thermique de la structure. En effet, un rayon lumineux incident 8 traversant ces couches de densité et d'indice de réfraction différentes sera dévié de multiples fois avant d'atteindre la structure 1. Le rayon réfléchi 9 sera également dévié de multiples fois. Il faut noter que même si la surface externe de la structure 1 n'est pas déformée, comme cela peut être le cas notamment dans le cas d'une conduite à tube externe rigide, les rayons incidents 8 et réfléchis 9 seront déviés tout de même dans leur trajectoire aller et retour par les phénomènes physiques cités ci-dessus. Le dispositif 10 de l'invention est plus précisément illustré en figure 2. Il comprend : - un moyen de projection 11 d'un motif 7 lumineux sur une zone de la structure 1, - un moyen d'acquisition 14 adapté pour prendre au moins une image dudit motif 7 projeté sur ladite zone, des changements entre l'image acquise et une image de référence de la même zone permettant de détecter une fuite thermique dans ladite zone. Les moyens de projection 11 et d'acquisition 14 comprennent éventuellement chacun un dispositif optique 12, 13 de focalisation optique. Le moyen de projection comprend par exemple un laser pour émettre un rayon incident 8 et des miroirs motorisés pour produire le motif sur la structure ou conduite 1. Le laser émet une onde monochromatique de longueur d'onde inférieure à 600 nm, c'est-à-dire de couleur verte, pour éviter l'absorption trop important dans les grandes 8 longueurs d'onde de l'infrarouge par le milieu. Eventuellement, la longueur d'onde du laser est inférieure à 520 nm, de couleur bleu pour éviter encore plus l'absorption par le milieu. Alternativement, le moyen de projection peut être un projecteur optique, qui projette une image correspondant au motif désiré. Le motif lumineux 7 projeté sur la conduite 1 peut être une matrice de point, un quadrillage, une pluralité de 10 cercles concentriques ou un motif tacheté. Ce motif 7 s'étend avantageusement sur une surface à deux dimensions. Les changements dans les images sont ainsi mieux détectés. Le moyen d'acquisition 14 est par exemple une 15 caméra optique, comprenant par exemple une matrice CCD de grande résolution. Cette caméra est apte à prendre des images ou film avec une cadence variable entre 1/25 seconde et 1 seconde. Le dispositif 10 peut comprendre des moyens de 20 déplacement, tel qu'un ROV, pour se déplacer le long de la conduite 1. Le dispositif peut ainsi être autonome. Le dispositif 10 peut comprendre divers capteurs, comme un capteur de température pour mesurer la température de l'eau de mer dans l'environnement, ou un capteur de 25 position 18 pour déterminer sa position par rapport à la conduite ou structure 1. Grâce à ce capteur de position, le dispositif 10 peut non seulement suivre cette structure mais également se positionner, la mesurer et éventuellement calculer un modèle mathématique de l'environnement pour 30 calculer l'image de référence. Le capteur de position 18 peut être un système acoustique, radar ou autre, adapté pour émettre une onde 18a vers la structure 1. Le dispositif 10 comprend des moyens de 35 transmission 5 des images vers le bateau 4. Ces moyens de transmission 5 peuvent être par câble tel que représenté 9 sur les figures, ou par ondes radio pour que le dispositif soit autonome. Ainsi, le traitement de ces images peut être effectué en surface, par un opérateur qui observe 5 directement les images. En variante, les images subissent un traitement pour améliorer la lecture des images par l'opérateur. En variante, le dispositif 10 comprend un moyen de traitement 15 de ou des images pour directement déterminer 10 de manière autonome s'il y a une fuite thermique dans la zone observée. Le fonctionnement du dispositif 10 va maintenant être explicité. Le dispositif 10 met en oeuvre le procédé comprenant 15 les étapes successives suivantes. Dans une première étape de projection, le moyen de projection 11 émet un motif 7 lumineux sur une zone de la structure 1. Le ou les rayons incidents 8 traversent des couches du milieu environnant, puis sont réfléchis en 20 rayons réfléchis 9 vers un moyen d'acquisition ou camera optique 14. Les rayons incidents et réfléchis 8, 9 sont déviés par les variations de densité et d'indice de réfraction dans les couches du milieu, et le motif 7 est déformé entre l'émission par le moyen de projection 11 et 25 la réception par le moyen d'acquisition 14. Dans une deuxième étape d'acquisition, le moyen d'acquisition prend au moins une image du motif 7 reçu. Dans une troisième étape de traitement, on détecte des changements entre l'image acquise dans la deuxième 30 étape et une image de