Capteurs LVDT dans les environnements sous-marins

Les aciers inoxydables courants, notamment les nuances 304 et 316, ne doivent pas être utilisés pour des capteurs destinés à fonctionner en contact direct avec l’eau de mer. Des aciers duplex à teneur élevée en éléments d’alliage et présentant un indice d’équivalence de résistance à la corrosion par piqûres (PREN) supérieur à 40 ont été utilisés comme solutions de remplacement. Toutefois, ces alliages ne garantissent pas une durée de service longue et fiable dans les environnements marins profonds ou arctiques. Le PREN est calculé à partir de la contribution pondérée du chrome (Cr), du molybdène (Mo) et de l’azote (N) :

PREN = %Cr + (3,3 × %Mo) + (16 × %N)

À des profondeurs supérieures à 600 m, où la température de l’eau de mer est proche de 5 °C, l’acier inoxydable peut devenir une solution adaptée.

Les superalliages à base de nickel offrent une excellente résistance à la corrosion localisée ainsi qu’aux milieux oxydants et réducteurs. Leur coût est plus élevé que celui des aciers inoxydables ou duplex, mais ils sont particulièrement adaptés aux équipements devant assurer une longue durée de service.

Un LVDT hermétiquement scellé empêche toute pénétration du milieu extérieur dans les enroulements. Cette conception le protège efficacement contre l’eau et les agents chimiques susceptibles de réduire la durée de vie du capteur. Un ensemble type comprend :

• Un boîtier métallique à paroi épaisse intégrant une chemise den acier inoxydable 316 ou en superalliage à base de nickel.
• Une chemise d’alésage et des rondelles d’extrémité soudées de manière à former une enceinte hermétique, exempte de défauts pouvant favoriser l’oxydation ou provoquer des fuites.
• Des bobines enroulées sur un support creux monobloc en polymère renforcé de fibres de verre, thermiquement stable, protégées contre l’humidité, entourées d’un blindage magnétique à haute perméabilité et maintenues dans un boîtier cylindrique métallique.
• Des composés d’enrobage ou des résines d’encapsulation en option pour les environnements particulièrement sévères.
• Des conducteurs étanchés au moyen d’une traversée verre-métal ou d’un passe-fil de compression, protégés par une gaine en acier inoxydable ou un revêtement PTFE afin d’éviter toute défaillance des connexions.
  

Cette conception permet au noyau de se déplacer librement tout en maintenant les enroulements totalement isolés du milieu environnant.

• Pression : Les LVDT hermétiques standard peuvent supporter des pressions allant jusqu’à 3 000 psig.
• Température : Le noyau hermétiquement scellé peut résister à des températures atteignant 200 °C, selon la conception retenue et les conditions de fonctionnement.
• Profondeur (avec l’alliage approprié) : Les ensembles LVDT fabriqués en alliage 718 ou dans d’autres superalliages peuvent être exposés directement à l’eau de mer à des profondeurs atteignant environ 4 600 m et à des pressions externes d’environ 7 500 psi.

La précision des LVDT et leur fiabilité à long terme les rendent particulièrement adaptés à la surveillance des déplacements structurels dans le cadre d’analyses par éléments finis (FEA) réalisées sur des pipelines, des derricks, des systèmes d’amarrage, des vannes d’étranglement, des extensomètres et d’autres structures fortement sollicitées présentes sur les plateformes pétrolières offshore. Les capteurs LVDT sous-marins permettent de mesurer l’allongement des éléments structurels avec une précision correspondant à une fraction de microdéformation, tandis que les déplacements des plateformes sont généralement surveillés avec une précision meilleure que 2 mm.

Un arbre de Noël sous-marin est un ensemble de vannes, de raccords et d’équipements installé sur un puits pétrolier ou gazier sous-marin, dont la configuration rappelle la forme d’un arbre décoré. Il permet d’empêcher toute libération incontrôlée de pétrole ou de gaz tout en dirigeant le flux provenant du puits. Les vannes et les étrangleurs, commandés à distance par des actionneurs hydrauliques ou électriques, ouvrent et ferment les conduites qui acheminent les hydrocarbures depuis les fonds marins. Les capteurs LVDT fournissent les informations de position nécessaires à la surveillance et au contrôle des vannes d'étranglements au sein du module de commande sous-marin. Des capteurs LVDT simples ou redondants installés sur les actionneurs de vannes permettent de confirmer que le débit est totalement interrompu lorsque les vannes d'étranglements sont pratiquement fermés. L’impossibilité de fermer complètement une vanne d'étranglement peut entraîner une catastrophe environnementale, comme l’ont montré certains incidents survenus dans le golfe du Mexique. La course totale est généralement comprise entre 5 et 30 centimètres.

