OA18858A

OA18858A - Procédé de surveillance du comportement thermomécanique d'une conduite sous-marine de transport de fluides sous pression

Info

Publication number: OA18858A
Application number: OA1201800294
Authority: OA
Inventors: François-Régis Pionetti; Jalil Agoumi; Axel Sundermann; Damien Maraval; Vincent Lamour
Original assignee: Cementys; Saipem Sa
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2019-09-13

Abstract

L'invention concerne un procédé de surveillance du comportement thermomécanique d'une conduite sous-marine (2) de transport de fluides sous pression réalisée par assemblage d'éléments unitaires de conduite (4), le procédé comprenant une étape de détermination d'une signature mécanique propre à chaque élément unitaire de conduite consistant, à l'aide d'un câble de mesure (16) muni d'un capteur à fibre optique utilisant la rétrodiffusion de Brillouin, à mesurer les déformations subies par l'élément unitaire de conduite lorsqu'il est soumis à terre à différentes sollicitations mécaniques de directions et d'intensités prédéterminées, et à établir une matrice de raideur associée à la signature mécanique de chaque élément unitaire de conduite, une étape de détermination d'une signature thermique propre à chaque élément unitaire de conduite consistant à mesurer les évolutions de températures de l'élément unitaire de conduite lorsqu'il est soumis à terre à différentes puissances électriques de chauffe, et à établir une fonction de transfert thermique associée à la signature thermique de chaque élément unitaire de conduite, et une étape de surveillance consistant à récupérer les variations du signal optique injecté dans les capteurs lorsque la conduite est en service, et à déterminer l'évolution des signatures mécanique et thermique de chaque élément unitaire de conduite.

Description

Titre de l'inventionTitle of the invention

Procédé de surveillance du comportement thermomécanique d'une conduite sous-marine de transport de fluides sous pressionMethod for monitoring the thermomechanical behavior of an underwater pipeline for transporting fluids under pressure

Arrière-plan de l'inventionBackground of the invention

La présente invention se rapporte au domaine général des conduites sous-marines de transport de fluides reposant au fond de la mer ou assurant la liaison fond-surface pour le transfert d'hydrocarbures, par exemple de pétrole et de gaz, issus de puits de production sous-marins.The present invention relates to the general field of underwater conduits for transporting fluids resting on the seabed or providing the bottom-to-surface connection for the transfer of hydrocarbons, for example oil and gas, from production wells. submarines.

Les conduites sous-marines de transport de fluides sont couramment utilisées dans la production offshore d'hydrocarbures. Ainsi, dans un champ de production offshore, on exploite généralement plusieurs puits qui peuvent être séparés les uns des autres de plusieurs kilomètres, voire dizaines de kilomètres. Les fluides issus des divers puits doivent être collectés par des conduites posées au fond de la mer et transférés par des conduites de liaison fond-surface depuis une conduite sous-marine reposant au fond de la mer vers une installation en surface qui va les recueillir, par exemple au niveau d'un navire ou d'un point de collecte situé sur la côte.Submarine fluid transport lines are commonly used in the offshore production of hydrocarbons. Thus, in an offshore production field, several wells are generally operated which can be separated from each other by several kilometers, or even tens of kilometers. The fluids from the various wells must be collected by pipes laid on the seabed and transferred by bottom-to-surface connection pipes from an underwater pipe lying on the seabed to a surface installation which will collect them, for example at a ship or a collection point located on the coast.

Il existe différents types de conduites sous-marines utilisées pour le transport de fluides. L'invention s'intéresse plus particulièrement aux conduites coaxiales de type « Pipe In Pipe » ou PIP, c'est-à-dire « conduite dans une conduite », dans laquelle un tube en acier interne transporte les fluides et un tube en acier externe coaxial au précédent, appelé aussi « enveloppe externe », est en contact avec le milieu ambiant, c'est-à-dire avec l'eau.There are different types of subsea pipelines used for transporting fluids. The invention relates more particularly to coaxial pipes of the “Pipe In Pipe” or PIP type, that is to say “pipe in a pipe”, in which an internal steel tube transports the fluids and a steel tube. external coaxial with the preceding one, also called “external envelope”, is in contact with the ambient medium, that is to say with water.

Généralement, ces conduites coaxiales sont assemblées à terre en éléments de longueur unitaire (on parle de double, triple ou quadruple joints, ci-après indifféremment dériommées « quad-joints » pour quadruple sections de tube), de l'ordre de 10 à 100m selon la capacité de tenue en charge du système de pose. Ces quad-joints sont alors transportées en mer sur un navire de pose.Generally, these coaxial conduits are assembled on land in units of unit length (one speaks of double, triple or quadruple joints, hereinafter indifferently referred to as “quad-joints” for quadruple sections of tube), of the order of 10 to 100m depending on the load bearing capacity of the laying system. These quad-joints are then transported to sea on a laying vessel.

Lors de la pose, les quad-joints sont raccordés les uns aux autres à bord du navire et au fur et à mesure de leur pose en mer. La pose peut s'effectuer par l'intermédiaire d'une tour de pose en J positionnée sur le navire de pose. Avec la pose en J, la conduite sous marine est typiquement descendue du navire de pose pratiquement verticale (entre +30° et -10° par rapport à la verticale). La pose en J est une pose caténaire simple dans laquelle l'inclinaison quasi-verticale de la conduite diminue au fur et à mesure de son déplacement vers le bas jusqu'à épouser la pente du fond de la mer.During installation, the quad-joints are connected to each other on board the vessel and as they are laid at sea. The installation can be carried out via a J-shaped laying tower positioned on the laying vessel. With the J-laying, the submarine pipe is typically lowered from the laying vessel practically vertical (between + 30 ° and -10 ° with respect to the vertical). The J-laying is a simple catenary laying in which the almost vertical inclination of the pipe decreases as it moves downwards until it follows the slope of the seabed.

Compte tenu de leur spécificité, les conduites sous-marines de transport de fluides sont conçues pour atteindre un haut niveau de performance thermique et des versions spécifiques ont été développées pour répondre de manière plus adaptée aux grands fonds, c’est à dire pour résister à la pression du fond de la mer. En effet, la pression de l’eau étant sensiblement de 0.1 MPa, soit environ 1 bar pour 10m de profondeur, la pression à laquelle doivent résister les conduites sousmarines est alors d’environ 10 MPa, soit environ 100 bars pour 1000m de profondeur et d’environ 30 MPa, soit environ 300 bars pour 3000m de profondeur.Taking into account their specificity, the underwater fluid transport pipes are designed to achieve a high level of thermal performance and specific versions have been developed to respond in a more suitable way to deep sea, that is to say to withstand the pressure at the bottom of the sea. Indeed, the water pressure being appreciably 0.1 MPa, that is to say approximately 1 bar for 10m of depth, the pressure to which the submarine pipes must withstand is then approximately 10 MPa, ie about 100 bars for 1000m of depth and about 30 MPa, or about 300 bars for 3000m of depth.

Par ailleurs, les conduites sous-marines sont soumises à d'importantes contraintes mécaniques, à la fois au cours de leur pose au fond de la mer par l'intermédiaire de la tour de pose en J qui entraîne d'importantes déformations (notamment des flexions) de chacun des quad-joints de la conduite, mais aussi pendant la phase de production (auto-contraintes thermiques et contraintes dues aux sollicitations extérieures). En effet, lorsque la conduite sous-marine est installée au fond de la mer et que le réseau est en phase de production, le tube interne des quad-joints de la conduite est soumis à la pression élevée des fluides qu'il transporte (cette pression pouvant dépasser les 100 bars). De plus, il est fréquent que le fond marin sur lequel reposent la conduite bouge, ce qui entraîne des déplacements de la conduite, et donc des contraintes sur ces dernières.Furthermore, the underwater pipes are subjected to significant mechanical stresses, both during their laying on the seabed via the J-shaped laying tower which causes significant deformations (in particular flexions) of each of the quad-joints of the pipe, but also during the production phase (thermal self-stresses and stresses due to external stresses). Indeed, when the submarine pipe is installed at the bottom of the sea and the network is in the production phase, the inner tube of the quad-joints of the pipe is subjected to the high pressure of the fluids that it transports (this pressure which may exceed 100 bars). In addition, it is common for the seabed on which the pipe rests to move, which causes displacement of the pipe, and therefore stresses on the latter.