référence de la même zone pour détecter une fuite thermique dans ladite zone. Le motif 7 est une image structurée telle que cela est utilisé dans des procédés d'analyse en 3 dimensions (3D) d'une structure. Cependant, pour ces procédés l'image 35 structurée est déplacée par balayage sur la structure pour déterminer les positions 3D de points de l'image. Dans le 10 cas, présent le motif 7 n'est pas déplacé et un modèle d'image de référence est prédéterminé ou des images temporellement successives sont utilisées. Pendant la deuxième étape d'acquisition, une pluralité d'images successives au cours du temps de la même zone peuvent être prises. Une image précédente peut alors être considérée comme l'image de référence pour l'étape de traitement. En outre, la variation temporelle des images peut être considérée. Grâce à cette disposition et la caractéristique non stationnaire des perturbations thermiques en présence de fuite thermique, une fuite peut être détectée. La troisième étape de traitement peut être mise en oeuvre par un opérateur qui observe les images et détecte les changements dans le motif 7 reçu. Eventuellement, l'image subit un traitement pour accentuer la perception du motif ou pour focaliser son attention sur certaines portions de l'image. Par exemple, si le motif 7 est une grille constituée de boucles fermées, tel que des carrés ou rectangles réguliers, le traitement calcule la surface de chaque boucle dans l'image. Une image reçue avec un motif 7 également régulier signifie qu'il n'y a pas de fuite thermique dans la zone. Additionnellement, la variation des surfaces des boucles par rapport à deux dimensions et/ou la variation des surfaces des boucles dans le temps est calculée. Ces variations permettent d'identifier des changements pouvant être représentatifs d'une fuite thermique. En variante, le moyen de traitement 15 du dispositif détermine de manière autonome s'il y a une fuite thermique dans la zone observée. Ce moyen de traitement 15 exécute les étapes additionnelles suivantes. 11 - un calcul d'intercorrélation entre au moins deux images pour déterminer des paramètres de mouvement. Ces images peuvent être l'image acquise et une image de référence, ou deux images successives temporellement. Les paramètres de mouvement sont des déplacements, des vitesses, ou des accélérations dans l'image. - un calcul de rotationnel des paramètres de mouvement pour éliminer une composante de mouvement d'ensemble dans lesdits paramètres de mouvement. Grâce à cette disposition, il est possible de supprimer des composantes de mouvement correspondant par exemple à un courant marin transversal par rapport à l'image. Eventuellement, on réalise une étape initiale de balayage de la zone avec un motif d'acquisition pour déterminer un modèle géométrique 3D de la zone. Le motif d'acquisition peut être identique ou différent du motif 7 d'analyse de fuites thermiques. Ensuite, le moyen de traitement 15 calcule l'image de référence à partir du modèle géométrique 3D et de la position du dispositif par rapport à la structure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif 10 est monté sur un véhicule roulant. Dans le cas d'application du contrôle de conduites d'hydrocarbures, le véhicule roule éventuellement sur ladite conduite. Il est ainsi précisément positionné par rapport à celle-ci et l'utilise comme guide pour se déplacer. Selon une autre application de l'invention, le dispositif 10 est utilisé pour contrôler l'isolation thermique de conduites d'hydrocarbure à terre. Le milieu est alors l'air ambiant. Des pipelines situés en grand nord transportent des hydrocarbures à une température supérieure à l'air ambiant. Ces conduites sont isolées thermiquement et toute perte d'isolation thermique peut provoquer des accidents. Un contrôle régulier et rapide de l'isolation thermique de ces systèmes est alors impératif. Le 12 dispositif et procédé selon l'invention, permet de réaliser ces contrôles sur site.5 REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de fuites thermiques d'une structure (1), telle qu'une conduite pour le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure, ledit dispositif (10) comprenant . - un moyen de projection (11) d'un motif (7) lumineux sur une zone de la structure, - un moyen d'acquisition (14) adapté pour prendre au moins une image dudit motif (7) projeté sur ladite zone, des changements entre l'image acquise et une image de référence de la même zone permettant de détecter une fuite thermique dans ladite zone. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyen de projection (11) comprend un laser. