一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，屬于海洋工程和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。其裝置包括分布式傳感單元以及傳感單元間的連接保護(hù)裝置兩部分組成。分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器預(yù)埋在具有齒形截面的螺旋狀傳感器封裝保護(hù)層中，構(gòu)成具有抑振功能的分布式傳感單元。在海管施工過(guò)程中將分布式傳感單元布設(shè)在海管外壁，并通過(guò)連接保護(hù)裝置使相鄰管段的傳感單元連通。通過(guò)對(duì)服役中海管應(yīng)變的分布式監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)海管結(jié)構(gòu)安全性的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。該監(jiān)測(cè)裝置提供了一種具有齒形截面的螺旋狀分布式傳感單元及其連接保護(hù)裝置，使其適應(yīng)海管現(xiàn)場(chǎng)施工和傳感器長(zhǎng)期服役的要求，同時(shí)還可為海管提供擾流抑振的功能。
【專利說(shuō)明】
一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，屬于海洋工程和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]海管(包括立管)是海上油田油氣集輸?shù)闹饕绞?。隨著我國(guó)海洋油氣資源開發(fā)活動(dòng)的迅速發(fā)展，海管的鋪設(shè)里程日益增加。與陸地管線相比，海管的服役條件更加惡劣，不但時(shí)刻受到波浪、海流等動(dòng)力因素的作用，而且長(zhǎng)期遭受腐蝕、疲勞等退化效應(yīng)的影響，在全壽命服役周期內(nèi)結(jié)構(gòu)退化現(xiàn)象明顯，損傷泄漏事件時(shí)有發(fā)生。一旦海管發(fā)生泄漏，除了會(huì)造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失以外，所引發(fā)的環(huán)境污染和生態(tài)災(zāi)難更是無(wú)法挽回。因此，在線監(jiān)測(cè)海管的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)時(shí)評(píng)估其服役安全性，便成為海洋油氣資源開發(fā)中亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
[0003]海管工作于復(fù)雜的水下環(huán)境，常規(guī)的檢測(cè)評(píng)價(jià)難以實(shí)施。目前，海管的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)價(jià)主要依賴兩類技術(shù)，一類是以智能豬(PIG)為代表的管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)，另外一類是以側(cè)掃聲納和潛水員探查為代表的管外檢測(cè)技術(shù)。管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)存在數(shù)據(jù)解釋困難、檢測(cè)成本高和檢測(cè)精度低的問(wèn)題，而管外檢測(cè)技術(shù)通常無(wú)法適應(yīng)深水和超深水的要求，并且難以檢測(cè)隱蔽部位的結(jié)構(gòu)局部損傷。更為嚴(yán)重的是，這兩類技術(shù)均無(wú)法滿足在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，難以捕捉通常具有突發(fā)性特點(diǎn)的管道泄漏事件。
[0004]基于背向散射原理(布里淵、拉曼或瑞利)的光纖傳感技術(shù)，能以真正的分布式的方式對(duì)結(jié)構(gòu)變形或外界溫度擾動(dòng)實(shí)施測(cè)量，在大型結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中逐漸得到應(yīng)用。尤其是，分布式光纖傳感技術(shù)所具有的長(zhǎng)距離、大范圍監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，使其成為管線結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的理想技術(shù)之一。在海管應(yīng)用中，目前國(guó)內(nèi)外主要采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行管線結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。這類技術(shù)的基本原理是，管中高溫原油的泄出將導(dǎo)致漏點(diǎn)附近海水或海床的溫度發(fā)生變化，因此通過(guò)在管線沿途布設(shè)分布式測(cè)溫光纜，即可監(jiān)測(cè)管線泄漏事故的發(fā)生。分布式測(cè)溫技術(shù)盡管可以解決管線泄漏的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，但是也存在無(wú)法監(jiān)測(cè)管線結(jié)構(gòu)狀態(tài)退化的局限性，而且管線一旦泄漏，則事故已經(jīng)發(fā)生。為了滿足退化監(jiān)測(cè)與安全預(yù)警的要求，更為直接的方式是對(duì)管線的應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，根據(jù)應(yīng)變信息實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。但是眾所周知，光纖非常脆弱，容易在施工和服役過(guò)程中受到損壞，因此需要對(duì)光纖傳感器進(jìn)行特殊的封裝，使其適應(yīng)嚴(yán)酷的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。