Brevet FR2983302A1 — publié le 20130531

La présente invention concerne un procédé pour mesurer la résistance au sol d'une structure métallique ou la résistivité du sol, en utilisant une structure métallique enterrée de grande taille, éventuellement sous protection cathodique. En l'absence de branchement électrique, la résistance au sol se mesure traditionnellement par la méthode des 62%. La résistivité du sol (proportionnelle à la résistance à la terre d'un piquet de terre) se mesure quand à elle par exemple avec la méthode Wenner. Ces techniques de mesure exigent de disposer d'un matériel électronique spécifique, de piquets à planter et d'une source de courant transportable. Elles sont donc coûteuses en matériel et en temps de travail physique. De plus, ces méthodes ne peuvent être appliquées en tout lieu 15 -notamment en zone urbanisée-, car il faut disposer d'une étendue de terrain suffisante, sur laquelle planter les piquets nécessaires. Le problème est particulièrement critique pour les transporteurs de liquides ou de gaz par canalisations enterréeS, qui doivent périodiquement s'assurer 20 - de la résistivité du sol le long des canalisations - que la résistance de la mise à la terre des postes de détente, ou équipements de protection contre la corrosion (poste de soutirage, de drainage, etc.)soit inférieure à ce que préconise la norme vigueur. 25 A titre d'exemple non limitatif, dans le domaine du contrôle de la protection cathodique via témoins métalliques des structures métalliques enterrées, à défaut de pouvoir mesurer la résistivité du sol (sol entièrement goudronné, en ville par exemple), on considère, par mesure conservatoire, que celle-ci est faible; et donc que le seuil 30 de polarisation dudit témoin métallique doit être inférieur à -850 mV, selon la norme NF12954. Si en pratique la résistivité du sol (non mesurée) est élevée, le potentiel dit « à courant coupé » ou « Eoff » maximum requis sera inaccessible (trop bas, le témoin ne pouvant se polariser à de telles valeurs). L'exploitant se retrouve donc avec des 35 valeurs officiellement insuffisantes -des canalisations officiellement en danger de corrosion- bien que les experts savent qu'il n'y a probablement aucun souci. Le procédé selon l'invention permet de remédier à ces problèmes. - 2 - Selon le procédé selon l'invention, en se servant d'une canalisation de grande taille comme source de tension, il est possible de déterminer la résistance de la structure métallique enterrée à la terre lointaine, si ladite structure métallique est à proximité de 5 ladite canalisation. La source de tension peut naturellement selon l'invention provenir d'un système lointain de protection cathodique, d'une polarisation naturelle de la canalisation (source de tension trop résistive dans le cas général, mais particulièrement adaptée à des réseaux urbains maillés), voire d'influences (courants vagabonds) en 10 régime continu ou alternatif (fréquences industrielles: 50Hz en Europe). Si ladite structure métallique a fonction de coupon métallique, on déduira de la résistance mesurée ci-dessus, toujours selon le procédé selon l'invention, la résistivité moyenne de la terre, dudit 15 coupon vers la terre dite lointaine, par l'application d'un simple coefficient multiplicateur (dimension d'une distance). Selon l'invention, ce coefficient peut être déterminé par calcul théorique (formule de DWIGHT) ou -cas de structures métalliques aux formes complexes- de façon empirique (par exemple, de façon non limitative et 20 selon l'invention, mesure de la résistivité du sol par la méthode Wenner et de la résistance au sol des dites structures par la méthode des 62%. Le rapport des deux valeurs permet ensuite, selon l'invention, de passer d'une résistance mesurée à une résistivité de sol). Dans la suite du texte, y compris les revendications, et selon 25 l'invention, nous appellerons « canalisation » la structure enterrée de préférence sous protection cathodique et « coupon » la structure dont on veut mesurer la résistance au sol: De façon non limitative, le coupon selon l'invention peut être un témoin métallique de corrosion, une prise de terre électrique, un barreau de graphite, une 30 