DENSIMETRE A RAYONNEMENT A TUBE COMPOSITE INTEGRE
ET APPLICATIONS NOTAMMENT AUX FLUIDES DU SECTEUR PETROLIER
La présente invention se rapporte à la mesure non-intrusive
de densité d'un fluide circulant dans un conduit. Une
technique utilisée fréquemment consiste à mesurer
l'absorption, par le dit fluide, d'un rayonnement de photons
émis par une source placée diamétralement opposée par rapport
au détecteur. L'absorption du rayonnement est reliée à la
densité du fluide par une loi de type exponentiel. Après
calibration de l'appareil, le signal recueilli par le
détecteur peut être directement converti en densité.RADIATION DENSIMETER WITH INTEGRATED COMPOSITE TUBE
AND APPLICATIONS IN PARTICULAR TO FLUIDS IN THE OIL SECTOR
The present invention relates to non-intrusive measurement
density of a fluid flowing in a conduit. A
frequently used technique is to measure
absorption, by said fluid, of photon radiation
emitted by a source placed diametrically opposite to
to the detector. The absorption of radiation is related to the
density of the fluid by an exponential type law. After
device calibration, the signal collected by the
detector can be directly converted into density.
L'utilisation de cette technique en milieu industriel et
pétrolier, en particulier dans des conditions de pression
élevée, impose que le dispositif soit installé sur des
conduits, généralement métalliques, de relativement forte
épaisseur, ce qui résulte en l'absorption importante, par ce
conduit, du rayonnement émis par la source; compte tenu de
cette absorption supplémentaire, le niveau de rayonnement
imposé par la sensibilité du détecteur nécessite d'utiliser
des sources de photons de forte activité, ce qui d'une part
complique considérablement la législation et les démarches
administratives requises pour l'utilisation des sources
radioactives, et d'autre part impose la mise en oeuvre d'un blindage de protection lourd et volumineux. La présente invention utilise, intégré dans le dispositif classique de mesure de densité, un conduit constitué d'un matériau composite.Un tel matériau présente en effet un degré d'absorption aux rayonnements considérés nettement plus faible que les aciers et plus généralement-les métaux, ce qui permet de considérablement réduire l'activité de la source de rayonnement, pour un signal de détection identique, et, par conséquent, le blindage de protection autour de la source, donc le poids et l'encombrement de l'ensemble. En outre, les matériaux composites possèdent des propriétés mécaniques et chimiques comparables ou supérieures à celles des métaux, ce qui permet l'utilisation de cette technique dans un grand nombre d'applications industrielles et des environnements hostiles. Les propriétés ci-dessus des matériaux composites sont connues depuis environ dix ans.Il n'était cependant pas apparu possible d'utiliser ces matériaux dans le domaine des appareils à très haute pression utilisant une source de rayonnement permanent. L'expérimentation a montré que, en fait, l'emploi de ces matériaux était compatible avec l'application envisagée.The use of this technique in an industrial environment and
tanker, especially under pressure conditions
high, requires that the device be installed on
conduits, generally metallic, of relatively strong
thickness, which results in significant absorption, by this
conduit, radiation emitted by the source; considering
this additional absorption, the level of radiation
imposed by the sensitivity of the detector requires to use
sources of high activity photons, which on the one hand
considerably complicates legislation and procedures
administrative requirements for the use of sources
radioactive, and on the other hand requires the implementation of heavy and bulky protective shielding. The present invention uses, integrated into the conventional density measurement device, a conduit made of a composite material. Such a material in fact exhibits a degree of absorption to radiation considered considerably lower than steels and more generally metals. , which makes it possible to considerably reduce the activity of the radiation source, for an identical detection signal, and, consequently, the protective shielding around the source, therefore the weight and the bulk of the assembly. In addition, composite materials have mechanical and chemical properties comparable or superior to those of metals, which allows the use of this technique in a large number of industrial applications and hostile environments. The above properties of composite materials have been known for about ten years, however it has not appeared possible to use these materials in the field of very high pressure devices using a permanent radiation source. Experimentation has shown that, in fact, the use of these materials is compatible with the intended application.