Les capteurs LVDT sont également utilisés sur les structures sous-marines pour surveiller l’allongement des câbles de sécurité et fournir des informations essentielles lors de conditions météorologiques extrêmes ou de séismes. Ces données contribuent à la prise de décision concernant l’évacuation des plateformes de forage et la fermeture des puits. Ces mesures répondent aux exigences de sécurité et de protection de l’environnement imposées par les compagnies pétrolières et les assureurs.

Pour les capteurs destinés à fonctionner en eau de mer, trois règles de conception essentielles découlent directement des propriétés des matériaux :

1. Adaptez l’alliage en fonction de la profondeur et de la température. Alliage 400 pour les eaux chaudes peu profondes. Acier inoxydable uniquement au-delà d’environ 600 mètres, lorsque la température de l’eau est proche de 5 °C. Alliages 625, 718 ou C276 pour les environnements profonds soumis à de fortes pressions.
2. Privilégiez une conception hermétique lorsque le capteur est exposé à un milieu corrosif ou sous pression Les chemises d’alésage soudées, les sorties de câbles étanches et les enroulements encapsulés constituent des éléments déterminants pour atteindre une durée de service de plusieurs décennies plutôt que d’imposer des remplacements prématurés.
3. Considérez la MIC comme une contrainte de conception, et non comme un problème de maintenance. Les joints soudés réalisés sur des aciers inoxydables austénitiques de qualité standard constituent les zones de défaillance les plus fréquentes. De plus, les attaques provoquées par les bactéries sulfato-réductrices (SRB) s’intensifient fortement lorsque la température se situe entre 25 °C et 41 °C.

Lorsque ces contraintes sont prises en compte, le LVDT hermétiquement scellé, conçu à partir du superalliage adapté, constitue une solution de mesure de position fiable pour les systèmes sous-marins de contrôle et de sécurité.

Pourquoi l'eau de mer est-elle si corrosive pour les métaux utilisés dans les capteurs ?

L’eau de mer attaque les métaux différemment selon la profondeur en raison des variations de la teneur en oxygène, de la température, du pH, de la salinité (chlorinité), de l’activité biologique, de la conductivité électrique et de la vitesse des courants. Sa conductivité électrique élevée favorise également la corrosion par macrocellules et accentue la corrosion galvanique. Ces phénomènes accélèrent les réactions corrosives et contribuent à une augmentation locale de la température, ce qui amplifie encore la dégradation des matériaux.

Quels sont les principaux agents corrosifs présents dans l’eau de mer ?
Les principaux ions corrosifs présents dans l’eau de mer sont les chlorures, les sulfates, les bromures et les bicarbonates (anions), ainsi que le sodium, le magnésium, le calcium et le potassium (cations). L’oxygène dissous, le dioxyde de carbone et les micro-organismes contribuent également aux phénomènes de corrosion. Les chlorures dissous et les autres sels constituent les principaux responsables de la corrosion localisée des aciers inoxydables et des autres matériaux à comportement actif-passif.

Quels types de corrosion provoquent le plus souvent la défaillance des capteurs sous-marins ?
Les défaillances des capteurs sous-marins sont le plus souvent dues à une corrosion localisée se manifestant sous forme de corrosion par piqûres, de corrosion en crevasse ou de corrosion intergranulaire. Les eaux stagnantes ou polluées représentent une menace supplémentaire, car elles favorisent le développement de bactéries sulfato-réductrices (SRB), qui accélèrent la dégradation des matériaux.

Qu’est-ce que la corrosion d’origine microbienne (MIC) et pourquoi est-elle importante pour les capteurs ?
La corrosion d’origine microbienne (MIC) est un phénomène de corrosion résultant de l’activité de micro-organismes qui dégradent progressivement les matériaux du capteur. Elle apparaît le plus souvent au niveau des joints soudés et peut entraîner une défaillance des soudures lorsqu’elle n’est pas détectée suffisamment tôt. La MIC est particulièrement critique pour les aciers inoxydables austénitiques bas de gamme et constitue l’une des principales causes de défaillance des capteurs utilisés en environnement sous-marin.

Quels types de bactéries sont à l’origine de la MIC ?
Les bactéries impliquées dans la corrosion d’origine microbienne (MIC) se répartissent en cinq grandes catégories fonctionnelles : les bactéries formatrices de biofilm ; les bactéries productrices d’acide ; les bactéries oxydantes du fer ; les bactéries sulfato-réductrices ; les bactéries réductrices du fer et des nitrates. Les espèces aérobies se développent dans les milieux riches en oxygène, tandis que les espèces anaérobies prédominent lorsque la teneur en oxygène est faible. Des centaines d’espèces différentes peuvent être à l’origine de la MIC.