Or, les contraintes mécaniques subies par les conduites sousmarines, et plus particulièrement les tubes internes de conduites PIP, ainsi que la température à laquelle elles sont soumises (les hydrocarbures issus des puits de production sous-marins sortent à une température de l'ordre de 70°C), risquent de provoquer des dégâts importants, voire une rupture, des conduites.However, the mechanical stresses undergone by the submarine pipes, and more particularly the internal tubes of PIP pipes, as well as the temperature to which they are subjected (the hydrocarbons from the subsea production wells exit at a temperature of the order of 70 ° C), may cause serious damage or even rupture of the pipes.

Objet et résumé de l'inventionPurpose and summary of the invention

Il existe donc un besoin de pouvoir surveiller l'intégrité thermomécanique d'une conduite sous-marine de transport de fluides, aussi bien au cours de sa pose qu'en phase de production.There is therefore a need to be able to monitor the thermomechanical integrity of an underwater fluid transport pipe, both during its installation and in the production phase.

Conformément à l'invention, ce besoin est atteint grâce à un procédé de surveillance du comportement thermomécanique d'une conduite sous-marine de transport de fluides sous pression, la conduite sous-marine étant réalisée par assemblage d'une pluralité d'éléments unitaires de conduite mis bout à bout, le procédé comprenant :In accordance with the invention, this need is met by virtue of a method for monitoring the thermomechanical behavior of an underwater pipe for transporting fluids under pressure, the underwater pipe being produced by assembling a plurality of unit elements. end-to-end pipe, the method comprising:

une étape de détermination d'une signature mécanique propre à chaque élément unitaire de conduite consistant, à l'aide d'au moins un câble de mesure muni d'au moins un capteur à fibre optique utilisant au moins la rétrodiffusion de Brillouin et positionné sur toute la longueur de l'élément unitaire de conduite, à mesurer les déformations subies ou simulées par ledit élément unitaire de conduite lorsqu'il est soumis à terre à différentes sollicitations mécaniques de directions et d'intensités prédéterminées, et, à partir de ces mesures de déformations, à établir une matrice de raideur associée à la signature mécanique de l'élément unitaire de conduite ;a step of determining a mechanical signature specific to each unit pipe element consisting, using at least one measuring cable provided with at least one optical fiber sensor using at least Brillouin backscattering and positioned on the entire length of the single pipe element, to measure the deformations undergone or simulated by said single pipe element when it is subjected to earth to various mechanical stresses of predetermined directions and intensities, and, from these measurements deformations, in establishing a stiffness matrix associated with the mechanical signature of the unit pipe element;

une étape de détermination d'une signature thermique propre à chaque élément unitaire de conduite consistant, à l'aide d'au moins un câble de mesure muni d'au moins un capteur à fibre optique utilisant au moins la rétrodiffusion Raman et positionné sur toute la longueur de l'élément unitaire de conduite, à mesurer les évolutions de températures dudit élément unitaire de conduite lorsqu'il est soumis à terre à différentes puissances électriques de chauffe, et, à partir de ces mesures de températures, à établir une fonction de transfert thermique associée à la signature thermique de l'élément unitaire de conduite ; et une étape de surveillance consistant à récupérer les variations du signal optique injecté dans les capteurs à fibre optique lorsque la conduite est en service, et, à partir de ces variations du signal optique, à déterminer l'évolution des signatures mécanique et thermique de chaque élément unitaire de conduite.a step of determining a thermal signature specific to each unit pipe element consisting, using at least one measurement cable provided with at least one optical fiber sensor using at least Raman backscattering and positioned over any the length of the single pipe element, to measure the temperature changes of said single pipe element when it is subjected to earth to different electrical heating powers, and, from these temperature measurements, to establish a function of thermal transfer associated with the thermal signature of the unit pipe element; and a monitoring step consisting in recovering the variations of the optical signal injected into the optical fiber sensors when the pipe is in service, and, from these variations of the optical signal, in determining the evolution of the mechanical and thermal signatures of each unitary driving element.

Par conduite « en service », on entend ici que la conduite est soit en cours de pose, soit opérationnelle pendant la phase de production du réseau.The term “in-service” pipe is understood here to mean that the pipe is either being laid or operational during the production phase of the network.

Le procédé de surveillance selon l'invention est remarquable en ce qu'il utilise des signatures mécaniques et thermiques qui sont propres à chaque élément unitaire (ou quad-joint) de la conduite sous-marine pour surveiller la température et les contraintes mécaniques subies par la conduite. Avant leur pose, au cours de l'étape de détermination d'une signature mécanique, chaque élément unitaire de conduite est testé à terre (en laboratoire ou en usine) et subit différentes sollicitations mécaniques de directions et d'intensités prédéterminées. Les déformations subies ou simulées sur l'élément unitaire de conduite sont mesurées par les capteurs à fibre optique (à chaque capteur à fibre optique est associée la mesure d'un paramètre de déformation de l'élément unitaire de conduite). Au cours de l'étape de surveillance proprement dite, les mesures effectuées par les capteurs à fibre optique sont utilisées pour déterminer l'évolution des signatures mécaniques propres à chaque élément unitaire de conduite, et ainsi pour suivre les déformations subies en service par chacun de ces éléments unitaires de conduite. A partir de la connaissance du comportement mécanique de chaque élément unitaire de conduite, il est alors possible de reconstruire le comportement mécanique global de la conduite sous-marine, aussi bien au cours de sa pose que pendant la phase de production. En particulier, les signatures de chaque élément unitaire de conduite constituent des référentiels qui permettent de localiser les évènements tout au long de la vie de la conduiteThe monitoring method according to the invention is remarkable in that it uses mechanical and thermal signatures which are specific to each unitary element (or quad-joint) of the underwater pipe to monitor the temperature and the mechanical stresses undergone by the driving. Before their installation, during the step of determining a mechanical signature, each unit pipe element is tested on land (in the laboratory or in the factory) and is subjected to various mechanical stresses in predetermined directions and intensities. The deformations undergone or simulated on the single pipe element are measured by the optical fiber sensors (with each optical fiber sensor is associated the measurement of a deformation parameter of the single pipe element). During the monitoring step proper, the measurements made by the optical fiber sensors are used to determine the evolution of the mechanical signatures specific to each unit pipe element, and thus to monitor the deformations undergone in service by each of the pipes. these unitary driving elements. From the knowledge of the mechanical behavior of each unit pipe element, it is then possible to reconstruct the overall mechanical behavior of the underwater pipe, both during its installation and during the production phase. In particular, the signatures of each unitary pipe element constitute reference points which make it possible to locate events throughout the life of the pipe.

Le procédé selon l'invention est par ailleurs tout particulièrement adapté à la technique de pose en J de la conduite sousmarine au cours de laquelle aucune déformation permanente n'est induite à la conduite (on reste sous 90% de la limite élastique de la conduite). Une fois posée, la conduite reste toujours dans un domaine linéaire (à moins de 66% de la limite élastique), ce qui autorise une linéarisation des phénomènes de perturbation subis par la conduite (tels que les déformations).The method according to the invention is moreover very particularly suitable for the technique of laying in J of the underwater pipe during which no permanent deformation is induced in the pipe (one remains below 90% of the elastic limit of the pipe. ). Once installed, the pipe always remains in a linear domain (less than 66% of the elastic limit), which allows linearization of the disturbance phenomena undergone by the pipe (such as deformations).