La figure 1 représente, dans un plan perpendiculaire au conduit, la vue en coupe d'un dispositif expérimental à rayons gamma.Figure 1 shows, in a plane perpendicular to the conduit, the sectional view of an experimental gamma ray device.
La figure 2 représente la vue en coupe longitudinale de ce dispositif. Figure 2 shows the longitudinal sectional view of this device.
Les mêmes références numériques désignent les mêmes organes sur les différentes figures.The same reference numerals designate the same members in the different figures.
Sur les figures 1 et 2, l'élément 1 représente le conduit en matériau composite; pour respecter les normes liées à l'utilisation de hautes pressions, celui-ci est intégral, c'est-à-dire qu'il ne doit pas être usiné. Son diamètre, sa longueur et l'épaisseur de paroi sont définies en fonction des conditions d'utilisation du densimètre. A l'intérieur du conduit circule le fluide 7 dont on veut mesurer la densité.In FIGS. 1 and 2, the element 1 represents the conduit made of composite material; to comply with standards related to the use of high pressures, it is integral, that is to say it must not be machined. Its diameter, length and wall thickness are defined according to the conditions of use of the hydrometer. Inside the duct circulates the fluid 7 whose density is to be measured.
Selon les applications, et notamment en fonction des fluides pompés, il pourra être nécessaire de revêtir l'intérieur du tube composite d'une couche de protection 10, notamment contre les acides. De façon à garder de bonnes propriétés anti-abrasion, en particulier pour les applications aux laitiers de ciment, celle-ci devra être d'un matériau du type polyuréthane ou polytétrafluoréthylène, ou produit analogue.Depending on the applications, and in particular depending on the fluids pumped, it may be necessary to coat the interior of the composite tube with a protective layer 10, in particular against acids. In order to keep good abrasion-resistant properties, in particular for cement slag applications, this must be of a material of the polyurethane or polytetrafluoroethylene type, or similar product.
L'élément 8 représente le support de la source de photons, qui, dans cet exemple de réalisation de l'invention, est une source chimique radioactive. Cet élément est constitué de plomb contenu dans un support mécaniquement solide et solidaire du blindage 2 qui enserre le conduit 1. Le plomb est destiné à absorber le rayonnement émis par la source 3 dans les directions autres que celles définies par la fenêtre de collimation 6, et par conséquent à limiter la dose de rayonnement fugitif autour de l'appareil aux valeurs définies par les normes de radioprotection. Dans cet exemple, la source 3 est un radioisotope dont la nature et l'activité
sont définies en fonction de l'utilisation du densimètre (dimensions du conduit, type de détecteur, nature des fluides circulant dans le conduit). Suivant les cas, un système d'occultage de la source peut être considéré.L'élément 2 représente le blindage enserrant le conduit composite. Ce blindage est constitué d'un matériau absorbant fortement les photons de forte énergie (100 à 1000 KeV), tel que de l'acier, du plomb, du tungstène, du tantale, ou une combinaison de ces matériaux. Il est destiné à atténuer les photons qui, à la suite d'une interaction avec un atome du fluide ou du conduit, sont diffusés dans une direction différente de leur direction initiale. L'épaisseur de ce blindage est fonction du matériau dont il est constitué, de l'activité de la source, des dimensions du dispositif, et doit être définie en prenant en considération les normes établies par les organismes de radioprotection. Un blindage, représenté par l'élément 9, et constitué des mêmes matériaux ou de leur combinaison, enserre également le détecteur 4.Les deux éléments 2 et 9 peuvent représenter une pièce unique ou deux pièces distinctes reliées mécaniquement pour former un ensemble solidaire et indissociable (par exemple par soudure). L'élément 9 sert également de support au détecteur 4. L'élément 4, non représenté, est un détecteur classique de rayonnement, du type à ionisation (chambre d'ionisation, compteur proportionnel, compteur