Comment le mécanisme SRB–APB attaque-t-il l’acier des capteurs ?
Les bactéries productrices d’acide (APB) consomment l’oxygène et produisent des acides organiques ainsi que des alcools à faible masse moléculaire. Les bactéries sulfato-réductrices (SRB) utilisent ensuite ces composés organiques et génèrent du sulfure d’hydrogène. Le sulfure agit comme une cathode au contact de l’acier et attaque la surface du capteur par un mécanisme électrochimique qui consomme le fer anodique. Il en résulte une corrosion par piqûres ainsi que la formation de croûtes ou d’écailles à la surface du matériau.

À quelle température la corrosion d’origine microbienne s’accélère-t-elle ?
La corrosion induite par les bactéries sulfato-réductrices (SRB) s’accélère fortement lorsque la température de l’eau de mer se situe entre 25 °C et 41 °C en fonction des conditions locales. Les ingénieurs chargés de sélectionner des capteurs pour des installations situées en zone tropicale ou équatoriale doivent considérer cette plage de température comme une contrainte de conception majeure.

Les aciers inoxydables 304 ou 316 peuvent-ils être utilisés pour des capteurs en eau de mer ?
Les aciers inoxydables classiques, notamment les nuances 304 et 316, ne sont généralement pas recommandés pour les environnements sous-marins. À des profondeurs supérieures à 600 m, où la température de l’eau de mer est proche de 5 °C, l’acier inoxydable peut devenir une solution adaptée. Les boîtiers et les supports de noyau fabriqués en acier inoxydable offrent toutefois une durée de vie réduite dans les eaux chaudes peu profondes.

Qu’est-ce que le PREN et comment est-il calculé ?
Le PREN (indice d’équivalence de résistance à la corrosion par piqûres) évalue la résistance d’un alliage à la corrosion par piqûres à partir de sa teneur en chrome (Cr), molybdène (Mo) et azote (N). La formule de calcul est la suivante :

PREN = %Cr + (3,3 × %Mo) + (16 × %N)

Des aciers duplex présentant un PREN supérieur à 40 ont été utilisés comme alternatives aux aciers inoxydables conventionnels. Cependant, ces alliages ne garantissent pas une durée de service longue et fiable dans les environnements marins profonds ou arctiques.

Pourquoi le LVDT est-il la technologie privilégiée pour les applications sous-marines ?
En raison des effets combinés de la pression et de l’eau de mer, les environnements sous-marins imposent des contraintes particulières pour garantir un fonctionnement fiable sur le long terme. Selon la température, la salinité, la teneur en oxygène et la profondeur d’immersion, le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT), lorsqu’il est hermétiquement scellé et réalisé à partir d’alliages adaptés, constitue souvent la solution la plus fiable pour fournir des mesures précises et durables dans ces environnements.

Quels sont les composants d'un ensemble LVDT hermétiquement scellé ?
Un LVDT hermétiquement scellé empêche toute pénétration du milieu extérieur dans les enroulements. Un ensemble type comprend :

• Un boîtier métallique à paroi épaisse intégrant une chemise d’alésage en acier inoxydable 316 ou en superalliage à base de nickel.
• Une chemise d’alésage et des rondelles d’extrémité soudées afin de former une enceinte hermétique exempte de défauts susceptibles de favoriser l’oxydation.
• Les bobines sont enroulées autour d’une pièce monobloc creuse en polymère renforcé de verre thermiquement stable, encapsulées pour résister à l’humidité, le tout enveloppé dans un blindage pour une protection magnétique à haute perméabilité, puis placées dans un boîtier cylindrique en acier inoxydable.
• Des composés d’enrobage ou des résines d’encapsulation en option pour les environnements particulièrement sévères.
• Des conducteurs scellés au moyen d’une traversée verre-métal ou d’un passe-fil de compression, protégés par une gaine en acier inoxydable ou un revêtement PTFE.

Cette conception permet au noyau de se déplacer librement tout en maintenant les enroulements totalement isolés du milieu environnant.

Quelles sont les limites de fonctionnement d’un LVDT hermétiquement scellé ?
Les LVDT hermétiquement scellés standard peuvent supporter des pressions de service allant jusqu’à 3 000 psig ainsi que des températures au niveau du noyau atteignant 200 °C. Lorsqu’ils sont conçus en alliage 718 ou dans d’autres superalliages, les ensembles LVDT peuvent être exposés directement à l’eau de mer à des profondeurs atteignant 4 600 m et à des pressions externes d’environ 7 500 psi.