canalisation tierce a priori bien isolée etc. Dans la suite du texte, y compris les revendications, et selon l'invention, nous appellerons « résistance au sol » la résistance du sol entre le coupon et la terre lointaine. Par extension, en cas de mesure selon l'invention de courants et tensions électriques 35 alternatives, le procédé selon l'invention permettra de mesurer le module de l'impédance au sol du coupon. Dans la suite du texte, l'expression « résistance au sol » pourra s'appliquer audit module de l'impédance au sol du coupon. - 3 - Selon le procédé normal selon l'invention, on commence par mesurer la résistance au sol du coupon, puis la résistivité du sol qui l'entoure. Mais les deux valeurs étant proportionnelles, dans un mode particulier de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut tout aussi bien déterminer d'abord la résistivité, par utilisation systématique d'un coefficient multiplicateur. Cette méthode sera naturellement utilisée dans un appareil de mesure mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, quand il sera destiné à la protection cathodique par exemple. Le procédé selon l'invention est plus efficace dans les conditions selon l'invention suivantes: - la canalisation sous protection cathodique est bien isolée, donc présente certes des défauts, mais petits par rapport au coupon utilisé (en d'autres termes, la canalisation perturbe beaucoup moins le potentiel de terre local que le coupon, quand bien sûr il est relié à la canalisation. L'isolation de la canalisation doit être d'autant meilleure que le sol est résistif). - la canalisation peut être utilisée comme source de tension, même reliée au coupon ci-dessous (sa résistance ou, plus généralement, son impédance à la terre lointaine est négligeable par rapport à la résistance au sol du coupon; à défaut, et en courant continu uniquement, il faut connaître la résistance au sol de la canalisation pour la soustraire à la résistance au sol mesurée. La canalisation reste alors source d'énergie électrique sans être une source de tension). Selon le procédé le plus direct selon l'invention, il n'est pas utile d'avoir une électrode de référence. Pour déterminer la résistance au sol du coupon, il n'est en effet pas nécessaire de mesurer les potentiels de la canalisation et du coupon, mais seulement la différence de potentiel entre la canalisation et le coupon - à courant coupé (canalisation et coupon non électriquement reliés). Une décomposition de la résistance du coupon en deux, par utilisation d'une électrode de référence (résistance à la terre locale puis résistance de la terre locale à la terre lointaine) est tout à fait possible selon l'état de l'art établi par la présente invention, mais utiliser un point intermédiaire (l'électrode) pour mesurer les potentiels de deux structures, puis en déduire la différence de potentiel entre les deux, - 4 - ne peut être considéré comme nouveau et inventif et entre donc dans le cadre du procédé ici enseigné, plus direct et concis. Cependant, selon un procédé particulier selon l'invention, de façon non limitative, mais pour des raisons de répétabilité des mesures, le coupon peut être annulaire, entourant l'électrode de référence. C'est préférentiellement le cas pour des mesures orientées « protection cathodique », car il serait dommage de mesurer la résistivité du sol sans mesurer les potentiels à courant enclenchés et déclenchés du coupon « Eon » et « Eoff » (respectivement relié ou non à la canalisation). Dans ce procédé particulier selon l'invention, une électrode Cu/CuSO4 peut parfaitement être employée, mais toute électrode adaptée à la mesure en protection cathodique est utilisable. Selon l'invention, la référence de la mesure doit préférentiellement être la même lorsqu'on mesure les potentiels de la canalisation et du coupon (même type d'électrode, si possible calibrée, et mieux encore évidemment la même électrode pour les deux mesures). Selon le procédé selon l'invention, on effectue successivement deux mesures selon l'invention. L'ordre dans lequel elles sont exécutées est sans importance, mais elles doivent être rapprochées dans le temps, surtout si le coupon n'est encore pas polarisé (le moindre courant le traversant modifie alors rapidement son potentiel électrochimique, de même que la disparition de ce courant). Selon le procédé selon l'invention, on dispose d'un moyen de relier électriquement la canalisation et le coupon. La liaison est idéalement résistive, de valeur éventuellement nulle (Si le coupon est un petit témoin métallique par exemple). Selon l'invention, toute liaison électrique linéaire ou non pourrait être employée, selon qu'on cherche par exemple à travailler à certaines fréquences (isolation du 50Hz par exemple, pour connaître l'impédance du coupon à cette fréquence). Cependant, selon l'invention, on peut extraire les composantes spectrales qui nous intéressent par analyse spectrale. Dans le cas -préférentiel selon l'invention- où la liaison est purement résistive de valeur Rfl.., les deux mesures sont les suivantes: - On relie électriquement la canalisation au coupon au travers de ladite résistance R11., On mesure alors le courant Ifé,,é passant dans la liaison (sens positif par convention de la canalisation vers le - 5 - coupon). En l'absence de courants vagabonds, cette mesure peut concrètement se faire selon l'invention en court-circuitant les deux structures avec un simple ampèremètre. - On ouvre alors la liaison et on mesure rapidement (idéalement entre 10ms et ls après la coupure, pour laisser le temps à la capacité électrolytique coupon-terre de se décharger, sans toutefois permettre au coupon de se dépolariser) la différence de potentiel courant coupé (circuit « ouvert ») entre la canalisation et le coupon (P7 s -cana ouvertEcouponouverz) - En l'absence de courants vagabonds, cette mesure peut 10 simplement se faire selon l'invention avec un voltmètre, dès que l'ampèremètre est retiré. Le plus simple, selon l'invention, est de laisser un voltmètre branché entre la canalisation et le coupon, et le court-circuiter régulièrement avec un ampèremètre (L'usage d'un synchro-rupteur est 15 cependant préférable selon l'invention en cas de présence de courants vagabonds, l'oeil humain risquant de ne pas être assez rapide Le montage est décrit plus loin). La résistance du coupon par rapport à la terre lointaine est alors: 20 R ( E) D coupon = liaison I- fermé majorée de la résistance au sol de la canalisation Roana, qu'on peut soustraire si on la connait. Dans ce cas, la résistance du coupon sera déterminée par la formule évidente: (E canam- E coupon m) 25 R R coupon= -R cana fermé Bien entendu, et surtout en présence de courants vagabonds, ces deux mesures peuvent se réaliser avec un chronorupteur, du type de ceux qu'on emploie pour mesurer les potentiels « on » et « off » de témoins métalliques. 30 Ces appareils disposent de trois plots: canalisation, témoin métallique et électrode de référence. Dans ce cas, selon le procédé selon l'invention, par exemple et de façon non limitative car des variantes sans avantage technique sont utilisables, on reliera la canalisation à l'entrée « électrode de 35 référence » et -via la résistance R=aison- à l'entrée « canalisation ». - 6 - On reliera aussi le coupon à l'entrée « témoin métallique ». Au signe près, selon l'invention, le chronorupteur nous fournira les deux mesures nécessaires au calcul de Rcoupon: une tension « off » qui est (Ecana ouvert-Ecouponouvert) et un courant I. qui est au signe près /fermé- Bien entendu, toujours selon l'invention, on peut effectuer des mesures intermédiaires utilisant une électrode de référence. Selon le procédé selon l'invention, la résistivité globale du sol (autour du coupon jusqu'à la terre lointaine) est fonction linéaire de ladite résistance : p=1.Rce,'en (1 en mètres) En présence de bruit industriel, l'impédance de la canalisation à la terre à ces fréquences peut-être inférieure à la résistance à la terre de ladite canalisation (exemple: longue canalisation enrobée de Polyéthylène). Selon l'invention, et dans ce cas, on peut décider de remplacer la résistance par un condensateur de forte valeur C (impédance a priori négligeable par rapport à l'impédance au sol du coupon aux fréquences utilisées, et vérification a posteriori, en considérant le module de l'impédance calculée selon le procédé selon