Geiger-Mueller), à scintillation ou à semi-conducteur. Le choix du détecteur dépend des conditions d'utilisation du densimètre. Le détecteur comporte l'électronique requise pour son fonctionnement. Les éléments 6 et 5 représentent respectivement les fenêtres de collimation pour la source et le détecteur. La collimation de la source 6 est définie par une ouverture dans le support 8 et dans le cylindre de blindage 2.La géométrie est adaptée aux dimensions des différents éléments du densimètre et fonction du degré de collimation souhaité. Du côté détecteur, la fenêtre de collimation 5 consiste également en une ouverture rectangulaire dans le cylindre de blindage 2; la largeur, visualisée sur la figure 1, et la longueur, visualisée sur la figure 2, de cette fenêtre dépendent de l'angle du faisceau de rayonnement défini par la collimation 6 de la source, de la taille du détecteur et des dimensions du conduit. Sur les figures 1 et 2 sont représentés les limites angulaires du faisceau de photons utiles émis par la source, ainsi que le parcours possible de quelques photons (symbolisés par des flèches ondulées) dans les différents cas envisagés.Element 8 represents the support of the photon source, which, in this exemplary embodiment of the invention, is a radioactive chemical source. This element consists of lead contained in a mechanically solid support and integral with the shield 2 which encloses the conduit 1. The lead is intended to absorb the radiation emitted by the source 3 in directions other than those defined by the collimation window 6, and therefore to limit the dose of fugitive radiation around the device to the values defined by the radiation protection standards. In this example, source 3 is a radioisotope whose nature and activity
are defined according to the use of the hydrometer (dimensions of the conduit, type of detector, nature of the fluids circulating in the conduit). Depending on the case, a source occultation system can be considered. Element 2 represents the shielding enclosing the composite conduit. This shielding is made of a material strongly absorbing high energy photons (100 to 1000 KeV), such as steel, lead, tungsten, tantalum, or a combination of these materials. It is intended to attenuate the photons which, following an interaction with an atom of the fluid or the conduit, are diffused in a direction different from their initial direction. The thickness of this shielding depends on the material of which it is made, the activity of the source, the dimensions of the device, and must be defined taking into account the standards established by the radiation protection organizations. A shield, represented by element 9, and made of the same materials or their combination, also encloses the detector 4. The two elements 2 and 9 can represent a single part or two separate parts mechanically connected to form an integral and inseparable whole (for example by welding). Element 9 also serves as a support for detector 4. Element 4, not shown, is a conventional radiation detector, of the ionization type (ionization chamber, proportional counter, Geiger-Mueller counter), with scintillation or semiconductor. The choice of detector depends on the conditions of use of the hydrometer. The detector contains the electronics required for its operation. Elements 6 and 5 respectively represent the collimation windows for the source and the detector. The collimation of the source 6 is defined by an opening in the support 8 and in the shielding cylinder 2. The geometry is adapted to the dimensions of the various elements of the density meter and according to the desired degree of collimation. On the detector side, the collimation window 5 also consists of a rectangular opening in the shielding cylinder 2; the width, viewed in FIG. 1, and the length, viewed in FIG. 2, of this window depend on the angle of the radiation beam defined by the collimation 6 of the source, the size of the detector and the dimensions of the conduit . Figures 1 and 2 show the angular limits of the beam of useful photons emitted by the source, as well as the possible path of a few photons (symbolized by wavy arrows) in the various cases considered.