De même, avant leur pose, au cours de l'étape de détermination d'une signature thermique, chaque élément unitaire de conduite est soumis à différentes puissances de chauffe. Les évolutions de température de l'élément unitaire de conduite sont mesurées par le capteur à fibre optique utilisant la rétrodiffusion Raman. Ces évolutions de température, propres à chaque élément unitaire de conduite, permettent de déterminer des fonctions de transfert thermique dont les valeurs correspondent aux valeurs d'élévation de températures subies par l'élément unitaire de conduite. Au cours de l'étape de surveillance proprement dite, les mesures effectuées par le capteur à fibre optique utilisant la rétrodiffusion Raman sont utilisées pour déterminer l'évolution de la signature thermique propre à chaque élément unitaire de conduite, et ainsi pour suivre la température vue en service par chacun des éléments unitaires de conduite. La connaissance de l'évolution de la signature thermique de chaque élément unitaire de conduite permet notamment de contrôler le fonctionnement des câbles électriques de chauffe et d'observer le vieillissement de l'isolant et l'apparition de couches d'hydrates dans la conduite.Likewise, before their installation, during the step of determining a thermal signature, each unit pipe element is subjected to different heating powers. The temperature changes of the single pipe element are measured by the optical fiber sensor using Raman backscattering. These changes in temperature, specific to each unit pipe element, make it possible to determine heat transfer functions whose values correspond to the temperature rise values undergone by the unit pipe element. During the monitoring step proper, the measurements made by the optical fiber sensor using Raman backscattering are used to determine the evolution of the thermal signature specific to each unit pipe element, and thus to monitor the temperature seen. in service by each of the unit driving elements. Knowing the evolution of the thermal signature of each unit pipe element makes it possible in particular to control the operation of the electric heating cables and to observe the aging of the insulation and the appearance of hydrate layers in the pipe.

Le procédé de surveillance selon l'invention permet en outre de connaître précisément l'état de la conduite sous-marine au niveau des raccordements entre les différents éléments unitaires de conduite, ce qui n'est pas possible avec une ligne unique de mesures sur toute la longueur de la conduite.The monitoring method according to the invention also makes it possible to know precisely the state of the underwater pipe at the level of the connections between the various unit pipe elements, which is not possible with a single line of measurements over all. the length of the pipe.

La matrice de raideur associée à la signature mécanique de chaque élément unitaire de conduite peut comprendre des valeurs correspondant aux valeurs de déformations subies par l'élément unitaire de conduite lorsqu'il a été soumis à terre aux différentes sollicitations mécaniques. Ainsi, la matrice de raideur qui est établie à l'aide de ces mesures représente l'identité mécanique propre à chaque élément unitaire de conduite. Dans ce cas, la détermination des déformations subies par chaque élément unitaire de conduite en service permet de calculer la matrice de raideur associée à la signature mécanique de chaque élément unitaire de conduite.The stiffness matrix associated with the mechanical signature of each unit pipe element can include values corresponding to the values of deformations undergone by the unit pipe element when it has been subjected to earth to the various mechanical stresses. Thus, the stiffness matrix which is established using these measurements represents the mechanical identity specific to each unitary pipe element. In this case, determining the deformations undergone by each unit pipe element in service makes it possible to calculate the stiffness matrix associated with the mechanical signature of each unit pipe element.

De même, la fonction de transfert thermique associée à la signature thermique de chaque élément unitaire de conduite peut comprendre des valeurs correspondant aux valeurs d'élévations de températures subies par l'élément unitaire de conduite lorsqu'il a été soumis à terre aux différentes puissances de chauffe. Dans ce cas, la température vue en service par chacun des éléments unitaires de conduite permet de calculer ces fonctions de transfert thermique.Likewise, the heat transfer function associated with the thermal signature of each unit pipe element can include values corresponding to the values of temperature rises undergone by the unit pipe element when it has been subjected to earth to the different powers. of heating. In this case, the temperature seen in service by each of the unit pipe elements makes it possible to calculate these heat transfer functions.

Les sollicitations mécaniques de directions et d'amplitudes prédéterminées appliquées à terre à chaque élément unitaire de conduite peuvent comprendre l'une ou plusieurs des sollicitations suivantes :The mechanical stresses of predetermined directions and amplitudes applied on land to each unit pipe element may include one or more of the following stresses:

sollicitation en torsion, sollicitation en traction/compression, sollicitation en flexions, et sollicitation en pression.torsional stress, tension / compression stress, flexural stress, and pressure stress.

Les câbles de mesure à capteurs à fibre optique peuvent être positionnés sur les éléments unitaires de conduite de sorte à s'étendre sensiblement parallèlement à un axe longitudinal de ladite conduite.The measurement cables with optical fiber sensors can be positioned on the unit pipe elements so as to extend substantially parallel to a longitudinal axis of said pipe.

De préférence, les capteurs à fibre optique des câbles de mesure utilisant la rétrodiffusion de Brillouin et Rayleigh sont des fibres monomodes et les capteurs à fibre optique des câbles de mesure utilisant la rétrodiffusion de Raman sont des fibres multimodes.Preferably, the optical fiber sensors of measurement cables using Brillouin and Rayleigh backscattering are single-mode fibers and the optical fiber sensors of measurement cables using Raman backscattering are multimode fibers.

Dans une application à la surveillance d'une conduite PIP, chaque élément unitaire de conduite peut comprendre un tube interne monté à l'intérieur d'un tube externe de façon coaxiale à celui-ci, les câbles de mesure à capteurs à fibre optique étant positionnés sur le tube interne dudit élément unitaire de conduite.In an application to the monitoring of a PIP pipe, each unitary pipe element can comprise an inner tube mounted inside an outer tube coaxially therewith, the measurement cables with optical fiber sensors being positioned on the inner tube of said unit pipe element.

De façon avantageuse également, le procédé comprend en outre :Also advantageously, the method further comprises:

une étape de détermination d'une signature acoustique et vibratoire propre à chaque élément unitaire de conduite consistant, à l'aide du câble de mesure muni du capteur à fibre optique utilisant au moins la rétrodiffusion de Rayleigh et positionné sur toute la longueur de l'élément unitaire de conduite, à mesurer les variations de fréquences de chaque élément unitaire de conduite lorsqu'il est soumis à terre à différentes sollicitations acoustiques et vibratoires, et, à partir de ces variations de bruit, à établir une signature acoustique de chaque élément unitaire de conduite ; et une étape de surveillance de l'intégrité acoustique et vibratoire de la conduite consistant à récupérer les variations de fréquences du signal optique injecté dans les capteurs à fibre optique lorsque la conduite est en service, et, à partir de ces variations de fréquences, à déterminer l'évolution de la signature acoustique et vibratoire de chaque élément unitaire de conduite.a step of determining an acoustic and vibratory signature specific to each unitary pipe element consisting, using the measurement cable fitted with the optical fiber sensor using at least Rayleigh backscattering and positioned over the entire length of the single pipe element, to measure the frequency variations of each single pipe element when it is subjected to earth to different acoustic and vibratory stresses, and, from these noise variations, to establish an acoustic signature of each single element driving ; and a step of monitoring the acoustic and vibratory integrity of the pipe consisting in recovering the frequency variations of the optical signal injected into the optical fiber sensors when the pipe is in service, and, from these frequency variations, in determine the evolution of the acoustic and vibratory signature of each unit pipe element.

Ainsi, les capteurs à fibre optique utilisant la rétrodiffusion de Brillouin peuvent non seulement fournir des informations sur les contraintes mécaniques subies par la conduite, mais également des informations sur les variations de sources vibrantes environnantes. Parmi ces sources de vibrations environnantes, il est notamment possible de distinguer celles générées par l'élément unitaire de conduite sur lequel sont positionnés les capteurs à fibre optique et celle, générées par l’environnement extérieur (en l’occurrence le fond de la mer et tout ce qui lui est relié). A partir de ces vibrations induites, l'intégrité de la conduite peut être surveillée à partir de l'évolution des signatures acoustiques et vibratoires de chacun de ces éléments unitaires de conduite.Thus, fiber optic sensors using Brillouin backscattering can not only provide information on the mechanical stresses undergone by the pipe, but also information on the variations of surrounding vibrating sources. Among these sources of surrounding vibrations, it is in particular possible to distinguish those generated by the unitary pipe element on which the optical fiber sensors are positioned and those generated by the external environment (in this case the seabed and everything related to it). From these induced vibrations, the integrity of the pipe can be monitored from the evolution of the acoustic and vibratory signatures of each of these unit pipe elements.

Typiquement, les variations de bruits détectées à l'intérieur de la conduite peuvent permettre de déterminer les proportions par phases du fluide qui circule et leur vitesse respective. En particulier, pour les conduites de production, il est ainsi possible de détecter la formation de poches de gaz qui peuvent générer d'importants dommages dus aux vibrations à faible fréquence. Les variations de bruits continues peuvent permettre de détecter la formation de graisse lourde sur les parois de la conduite qui réduit le flux et augmente localement la vitesse du fluide. Les variations de bruits peuvent encore être symptomatiques au déplacement de la conduite (type expansion latérale ou verticale) pouvant engendrer des endommagements (fatigue) de celle-ci.Typically, the variations in noise detected inside the pipe can make it possible to determine the proportions by phases of the circulating fluid and their respective speed. In particular, for production pipes, it is thus possible to detect the formation of gas pockets which can generate significant damage due to low frequency vibrations. Continuous noise variations can detect the formation of heavy grease on the walls of the pipe which reduces the flow and locally increases the speed of the fluid. The variations in noise can still be symptomatic of the displacement of the pipe (lateral or vertical expansion type) which can cause damage (fatigue) thereof.

Quant aux variations de bruits à l'extérieur de la conduite sousmarine, elles servent notamment lors d'une intervention extérieure programmée sur la conduite (par exemple une intervention de contrôle au moyen d'un véhicule sous-marin téléguidé). En effet, au cours de ces interventions, la reconnaissance des variations de bruits permet de déterminer au mètre près la position du véhicule de contrôle par rapport à la conduite sous-marin afin de mieux guider le véhicule et de corréler sa vision externe avec la vision acoustique interne à la conduite. D'autres bruits extérieurs peuvent être évalués et sortis des analyses du comportement de la conduite car correspondant à des phénomènes physiques naturels connus comme des glissements de terrains ou des tsunamis dont le bruit peut être lointain et qui ne sont pas susceptibles de créer des endommagements à la conduite.As for the variations in noise outside the underwater pipe, they are used in particular during a programmed external intervention on the pipe (for example a control intervention by means of a remote-controlled underwater vehicle). Indeed, during these interventions, the recognition of the variations of noise makes it possible to determine to the meter the position of the control vehicle in relation to the underwater driving in order to better guide the vehicle and to correlate its external vision with the vision. internal acoustics of the pipe. Other external noises can be evaluated and taken out of the analyzes of driving behavior because they correspond to known natural physical phenomena such as landslides or tsunamis, the noise of which can be far away and which are not likely to cause damage to the pipe. the driving.

Les sollicitations acoustiques et vibratoires appliquées à terre à chaque élément unitaire de conduite peuvent comprendre : l'émission de bruits à l'intérieur de l'élément unitaire de conduite rempli d'air par l'intermédiaire d'une barre reliant deux extrémités dudit élément unitaire de conduite, l'émission de bruits à l'intérieur de l'élément unitaire de conduite rempli d'eau par intermédiaire d'une barre reliant deux extrémités dudit élément unitaire de conduite, et la mise en vibration globale de l'élément unitaire de conduite à l'aide de plots vibrant.The acoustic and vibratory stresses applied to earth to each unit pipe element may include: the emission of noise inside the unit pipe element filled with air via a bar connecting two ends of said element unitary pipe, the emission of noises inside the unitary pipe element filled with water by means of a bar connecting two ends of said unitary pipe element, and the overall vibration of the unitary element of conduct using vibrating pads.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate an exemplary embodiment thereof without any limiting nature. In the figures:

- la figure 1 est une vue schématique d'une conduite sousmarine PIP à laquelle s'applique le procédé de surveillance selon l'invention ;- Figure 1 is a schematic view of a PIP submarine pipe to which the monitoring method according to the invention applies;

- la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1 ; et- Figure 2 is a sectional view along II-II of Figure 1; and

- la figure 3 est une vue schématique d'un élément unitaire de conduite sous-marine auquel sont appliquées différentes sollicitations mécaniques en vue d'établir sa signature mécanique.FIG. 3 is a schematic view of a unitary subsea pipe element to which various mechanical stresses are applied in order to establish its mechanical signature.

Description détaillée de l'inventionDetailed description of the invention

L'invention s'applique à toute conduite sous-marine reposant au fond de la mer et assurant un transport entre des puits de production d'hydrocarbures sous-marins, notamment de pétrole et de gaz, et une installation de surface, telle que la conduite sous-marine 2 représentée sur les figures 1 et 2.The invention applies to any underwater pipe resting on the seabed and providing transport between wells for the production of underwater hydrocarbons, in particular oil and gas, and a surface installation, such as the submarine pipe 2 shown in Figures 1 and 2.

La conduite sous-marine 2 représentée sur ces figures est typiquement assemblée à terre en plusieurs sections de conduite de longueur unitaire 4 de l’ordre de 10 à 100 m selon la capacité de tenue du système de pose. On parle également de « joints », notamment de « double joints » pour deux éléments unitaires de conduite assemblés entre eux, « triple joints » pour trois éléments unitaires de conduite assemblés entre eux, « quadruple joints » pour quatre éléments unitaires de conduite assemblés entre eux, etc. Pour la suite de la description, on emploiera de façon générique le terme « quad-joînt » pour désigner un élément unitaire de conduite 4. Lors de la pose, ces quad-joints 4 sont raccordés les uns aux autres à bord du navire et au fur et à mesure de leur pose en mer.The submarine pipe 2 shown in these figures is typically assembled on land in several pipe sections of unit length 4 of the order of 10 to 100 m depending on the holding capacity of the laying system. We also speak of “joints”, in particular of “double joints” for two unit pipe elements assembled together, “triple joints” for three unit pipe elements assembled together, “quadruple joints” for four unit pipe elements assembled between them. them, etc. For the remainder of the description, the term “quad-joint” will be used generically to denote a unitary pipe element 4. During installation, these quad-joints 4 are connected to each other on board the ship and to the vessel. as they are laid at sea.

Par ailleurs, la conduite sous-marine 2 est une conduite coaxiale de type « Pipe in Pipe » (ou « PIP »), c'est-à-dire que chaque quad-joint (ou élément unitaire de conduite) 4 comprend un tube en acier interne 6 destiné à transporter les hydrocarbures issus de puits de production et un tube en acier externe 8, coaxial au tube interne et appelé « enveloppe externe », qui est en contact direct avec l'eau environnante.Furthermore, the submarine pipe 2 is a coaxial pipe of the “Pipe in Pipe” (or “PIP”) type, that is to say that each quad-joint (or unitary pipe element) 4 comprises a tube. made of internal steel 6 intended to transport the hydrocarbons from production wells and an external steel tube 8, coaxial with the internal tube and called “external envelope”, which is in direct contact with the surrounding water.

De façon connue, l'espace annulaire 10 formé entre le tube interne 6 et le tube externe 8 de chaque quad-joint 4 peut être rempli d'un matériau isolant 12 (ou être vidé de tout gaz) de sorte à former une couche d'isolant thermique limitant la déperdition de chaleur vers le milieu ambiant. A chacune de ces extrémités, le tube interne 6 peut être solidarisé au tube externe 8 par l'intermédiaire de pièces de jonction 14 qui viennent fermer l'espace annulaire 10.In known manner, the annular space 10 formed between the inner tube 6 and the outer tube 8 of each quad-joint 4 can be filled with an insulating material 12 (or be emptied of any gas) so as to form a layer of 'thermal insulation limiting heat loss to the ambient environment. At each of these ends, the internal tube 6 can be secured to the external tube 8 by means of junction pieces 14 which close the annular space 10.

Selon l'invention, il est prévu de surveiller l'intégrité thermomécanique d'une telle conduite sous-marine 2, c'est-à-dire de surveiller l'évolution des signatures mécaniques et thermiques de chacun des éléments unitaires de conduite qui la constituent, lors de sa pose au fond de la mer et pendant la phase de production du réseau (c'est-à-dire lorsqu'elle est en service).According to the invention, provision is made to monitor the thermomechanical integrity of such an underwater pipe 2, that is to say to monitor the evolution of the mechanical and thermal signatures of each of the unit pipe elements which make it. constitute, when it is placed on the seabed and during the production phase of the network (that is to say when it is in service).

Le procédé de surveillance selon l'invention prévoit deux étapes principales : des étapes dites de mesure initiale (ou d'étalonnage) au cours de laquelle la signature mécanique initiale, la signature thermique initiale et la signature acoustique et vibratoire initiale de chaque quad-joint de la conduite sous-marine sont déterminées ; et une étape de surveillance proprement dite au cours de laquelle, à partir à des sollicitations thermomécaniques appliquées à chaque quad-joint et des mesures réalisées par des capteurs à fibre optique lors de la pose de la conduite sous-marine et/ou pendant la phase de production du réseau, la température, les évolutions des signatures mécaniques, thermiques, et acoustiques et vibratoires sont déterminées.The monitoring method according to the invention provides two main steps: so-called initial measurement (or calibration) steps during which the initial mechanical signature, the initial thermal signature and the initial acoustic and vibration signature of each quad-joint underwater conduct are determined; and a monitoring step proper during which, starting from the thermomechanical stresses applied to each quad-joint and from the measurements carried out by optical fiber sensors during the laying of the underwater pipe and / or during the phase network production, temperature, changes in mechanical, thermal, and acoustic and vibratory signatures are determined.

Etape d'étalonnage mécaniqueMechanical calibration step

Cette étape d'étalonnage mécanique consiste à tester à terre chaque quad-joint de la conduite sous-marine pour en obtenir sa signature mécanique initiale.This mechanical calibration step consists of testing each quad-joint of the submarine pipe on land to obtain its initial mechanical signature.

A cet effet, chaque quad-joint subit en laboratoire ou en usine une série de différentes sollicitations mécaniques de directions et ίο d'intensités prédéterminées et les déformations subies par le quad-joint au cours de ce test sont mesurées par des capteurs à fibre optique.To this end, each quad-joint undergoes in the laboratory or in the factory a series of different mechanical stresses of predetermined directions and ίο intensities and the deformations undergone by the quad-joint during this test are measured by optical fiber sensors .

Plus précisément, le quad-joint 4 est équipé de câbles de mesure 16 munis de capteurs à fibre optique, chaque capteur à fibre optique étant destiné à mesurer un seul et même paramètre de déformation du quad-joint.More precisely, the quad-joint 4 is equipped with measurement cables 16 fitted with optical fiber sensors, each optical fiber sensor being intended to measure one and the same deformation parameter of the quad-joint.

Les câbles de mesure 16 doivent être positionnés sur le tube interne 6 du quad-joint 4 (ils sont par exemple collés sur la surface externe de celui-ci) et s'étendre longitudinalement entre les deux extrémités du quad-joint. Par exemple, dans l'exemple illustré sur la figure 2, les câbles de mesure 16 sont au nombre de trois, s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal 18 du quad-joint et sont espacés les uns des autres de 120°. Bien entendu, d'autres dispositions des câbles de mesure pourraient être envisagées.The measurement cables 16 must be positioned on the inner tube 6 of the quad-joint 4 (for example they are glued to the outer surface thereof) and extend longitudinally between the two ends of the quad-joint. For example, in the example illustrated in FIG. 2, the measuring cables 16 are three in number, extend parallel to the longitudinal axis 18 of the quad-joint and are spaced from one another by 120 °. Of course, other arrangements of the measurement cables could be envisaged.

Les fibres optiques équipant les câbles de mesure 16 sont des fibres monomodes utilisant la rétrodiffusion Brillouin et Rayleigh pour les capteurs destinés à mesurer les contraintes mécaniques subies par le quad-joint et les variations de bruit acoustique et vibratoire, et une fibre multimode utilisant la rétrodiffusion Raman pour le capteur destiné à mesurer la température du quad-joint (au cours de l'étape d'étalonnage thermique décrite ultérieurement).The optical fibers fitted to the measurement cables 16 are single-mode fibers using Brillouin and Rayleigh backscattering for the sensors intended to measure the mechanical stresses undergone by the quad-joint and the variations in acoustic and vibratory noise, and a multimode fiber using backscattering Raman for the sensor intended to measure the temperature of the quad-joint (during the thermal calibration step described later).

Dans l'exemple décrit ci-après, les sollicitations mécaniques appliquées aux quad-joints de la conduite sous-marine sont les suivantes : sollicitation en torsion (autour de l'axe longitudinal 18 des quad-joints), sollicitation en flexions (dans un plan YZ transversal aux quad-joints), sollicitation en traction/compression (dans la direction de l'axe longitudinal des quad-joints) et sollicitation en pression interne aux quad-joints.In the example described below, the mechanical stresses applied to the quad-joints of the submarine pipe are as follows: torsional stress (around the longitudinal axis 18 of the quad-joints), flexural stress (in a YZ plane transverse to the quad-joints), stress in tension / compression (in the direction of the longitudinal axis of the quad-joints) and stress in internal pressure to the quad-joints.

Ces sollicitations sont toutes définies par une direction et une intensité d'application qui sont prédéterminées. Ainsi, comme représenté sur la figure 3, la sollicitation en torsion appliquée au quad-joint 4 consiste en la création d'un moment de torsion (représenté Mtx sur la figure 3) dont la direction d'application est suivant l'axe X d'un repère orthonormé (Ο, X, Y, Z) propre au quad-joint. De même, la sollicitation en flexions appliquée au quad-joint consiste en la création de deux moments fléchissant (représentés Mfy et Mfz sur la figure 3) dont les directions d'application sont respectivement suivant les axes Y et Z du repère (Ο, X,These stresses are all defined by a direction and an intensity of application which are predetermined. Thus, as represented in FIG. 3, the torsional stress applied to the quad-joint 4 consists of the creation of a torque (represented Mtx in FIG. 3) whose direction of application is along the axis X d 'an orthonormal coordinate system (Ο, X, Y, Z) specific to the quad-joint. Similarly, the bending stress applied to the quad-joint consists in the creation of two bending moments (represented Mfy and Mfz in figure 3) whose directions of application are respectively along the Y and Z axes of the reference (, X ,

Y, Z). La sollicitation en traction/compression appliquée au quad-joint (représentée sur la figure 3 par Nx) présente une direction d'application selon l'axe X. Enfin, la sollicitation en pression est représentée par P sur la figure 3 et sa direction d'application est radiale à la conduite.Y, Z). The tensile / compressive stress applied to the quad-joint (represented in FIG. 3 by Nx) has an application direction along the X axis. Finally, the pressure stress is represented by P in FIG. 3 and its direction d he application is radial to the pipe.

Au cours du test, les différentes sollicitations détaillées ci-dessus sont appliquées à chaque quad-joint et un appareil de mesure optoélectronique de type OTDR (« Optical Time Domain Reflectometer » pour Réflectomètre Optique Temporel) communément utilisé pour caractériser les fibres optiques permet de mesurer les valeurs de déformation, notées s, subies par le quad-joint.During the test, the various stresses detailed above are applied to each quad-joint and an optoelectronic measuring device such as OTDR ("Optical Time Domain Reflectometer") commonly used to characterize the optical fibers makes it possible to measure the values of deformation, noted s, undergone by the quad-joint.

Comme indiqué précédemment, chaque capteur à fibre optique mesure une seule valeur de déformation s, de sorte que pour obtenir l'ensemble des valeurs de déformation du quad-joint correspondant aux sollicitations Mtx, Mfy, Mfz, Nx et P décrites ci-avant, il est nécessaire de disposer de 5 capteurs à fibre optique différentes pour un même quadjoint.As indicated previously, each optical fiber sensor measures a single deformation value s, so that to obtain all of the deformation values of the quad-joint corresponding to the stresses Mtx, Mfy, Mfz, Nx and P described above, it is necessary to have 5 different optical fiber sensors for the same quad.

Ainsi, grâce aux mesures ει à es obtenues par les 5 capteurs à fibre optique, il est possible d'obtenir, dans le cas de matériaux élastiques, la matrice de raideur Ω qui vérifie l'équation (1) suivante :Thus, thanks to the measurements ει to es obtained by the 5 optical fiber sensors, it is possible to obtain, in the case of elastic materials, the stiffness matrix Ω which verifies the following equation (1):

a31 a41 \a51a31 a41 \ a51

al2 al2 al3 al3 al4 al4 al5\ al5 \ / Mtx\ / Mtx \ a22 a22 a23 a23 a24 a24 a25 a25 Mfy] Mfy] a32 a32 a33 a33 a34 a34 a35 x a35 x Mfz Mfz a42 a42 a43 a43 a44 a44 a45 a45 Nx Nx a52 a52 a53 a53 a54 a54 aSS/ aSS / \ P / \ P /

ΩΩ

d)d)

A partir des valeurs de déformation ei à es mesurées par les capteurs à fibre optique et des valeurs d'intensité Mtx, Mfy, Mfz, Nx des différentes sollicitations mécaniques appliquées au quad-joint lors de l'étape d'étalonnage, il est alors possible de déterminer l'ensemble des paramètres ail, al2, ..., a55 de la matrice de raideur Ω propre au quadjoint. Comme les fibres optiques parcourent des chemins différents en surface du tube interne du quad-joint, cette matrice est inversable. Lors des essais d'étalonnage mécanique, les sollicitations doivent être limitées dans le domaine élastique des matériaux constitutifs du quad-joint.From the deformation values ei to es measured by the optical fiber sensors and the intensity values Mtx, Mfy, Mfz, Nx of the various mechanical stresses applied to the quad-joint during the calibration step, it is then possible to determine the set of parameters ail, al2, ..., a55 of the stiffness matrix Ω specific to the quadjoint. As the optical fibers travel different paths on the surface of the inner tube of the quad-joint, this matrix is reversible. During mechanical calibration tests, the stresses must be limited in the elastic range of the constituent materials of the quad-joint.

Cette matrice de raideur Ω constitue une signature mécanique qui est propre à chaque quad-joint destiné à constituer la conduite sousmarine. En effet, les paramètres et les tolérances des matériaux constitutifs (concentricité et épaisseur des tubes, raideur de l'isolant interannulaire et des entretoises, caractéristiques des joints soudés, etc.) sont différents pour chaque quad-joint, de sorte que la matrice de raideur varie d'un quad-joint à un autre.This stiffness matrix Ω constitutes a mechanical signature which is specific to each quad-joint intended to constitute the underwater pipe. Indeed, the parameters and tolerances of the constituent materials (concentricity and thickness of the tubes, stiffness of the interannular insulation and of the spacers, characteristics of the welded joints, etc.) are different for each quad-joint, so that the matrix of Stiffness varies from one quad-joint to another.

Les signatures mécaniques se présentent sous la forme de fichiers numériques qui sont stockés à bord d'une mémoire d'un système informatique équipant le navire de pose et/ou l'installation de surface pour être utilisés ultérieurement pour la surveillance du comportement mécanique de la conduite sous-marine au cours de l'étape de surveillance proprement dite décrite ci-après.Mechanical signatures are in the form of digital files which are stored on board a memory of a computer system equipping the laying vessel and / or the surface installation to be used subsequently for monitoring the mechanical behavior of the vessel. underwater driving during the actual monitoring step described below.

Etape d'étalonnage thermiqueThermal calibration step

Cette étape d'étalonnage thermique se déroule dans les mêmes conditions opératoires que l'étalonnage mécanique, à savoir que l'on équipe chaque quad-joint de la conduite sous-marine d'au moins un câble de mesure muni d'au moins un capteur à fibre optique utilisant au moins la rétrodiffusion Raman. Le capteur à fibre optique, typiquement multimode, est plus précisément inséré à l'intérieur de l'un des câbles de mesure 16 équipant chaque quad-joint.This thermal calibration step takes place under the same operating conditions as the mechanical calibration, namely that each quad-joint of the submarine pipe is fitted with at least one measurement cable fitted with at least one fiber optic sensor using at least Raman backscattering. The optical fiber sensor, typically multimode, is more precisely inserted inside one of the measurement cables 16 fitted to each quad-joint.

Chaque quad-joint ainsi équipé est alors soumis à terre (i.e. en laboratoire ou en usine) à différentes puissances électriques de chauffe. Les évolutions de température de chaque quad-joint soumis à ces puissances de chauffe sont mesurées par un réflectomètre optique temporel (OTDR) utilisé pour caractériser les capteurs à fibre optique utilisant la rétrodiffusion Raman.Each quad-joint thus equipped is then subjected to earth (i.e. in the laboratory or in the factory) to different electric heating powers. The temperature changes of each quad-joint subjected to these heating powers are measured by an optical temporal reflectometer (OTDR) used to characterize the optical fiber sensors using Raman backscattering.

A partir de ces évolutions de température, il est possible de déterminer la signature thermique de chaque quad-joint, cette signature thermique comprenant des fonctions a(t) et b(t) de transfert thermique corrélant la puissance thermique injectée à un instant (t) à l'élévation de température et vérifiant ainsi l'équation (2) suivante :From these temperature changes, it is possible to determine the thermal signature of each quad-joint, this thermal signature comprising thermal transfer functions a (t) and b (t) correlating the thermal power injected at an instant (t ) to the temperature rise and thus verifying the following equation (2):

T(t) = a(t)T (t) = a (t)

X ^électrique + b(t) (2)X ^ electric + b (t) (2)

Dans cette équation, T(t) représente l'évolution de la température du tube interne de chaque quad-joint mesurée par le capteur à fibre optique et Pëiectrîque correspond à la puissance électrique injectée dans le système de chauffe. Ainsi, les valeurs des fonctions a(t) et b(t) de transfert thermique correspondent aux valeurs d'élévation de température subie par le tube interne du quad-joint lorsqu'il a été soumis à terre aux différentes puissances de chauffe.In this equation, T (t) represents the change in the temperature of the internal tube of each quad-joint measured by the optical fiber sensor and the electric corresponds to the electrical power injected into the heating system. Thus, the values of the thermal transfer functions a (t) and b (t) correspond to the values of temperature rise undergone by the internal tube of the quad-joint when it has been subjected to earth to the various heating powers.

Comme pour les signatures mécaniques, les signatures thermiques des quad-joint se présentent sous la forme de fichiers numériques qui sont stockés à bord d'une mémoire du système informatique équipant le navire de pose et/ou l'installation de surface pour être utilisés ultérieurement pour la surveillance du comportement mécanique de la conduite sous-marine au cours de l'étape de surveillance proprement dite.As with mechanical signatures, the thermal signatures of quad-joints are in the form of digital files which are stored on board a memory of the computer system equipping the laying vessel and / or the surface installation for later use. for monitoring the mechanical behavior of the underwater pipe during the monitoring step proper.

Etape d'étalonnage acoustiqueAcoustic calibration step

Cette étape d'étalonnage acoustique se déroule dans les mêmes conditions opératoires que la phase d'étalonnage mécanique. Chaque quad-joint équipé de son capteur à fibre optique utilisant la rétrodiffusion de Brillouin est soumis à terre (i.e. en laboratoire ou en usine) à différentes sollicitations acoustiques et vibratoires.This acoustic calibration step takes place under the same operating conditions as the mechanical calibration phase. Each quad-joint equipped with its fiber optic sensor using Brillouin backscattering is subjected on land (i.e. in the laboratory or in the factory) to different acoustic and vibratory stresses.

Ces sollicitations acoustiques comprennent l'émission de bruits (dans un spectre de fréquences utile compris typiquement entre 0 et 50 kHz) dans différentes configurations : émission de bruits à l'intérieur du quad-joint rempli d'air par l'intermédiaire d'une barre reliant les deux extrémités du quad-joint, émission de bruits à l'intérieur du quad-joint rempli d'eau par l'intermédiaire d'une barre reliant ses deux extrémités, et émission de bruits à l'extérieur du quad-joint rempli au préalable d'air puis d'eau selon un protocole calibré pour chaque quad-joint (par exemple au moyen d'un système émettant une vibration sonore calibrée). Quant aux sollicitations vibratoires, elles peuvent être réalisées par la mise en vibration globale de l'élément unitaire de conduite à l'aide de plots vibrant.These acoustic stresses include the emission of noise (in a useful spectrum of frequencies typically between 0 and 50 kHz) in various configurations: emission of noise inside the quad-joint filled with air via a bar connecting the two ends of the quad-joint, emission of noise inside the quad-joint filled with water through a bar connecting its two ends, and emission of noise outside the quad-joint filled beforehand with air then water according to a protocol calibrated for each quad-joint (for example by means of a system emitting a calibrated sound vibration). As for the vibratory stresses, they can be achieved by the overall vibration of the unitary pipe element using vibrating pads.

A chaque émission de bruits et de vibrations lors de cette étape de calibration, le réflectomètre optique temporel (OTDR) utilisé pour caractériser les capteurs à fibre optique permet de mesurer les variations de fréquences du quad-joint. Ces mesures se présentent par exemple sous une forme matricielle et constituent pour chaque quad-joint sa signature acoustique et vibratoire (c'est-à-dire son référentiel de base).Each time noise and vibrations are emitted during this calibration step, the optical temporal reflectometer (OTDR) used to characterize the fiber optic sensors makes it possible to measure the frequency variations of the quad-joint. These measurements are, for example, in a matrix form and constitute for each quad-joint its acoustic and vibratory signature (that is to say its basic reference frame).

Comme pour les signatures mécaniques et thermiques, les signatures acoustiques de tous les quad-joints se présentent sous la forme de fichiers numériques qui sont stockés à bord d'une mémoire du système informatique équipant le navire de pose et/ou l'installation de surface pour être utilisés ultérieurement pour la surveillance du comportement de la conduite sous-marine au cours de l'étape de surveillance proprement dite décrite ci-dessous.As with the mechanical and thermal signatures, the acoustic signatures of all quad-joints are in the form of digital files which are stored on board a memory of the computer system equipping the laying vessel and / or the surface installation. to be used subsequently for monitoring the behavior of the underwater pipe during the actual monitoring step described below.

Etape de surveillanceMonitoring step

Au cours de cette étape, les différents quad-joints 4 destinés à former la conduite sous-marine 2 sont raccordés les uns aux autres à bord du navire et au fur et à mesure de leur pose en mer comme cela est connu de l'homme de l'art.During this step, the various quad-joints 4 intended to form the underwater pipe 2 are connected to each other on board the ship and as they are laid at sea as is known to man. art.

Ce raccordement implique notamment que les câbles de mesure 16 installés sur les tubes internes 6 des différents quad-joints soient raccordés entre eux, par exemple en les faisant traverser des perçages 20 formés dans les pièces de jonction 14 (voir la loupe de la figure 1).This connection implies in particular that the measurement cables 16 installed on the internal tubes 6 of the various quad-joints are connected to each other, for example by making them pass through holes 20 formed in the junction pieces 14 (see the magnifying glass in FIG. ).

De plus, au cours de la pose, les quad-joints 4 sont indexés en rotation les uns par rapport aux autres, c'est-à-dire que le repère (Ο, X, Y, Z) propre à chaque quad-joint est repéré aussi bien en rotation qu'en translation dans un repère plus général à travers un système d'information géographique (SIG).In addition, during installation, the quad-joints 4 are indexed in rotation with respect to each other, that is to say that the reference mark (Ο, X, Y, Z) specific to each quad-joint is spotted both in rotation and in translation in a more general frame of reference through a geographic information system (GIS).

Au cours de la pose, et pendant toute la phase de production du réseau, les mesures réalisées par le réflectomètre optique temporel (OTDR) des capteurs à fibres optiques utilisant la rétrodiffusion de Brillouin sont analysées pour déterminer le comportement de la conduite sous-marine aux déformations qu'elle peut subir. Cette étape de récupération et d'analyse des mesures prises par le réflectomètre optique temporel peut être réalisée par le système informatique équipé de moyens logiciels adéquats et présent à bord du navire de pose et/ou de l'installation de surface.During the laying, and throughout the production phase of the network, the measurements made by the optical temporal reflectometer (OTDR) of optical fiber sensors using Brillouin backscattering are analyzed to determine the behavior of the underwater pipe at deformations it can undergo. This step of recovering and analyzing the measurements taken by the optical temporal reflectometer can be carried out by the computer system equipped with suitable software means and present on board the laying vessel and / or the surface installation.

En particulier, il est possible de calculer, grâce à un logiciel de calcul équipant le système informatique de collecte des mesures, les valeurs de déformations Mtx, Mfy, Mfe, Nx subies par chaque quad-joint. En partant de l'équation (1) décrite ci-dessus, il est également possible de déterminer l'évolution de la signature mécanique de chaque quad-joint, cette dernière étant donnée par l'équation (3) ci-dessous :In particular, it is possible to calculate, using a calculation software fitted to the computer system for collecting the measurements, the deformation values Mtx, Mfy, Mfe, Nx undergone by each quad-joint. Starting from equation (1) described above, it is also possible to determine the evolution of the mechanical signature of each quad-joint, the latter being given by equation (3) below:

/ail a21 a31 a41 \aSl al2 a22 a.32 a42 aS2/ garlic a21 a31 a41 \ aSl al2 a22 a.32 a42 aS2

al3 al3 al4 al4 al5\ al5 \ ΑΛ ΑΛ /Mtx\ / Mtx \ a23 a23 a24 a24 a25 a25 ε2 1 ε2 1 Mfy¹ Mfy ¹ a33 a33 a34 a34 a35 a35 ₌₌ e3 e3 x x Mfz Mfz a43 a43 a44 a44 a45 i a45 i e4 e4 Nx Nx a53 a53 a54 a54 a55/ a55 / \e5/ \ e5 / \ P / \ P /

-i (3)-i (3)

De la sorte, en suivant l'évolution des signatures mécaniques des quad-joint, il est possible de connaître à tout moment au cours de la pose de la conduite sous-marine et pendant toute la phase de production du réseau l'intégrité mécanique de la conduite à partir des sollicitations subies par chaque quad-joint formant la conduite sous-marine. Notamment, il est ainsi possible d'identifier avec précision à quel endroit de la conduite sous-marine se produit une déformation importante de la conduite pouvant conduire à des dégâts importants (endommagement mécanique identifié par une baisse de raideur), voire une rupture, de la conduite, ou la formation d'un bouchon à l'intérieur de la conduite pouvant également occasionner une rupture de la conduite. Cette localisation est permise grâce aux phases d'étalonnage qui permettent de connaître précisément les longueurs et la localisation des fibres déployées dans la conduite sous-marine.In this way, by following the evolution of the mechanical signatures of the quad-joints, it is possible to know at any time during the laying of the underwater pipe and throughout the production phase of the network the mechanical integrity of the the driving from the stresses undergone by each quad-joint forming the submarine pipe. In particular, it is thus possible to identify with precision at which point of the underwater pipe a significant deformation of the pipe is produced which can lead to significant damage (mechanical damage identified by a decrease in stiffness), or even a rupture, of the pipe. the pipe, or the formation of a plug inside the pipe can also cause a rupture of the pipe. This localization is made possible thanks to the calibration phases which make it possible to know precisely the lengths and the location of the fibers deployed in the submarine pipe.

La surveillance des signatures thermiques de la conduite sousmarine pendant toute la phase de production du réseau est obtenue à partir des évolutions thermiques subies par la conduite.The monitoring of the thermal signatures of the submarine pipe during the entire production phase of the network is obtained from the thermal changes undergone by the pipe.

Plus précisément, en partant de l'équation (2) décrite ci-dessus et des données recueillies par le réflectomètre optique temporel (OTDR) des capteurs à fibre optique utilisant la rétrodiffusion, il est possible, à l'aide du logiciel de calcul équipant le système informatique, de déterminer l'évolution de la température du tube interne de la conduite sous-marine à chaque instant (en particulier pendant toute la phase de production), à chaque endroit de celui-ci, et en fonction de la puissance électrique injectée dans le système de chauffe de la conduite (cette injection étant typiquement réalisés par des câbles électriques enroulés autour des tubes internes des quad-joints pour les chauffer par effet Joule). Cette détermination des signatures thermiques propres à chaque quad-joint de la conduite en fonction de la puissance électrique de chauffe est rendue possible grâce à la présence des capteurs à fibre optique.More precisely, starting from equation (2) described above and from the data collected by the optical temporal reflectometer (OTDR) of optical fiber sensors using backscattering, it is possible, using the calculation software equipping the computer system, to determine the evolution of the temperature of the inner tube of the submarine pipe at each moment (in particular during the entire production phase), at each location thereof, and as a function of the electrical power injected into the heating system of the pipe (this injection being typically carried out by electric cables wound around the internal tubes of the quad-joints to heat them by the Joule effect). This determination of the thermal signatures specific to each quad-joint of the pipe as a function of the electric heating power is made possible thanks to the presence of optical fiber sensors.

La surveillance de l'évolution de la température des tubes internes des quad-joints de la conduite sous-marine en fonction de la puissance électrique injectée présente de nombreux avantages. Elle permet notamment de contrôler le fonctionnement des câbles électriques de chauffe et d'observer l'éventuelle dégradation des signatures thermiques des quad-joints de la conduite. En effet, la dégradation des signatures thermiques est caractéristique du vieillissement de l'isolant de la conduite (par condensation ou perte du vide) ou de l'apparition de couches d'hydrates dans la conduite interne.Monitoring the evolution of the temperature of the inner tubes of the quad-joints of the submarine pipe as a function of the injected electrical power has many advantages. It makes it possible in particular to check the operation of the electric heating cables and to observe the possible degradation of the thermal signatures of the quad-joints of the pipe. Indeed, the degradation of the thermal signatures is characteristic of the aging of the pipe insulation (by condensation or loss of vacuum) or the appearance of hydrate layers in the internal pipe.

Quant à la surveillance signatures acoustiques et vibratoires de la conduite sous-marine, elle est obtenue en comparant les mesures réalisées pendant toute la phase de production du réseau par le réflectomètre optique temporel (OTDR) des capteurs à fibres optiques utilisant la rétrodiffusion de Brillouin avec les signatures acoustiques et vibratoires établies pour chaque quad-joint lors de l'étape d'étalonnage acoustique.As for the monitoring of acoustic and vibratory signatures of the underwater pipeline, it is obtained by comparing the measurements made during the entire production phase of the network by the optical time reflectometer (OTDR) of optical fiber sensors using Brillouin backscattering with the acoustic and vibration signatures established for each quad-joint during the acoustic calibration step.

Cette étape de récupération et d'analyse des mesures prises par le réflectomètre optique temporel peut être réalisée par le système informatique équipé de moyens logiciels adéquats et présent à bord du navire de pose et/ou de l'installation de surface.This step of recovering and analyzing the measurements taken by the optical temporal reflectometer can be carried out by the computer system equipped with suitable software means and present on board the laying vessel and / or the surface installation.

On notera que les signatures mécaniques et thermiques propres à chaque quad-joint peuvent également être utilisées pour contrôler la qualité de fabrication des quad-joints en vérifiant que les paramètres de la matrice de raideur et les fonctions de rétrodiffusion thermique de chaque quad-joint restent dans une plage de valeurs prédéfinies.It should be noted that the mechanical and thermal signatures specific to each quad-joint can also be used to control the manufacturing quality of the quad-joints by checking that the parameters of the stiffness matrix and the thermal backscattering functions of each quad-joint remain within a range of predefined values.

Claims

1. Method for monitoring the thermomechanical behavior of an underwater pipe for transporting pressurized fluids, the underwater pipe (2) being produced by assembling a plurality of unitary pipe elements (4) placed end to end ultimately, the method comprising:

a step of determining a mechanical signature proper to each unitary pipe element consisting, using at least one measurement cable (16) provided with at least one fiber optic sensor using at least Brillouin backscattering and positioned over the entire length of the unitary pipe element, to measure the deformations undergone or simulated by said unitary pipe element when it is subjected to earth to different mechanical stresses of predetermined directions and intensities, and, from from these deformation measurements, to establish a stiffness matrix associated with the mechanical signature of the unitary driving element;

a step of determining a specific thermal signature for each unitary pipe element consisting, using at least one measurement cable provided with at least one fiber optic sensor using at least Raman backscattering and positioned on any the length of the unitary pipe element, to measure the changes in temperature of said unitary pipe element when it is subjected to earth to different electrical heating powers, and, from these temperature measurements, to establish a function of thermal transfer associated with the thermal signature of the unitary pipe element; and a monitoring step consisting in recovering the variations of the optical signal injected into the optical fiber sensors when the pipe is in service, and, from these variations of the optical signal, in determining the evolution of the mechanical and thermal signatures of each unitary driving element.

2. Method according to claim 1, in which the stiffness matrix associated with the mechanical signature of each unitary pipe element comprises values corresponding to the values of deformations undergone by the unitary pipe element when it has been subjected to earth at different mechanical stresses, and in which the heat transfer function associated with the thermal signature of each unitary pipe element comprises values corresponding to the values of temperature rises experienced by the unitary pipe element when it has been subjected to earth at different heating powers.

3. Method according to claim 2, in which the determination of the deformations undergone by each unitary driving element makes it possible to calculate the values of the stiffness matrix associated with the mechanical signature of each unitary driving element.

4. Method according to any one of claims 1 to 3, in which the mechanical stresses of predetermined directions and amplitudes applied to the ground to each unitary pipe element comprise one or more of the following stresses: torsional stress, stress in tension / compression, stress in bending, and stress in pressure.

5. Method according to any one of claims 1 to 4, in which the measurement cables with optical fiber sensors are positioned on the unitary conductive elements so as to extend substantially parallel to a longitudinal axis (18) of said conduct.

6. Method according to any one of claims 1 to 5, in which the fiber optic sensors of the measurement cables using Brillouin backscatter are monomode fibers.

7. Method according to any one of claims 1 to 6, in which the optical fiber sensors of the measurement cables using Raman backscatter are multimode fibers.

8. Method according to any one of claims 1 to 7, wherein each unitary pipe element (4) comprises an internal tube (6) mounted inside an external tube (8) coaxially therewith. ci, the measurement cables with fiber optic sensors being positioned on the internal tube of said unitary pipe element.

9. Method according to any one of claims 1 to 8, further comprising:

a step of determining an acoustic and vibratory signature specific to each unitary driving element consisting, using the measuring cable provided with the fiber optic sensor using at least Brillouin backscattering and positioned over the entire length of the unit driving element, to measure the frequency variations of each unit driving element when it is subjected to the ground to different acoustic and vibrational stresses, and, from these variations in noise, to establish an acoustic signature of each unit element driving ; and a step of monitoring the acoustic and vibratory integrity of the pipe consisting in recovering the frequency variations of the optical signal injected into the fiber optic sensors when the pipe is in service, and, from these frequency variations, in determine the evolution of the acoustic and vibratory signature of each unitary driving element.

10. The method of claim 9, wherein the acoustic and vibrational stresses applied to the ground to each unitary pipe element comprise: the emission of noise inside the unitary pipe element filled with air via of a bar connecting two ends of said unitary pipe element, the emission of noise to (Interior of the unitary pipe element filled with water by means of a bar connecting two ends of said unitary pipe element, and the overall vibration of the unitary driving element using vibrating studs.