l'invention). L'avantage est que les phénomènes observés sont parfois plus stables à 20 50Hz (trains alimentés en courant continu par exemple), et qu'on évite la phase de polarisation du coupon -qui ne se polarise tout simplement pas à 50Hz. Les deux mesures selon l'invention sont alors: - valeur efficace de l'amplitude(module) de la composante à 25 50Hz de la différence de potentiel (Ecana ouvert) - valeur efficace de l'amplitude (module) de la composante à 50Hz de /fermé Elles n'ont alors pas à être très rapprochées, et peuvent être réalisées avec un multimètre capable d'extraire la composante 50Hz (et 30 non la simple composante « alternative » qui englobe de nombreuses fréquences; la notion de « module de l'impédance du coupon au sol » n'aurait alors aucun sens physique). Selon l'invention, le multimètre peut tout aussi bien mesurer des valeurs efficaces que des valeurs crêtes, puisque le procédé prévoit de faire le rapport entre la tension 35 et le courant mesuré. Selon le procédé selon l'invention, le module de l'impédance à 50Hz du coupon par rapport à la terre lointaine est alors: - 7 I(Ec E coupon )1 1Z. 50Hz I= Ilfermé' Ne travaillant pour simplifier que sur des modules d'impédances, on ne pourra soustraire valablement l'impédance du condensateur éventuellement utilisé dans la liaison. On s'assurera donc a posteriori, selon l'invention, que le module d'impédance ainsi calculé est grand devant le module de l'impédance du condensateur utilisé. IZ50Hz "I» 2 Tr- 50 Hz A défaut, il faudra utiliser un condensateur de plus forte valeur ou un simple court-circuit. Selon l'invention, le module de l'impédance du coupon au sol à une fréquence non nulle donnée ne peut valablement donner une résistivité de sol. Les mesures en alternatif selon l'invention se cantonneront à la mesure de l'impédance d'une prise de terre électrique. Selon l'invention: -on utilise une canalisation proche, ou autre structure métallique enterrée de grande taille, éventuellement sous protection cathodique, de résistance à la terre Roana -idéalement négligeable- comme source d'énergie électrique - on utilise une liaison électrique commutable (position ouverte ou fermée) permettant de relier électriquement et temporairement la canalisation au coupon; ladite liaison présentant éventuellement une résistance de valeur RIL'', non nulle en position fermée. - on ferme ladite liaison et on mesure le courant /fermé la traversant (sens positif par convention de la canalisation vers le coupon); - on ouvre ladite liaison et on mesure la différence de potentiel (circuit « ouvert ») entre la canalisation et le coupon ( Ecanaouvert -Ecoupon_ouvert) ;les deux précédentes mesures (à liaison fermée et ouverte) pouvant être réalisées dans n'importe quel ordre; - on détermine alors la résistance du coupon par rapport à la terre lointaine par application de la formule: (E cana 0',,- E coupon R coupon= R liaison R cana fermé - 8 - - on peut aussi utiliser un appareil de mesure de tensions « on » et « off » pour la mesure sur témoins métalliques en protection cathodique. Ces appareils disposant de connecteurs «'canalisation », « témoin métallique » et « électrode de référence », on relie la canalisation à l'entrée « électrode de référence » et -éventuellement via une résistance Rliaison- à l'entrée « canalisation »; on relie aussi le coupon à l'entrée « témoin métallique »; ledit appareil de mesure nous fourni alors une tension « off » qui est Ecanaouvert-Eco uporLouvert et un courant Ion qui est au signe près /fermé; - la résistivité p moyenne du sol du coupon vers la terre lointaine est déterminée par application d'un coefficient multiplicateur 1 tel que p=1.R,,,,,',; ce coefficient pouvant être déterminé par un calcul théorique ou de façon empirique. Les applications industrielles du procédé selon l'invention sont 15 nombreuses, par exemple, et de façon non limitative: - mesure de la résistivité du sol au droit d'un témoin métallique, permettant de déterminer un seuil de polarisation cathodique maximum (Domaine: protection cathodique contre la corrosion) - mesure de la résistance d'une prise de terre (Domaine: 20 installations électriques et sécurité des personnes).