Le mode de fonctionnement de ce dispositif est, dans son principe, tout à fait similaire aux densimètres à rayonnement existants. Les photons émis par la source 3 et collimatés suivant la fenêtre 6 traversent d'abord la première paroi du conduit en composite, puis le fluide circulant dans le conduit, puis la deuxième paroi du conduit, avant de pénétrer dans le détecteur. Le long de ce parcours, chaque photon a une certaine probabilité de subir une ou plusieurs interactions avec les atomes du matériau qu'il traverse; cette probabilité est d'autant plus forte que le matériau considéré a une densité plus grande.Le résultat de ces interactions est soit l'absorption, ctest-à-dire la disparition, du photon par un atome du matériau (effet photoélectrique), soit la ré-émission du photon avec une énergie légèrement inférieure à son énergie initiale et dans une direction différente de sa direction incidente (diffusion
Compton). Le principe de mesure du densimètre repose sur la détection des photons transmis entre la source et le détecteur sans interaction sur leur parcours. Il est évident que le nombre de ces photons varie de façon inverse avec la densité des matériaux traversés, mais également avec la distance parcourue dans chaque matériau; ces matériaux sont, dans le cas d'un densimètre à rayonnement, le conduit et le fluide dont on veut mesurer la densité.On comprend donc pourquoi il est important de diminuer au maximum la contribution du conduit à l'absorption des photons. C'est dans cet aspect que réside le principal avantage de l'invention. En effet, grâce à l'utilisation, pour le conduit, d'un matériau composite, dont la densité est de l'ordre de 4 fois moins que celle de l'acier, et dont les propriétés mécaniques permettent d'obtenir des caractéristiques comparables ou supérieures à celles de l'acier, avec une augmentation# des épaisseurs de parois d'un facteur 2 par rapport aux conduits classiques en acier, on peut ainsi réaliser des densimètres à rayonnement avec des activités de sources considérablement réduites, tout en gardant des degrés de performance similaires ou supérieurs aux densimètres classiques.Parmi les avantages de l'invention par rapport à un système classique, et outre celui de la réduction de l'activité de la source, citons les points suivants: - le poids total du dispositif est réduit, - le composite étant plus résistant à l'abrasion que l'acier, il est parfaitement adapté à l'utilisation de fluides aussi abrasifs que des laitiers de ciment ou fluides chargés d'agent de soutènement, sable, grenaille, etc, - les problèmes de corrosion et de rouille rencontrés avec des conduits en acier sont éliminés, ce qui, outre l'avantage d'une meilleure tenue dans le temps, offre également l'avantage d'un meilleur contrôle et d'une meilleure constance de l'épaisseur des parois, donc d'une géométrie plus stable, un point important pour l'obtention d'une bonne précision de la mesure.The operating mode of this device is, in principle, quite similar to existing radiation density meters. The photons emitted by the source 3 and collimated according to window 6 first pass through the first wall of the composite conduit, then the fluid circulating in the conduit, then the second wall of the conduit, before entering the detector. Along this path, each photon has a certain probability of undergoing one or more interactions with the atoms of the material it crosses; this probability is all the higher as the material considered has a higher density. The result of these interactions is either the absorption, that is to say the disappearance, of the photon by an atom of the material (photoelectric effect), or re-emission of the photon with an energy slightly lower than its initial energy and in a direction different from its incident direction (scattering
Compton). The densimeter measurement principle is based on the detection of photons transmitted between the source and the detector without interaction on their path. It is obvious that the number of these photons varies inversely with the density of the materials crossed, but also with the distance traveled in each material; these materials are, in the case of a radiation densimeter, the conduit and the fluid whose density is to be measured. We therefore understand why it is important to minimize the contribution of the conduit to the absorption of photons. It is in this aspect that the main advantage of the invention resides. Indeed, thanks to the use, for the conduit, of a composite material, whose density is of the order of 4 times less than that of steel, and whose mechanical properties allow to obtain comparable characteristics or greater than that of steel, with an increase # in wall thicknesses by a factor of 2 compared to conventional steel conduits, it is thus possible to produce radiation densimeters with considerably reduced source activities, while keeping performance levels similar to or greater than conventional density meters. Among the advantages of the invention compared to a conventional system, and in addition to that of reducing the activity of the source, let us cite the following points: - the total weight of the device is reduced, - the composite being more resistant to abrasion than steel, it is perfectly adapted to the use of fluids as abrasive as slag of cement or fluids loaded with support agent, sand, shot, etc, - the corrosion and rust problems encountered with steel pipes are eliminated, which, in addition to the advantage of better resistance over time, also offers the advantage of better control and better constancy of the thickness of the walls, therefore of a more stable geometry, an important point for obtaining good measurement accuracy.
Bien entendu, les applications de l'invention ne sont pas limitées au secteur pétrolier, mais s'étendent aux domaines connus des densimètres à rayonnement également connus. Of course, the applications of the invention are not limited to the petroleum sector, but extend to the known fields of radiation densimeters also known.