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le laser émet une onde monochromatique de longueur d'onde 20 inférieure à 600 nm, et de préférence inférieure à 520 nm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif (7) lumineux s'étend selon deux dimensions et la zone est une 25 surface à deux dimensions de la structure (1). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif (7) lumineux est choisi parmi une matrice de point, un 30 quadrillage, une pluralité de cercles concentriques, un motif tacheté. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un moyen de 35 transmission (5) radio des images. 14 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre des moyens de déplacement (17) adaptés pour déplacer de manière autonome ledit dispositif (10) par rapport à ladite structure (1). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre un capteur de température de l'environnement, et éventuellement un capteur de position (18) pour déterminer la position du dispositif (10) par rapport à la structure (1). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant en outre un moyen de traitement (15) de l'image pour déterminer de manière autonome s'il y a une fuite thermique dans la zone. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le motif (7) lumineux est une grille de boucles fermées tel que des carrés, et le moyen de traitement calcule la surface de chaque boucle de l'image. 11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le moyen d'acquisition (14) est adapté pour prendre une pluralité d'images successives au cours du temps de la même zone. 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le moyen de traitement (15) effectue un calcul d'intercorrélation entre au moins deux des images de la pluralité pour déterminer des paramètres de mouvement. 13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel le moyen de traitement (15) effectue en outre un calcul de rotationnel des paramètres de mouvement pour éliminer une composante de mouvement d'ensemble dans lesdits paramètres de mouvement. 15 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, dans lequel le moyen de projection (11) effectue un balayage de la zone avec un motif d'acquisition pour déterminer un modèle géométrique de la zone, et dans lequel le moyen de traitement (15) calcule l'image de référence à partir du modèle géométrique. 15. Procédé de détection de fuites thermiques d'une structure, telle qu'une conduite pour le transport d'un fluide comprenant un hydrocarbure, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes : - une étape de projection d'un motif (7) lumineux sur une zone de la structure (1), - une étape d'acquisition au cours de laquelle on 15 prend au moins une image dudit motif projeté sur ladite zone, et - une étape de traitement pour détecter des changements entre l'image acquise et une image de référence de la même zone pour détecter une fuite thermique dans 20 ladite zone. 16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel le motif (7) lumineux est projeté par un laser. 25 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 et 16, dans lequel le motif (7) lumineux s'étend selon deux dimensions et la zone est une surface à deux dimensions de la structure (1). 30 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, dans lequel le motif (7) lumineux est choisi parmi une matrice de point, un quadrillage, une pluralité de cercles concentriques, un motif tacheté. 16 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, comprenant en outre une étape de transmission radio de l'image. 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 19, dans lequel le motif (7) lumineux est une grille de boucles fermées tel que des carrés, et dans l'étape de traitement on calcule la surface de chaque boucle dans l'image. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au cours de l'étape d'acquisition on prend une pluralité d'images successives au cours du temps de la même zone. 22. Procédé selon la revendication 21, dans lequel l'étape de traitement comprend un calcul d'intercorrélation entre au moins deux des images de la pluralité pour déterminer des paramètres de mouvement. 20 23. Procédé selon la revendication 22, dans lequel l'étape de traitement comprend en outre un calcul de rotationnel des paramètres de mouvement pour éliminer une composante de mouvement d'ensemble dans lesdits paramètres 25 de mouvement. 24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 23, comprenant en outre une étape initiale de balayage de la zone avec un motif d'acquisition pour déterminer un 30 modèle géométrique de la zone, et dans lequel l'étape de traitement calcule l'image de référence à partir du modèle géométrique.15