針對(duì)分布式光纖傳感器，另外一個(gè)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題是，分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)要求傳感器在傳感路徑上的每一點(diǎn)與結(jié)構(gòu)相連，這在海上施工中是難以做到的，成為分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)在海管應(yīng)用中的“瓶頸”。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型旨在提供一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)將分布式光纖傳感器預(yù)埋于一種特殊設(shè)計(jì)的封裝保護(hù)層中，實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感器的現(xiàn)場(chǎng)快速安裝，解決分布式光纖傳感器長(zhǎng)期服役的耐久性和可靠性問(wèn)題，同時(shí)該監(jiān)測(cè)裝置也可為海管提供抑振功能。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，它包括分布式傳感單元和兩個(gè)分布式傳感單元之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)，所述分布式傳感單元采用分布式光纖應(yīng)變傳感器和設(shè)置在毛細(xì)鋼管中的溫度補(bǔ)償傳感器預(yù)埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護(hù)層中；所述兩個(gè)分布式傳感單元之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)采用把一個(gè)分布式傳感單元中的分布式光纖應(yīng)變傳感器與另一個(gè)分布式傳感單元中的分布式光纖應(yīng)變傳感器的端部在先套上鋼熱縮管后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管，同時(shí)把一個(gè)分布式傳感單元中的溫度補(bǔ)償傳感器與另一個(gè)分布式傳感單元中的溫度補(bǔ)償傳感器的端部在先套上鋼熱縮管后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管，在兩個(gè)分布式傳感單元的連接處包裹瀝青瑪蹄脂;在海管施工過(guò)程中，將三個(gè)分布式傳感單元周向均布螺旋式纏繞在海管的外壁上，所述傳感器封裝保護(hù)層的圓弧面緊貼在海管的外圓面上并用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑固定，再用導(dǎo)引光纜把分布式傳感單元與采集分析儀連接。
[0007]本實(shí)用新型的有益效果是:這種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，分布式傳感單元采用分布式光纖應(yīng)變傳感器和設(shè)置在毛細(xì)鋼管中的溫度補(bǔ)償傳感器預(yù)埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護(hù)層中。兩個(gè)分布式傳感單元之間的連接采用把兩個(gè)分布式傳感單元中的分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器的端部熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管和包裹瀝青瑪蹄脂;在海管施工過(guò)程中，將三個(gè)分布式傳感單元周向均布螺旋式纏繞在海管的外壁上，用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑固定，再用導(dǎo)引光纜把分布式傳感單元與采集分析儀連接。該監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法為海管提供擾流抑振的功能。通過(guò)在線獲得的分布式應(yīng)變信息，能夠?qū)崟r(shí)評(píng)價(jià)海管(包括立管)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和服役安全性，預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生，為我國(guó)海洋石油資源的開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是分布式傳感單元示意圖。
[0009]圖2是兩個(gè)分布式傳感單元之間的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3是在海管上布置三個(gè)分布式傳感單元示意圖。
[0011]圖4是圖3中的A向視圖。
[0012]圖5是圖4中的三個(gè)分布式傳感單元安全監(jiān)測(cè)接線示意圖。
[0013]圖中:1、分布式光纖應(yīng)變傳感器，2、溫度補(bǔ)償傳感器，3、毛細(xì)鋼管，4、傳感器封裝保護(hù)層，4a、圓弧面，5、分布式傳感單元，5a、第一分布式傳感單元，5b、第二分布式傳感單元，5c、第三分布式傳感單元，6、瀝青瑪蹄脂，7、海管，8、鋼熱縮管，9、導(dǎo)引光纜，10、采集分析儀。
【具體實(shí)施方式】
[0014]圖1、2示出了分布式傳感單元和連接結(jié)構(gòu)示意圖。這種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置包括分布式傳感單元5和兩個(gè)分布式傳感單元5之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)，分布式傳感單元5采用分布式光纖應(yīng)變傳感器I和設(shè)置在毛細(xì)鋼管3中的溫度補(bǔ)償傳感器2預(yù)埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護(hù)層4中。兩個(gè)分布式傳感單元5之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)米用把一個(gè)分布式傳感單兀5中的分布式光纖應(yīng)變傳感器I與另一個(gè)分布式傳感單兀5中的分布式光纖應(yīng)變傳感器I的端部在先套上鋼熱縮管8后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管8，同時(shí)把一個(gè)分布式傳感單元5中的溫度補(bǔ)償傳感器2與另一個(gè)分布式傳感單元5中的溫度補(bