Capteurs LVDT pour les applications de mesure sous-marine

L’environnement sous-marin est l’un des moins favorables pour les capteurs. Surtout lorsque ces capteurs doivent être exploités pendant 20 ans. Dans les environnements sous-marins, les profondeurs de 4,5 km (15 000 pi) peuvent exercer des pressions externes de plus de 500 bar (7 500 psi) sur un capteur. De nombreux capteurs tombent en panne après un certain temps dans les environnements marins profonds à haute pression, ce qui génère des coûts de remplacement extrêmement élevés. Bien souvent, le remplacement d’un capteur est plus coûteux que le capteur lui-même. C’est pourquoi de nombreuses applications exigent que le capteur affiche une durée de vie prolongée. L’eau de mer attaque également les métaux des capteurs à différentes profondeurs, ce qui entraîne une corrosion accélérée par différentes propriétés de l’eau de mer (niveau d’oxygène, température, pH, salinité, activité microbienne, conductivité électrique et débit) selon la profondeur. Une corrosion par piqûres, caverneuse ou intergranulaire peut entraîner une défaillance du capteur.

Les eaux stagnantes ou polluées favorisent également la prolifération de bactéries sulfatoréductrices qui peuvent affecter les performances des matériaux des capteurs. La conductivité électrique élevée de l’eau de mer favorise la corrosion des macrocellules et augmente la corrosion galvanique, ce qui accélère également l’augmentation de la température, favorisant davantage la corrosion. La corrosion microbienne est un problème majeur qui affecte le fonctionnement des capteurs selon leurs conditions d’utilisation et leurs matériaux de conception, notamment les aciers inoxydables austénitiques de mauvaise qualité. Ce processus de corrosion implique une dégradation du matériau qui intervient généralement au niveau des soudures et compromet leur intégrité si le problème n’est pas identifié et traité à temps. Les effets de la pression et de l’eau de mer rendent particulièrement délicate une exploitation sous-marine fiable des capteurs. En fonction de la température, de la salinité, des niveaux d’oxygène et de la profondeur de l’eau de mer, le LVDT (transformateur différentiel à variation linéaire) est souvent la seule technologie capable de fournir des mesures précises et fiables dans un environnement sous-marin, à condition qu’il soit scellé hermétiquement et fabriqué en alliages spéciaux.

Un LVDT est un capteur électromécanique qui convertit le mouvement rectiligne d’un objet, auquel il est mécaniquement couplé, en signal électrique correspondant.  Un capteur de position linéaire LVDT propose diverses plages de mesure et peut mesurer des mouvements compris entre quelques millionièmes de centimètres seulement et ±50 cm (20 po). La figure A montre les composants d’un LVDT classique. La structure interne du transformateur se compose d’un enroulement primaire centré entre deux enroulements secondaires enroulés à l’identique, espacés de façon symétrique de chaque côté de l’enroulement primaire. Les bobines sont enroulées sur une pièce monobloc creuse en polymère renforcé de verre thermiquement stable, encapsulées pour résister à l’humidité, enveloppées dans une protection magnétique à haute perméabilité, puis fixées dans un boîtier cylindrique en acier inoxydable. L’ensemble de la bobine constitue généralement l’élément stationnaire du capteur de position. En fonctionnement, l’enroulement primaire du LVDT est alimenté par un courant alternatif d’amplitude et de fréquence appropriées, appelé excitation primaire. Le signal de sortie électrique du LVDT est la tension CA différentielle entre deux enroulements secondaires, qui varie en fonction de la position axiale du noyau dans la bobine LVDT. Habituellement, cette tension de sortie CA est convertie par des circuits électroniques appropriés en tension ou courant CC élevé plus pratique à utiliser.

Les capteurs de position linéaire LVDT sont couramment utilisés pour les fonctions de contrôle et de sécurité des applications telles que les plates-formes offshore, les systèmes de dessalement, les câbles d’amarrage, les têtes de puits de fond marin ainsi que les systèmes d’extraction de pétrole et de gaz. En fonctionnement, les capteurs peuvent être immergés dans l’eau de mer à différentes profondeurs selon les marées, jusqu’à 304 m (1 000 pi). La précision et le fonctionnement longue durée du LVDT sont particulièrement nécessaires pour surveiller le mouvement structurel en vue de l’analyse par éléments finis à long terme des pipelines, des derricks, des amarres, des vannes d’étranglement, des extensomètres et d’autres éléments critiques à forte contrainte sur les plates-formes pétrolières offshore. Par exemple, les LVDT sous-marins peuvent être utilisés pour mesurer l’extension des éléments structurels des plates-formes pétrolières avec une précision d’une fraction d’une microcontrainte. Pour vérifier que les plates-formes pétrolières ne se déplacent pas, le mouvement est mesuré avec une précision de moins de 2 mm. Les LVDT sous-marins sont également adaptés pour fournir les informations de position requises pour la surveillance et le contrôle de l’état des duses ou des vannes afin de fournir le débit de gaz ou de pétrole approprié dans les « arbres de Noël sous-marins ». Un arbre de Noël sous-marin désigne un ensemble de vannes, de manchettes et de raccords d’un puits de pétrole, qui font penser à un arbre décoré. Il a pour fonction d’acheminer les fluides extraits du puits et d’empêcher le reflux de pétrole ou de gaz d’un puits de pétrole.

Des vannes ou des duses de l’arbre de Noël sont utilisées pour ouvrir et fermer les conduites qui acheminent le pétrole depuis le fond marin. Ils sont contrôlés à distance par des actionneurs hydrauliques ou électriques. Des informations de position sont nécessaires pour surveiller et contrôler l’état des duses dans un module de contrôle sous-marin. Des LVDT simples ou redondants montés sur des actionneurs de vanne sont utilisés pour vérifier que lorsque les duses sont pratiquement fermées, le débit est entièrement coupé. La fermeture incomplète d’une duse pourrait entraîner une catastrophe environnementale similaire à celle qui a eu lieu récemment dans le golfe du Mexique. Il existe plusieurs tailles de duses marines, mais les courses complètes sont généralement comprises entre 5 cm (2 po) et 30 cm (12 po). Les LVDT sont également utilisés dans les tours sous-marines pour surveiller l’extension des câbles de sécurité, fournissant des informations critiques en cas de perturbations météorologiques ou de tremblement de terre pour l’évacuation de la plate-forme de forage et la fermeture du puits de pétrole. Cette application est le résultat des politiques imposées par les compagnies pétrolières et d’assurance en matière de sécurité et d’environnement.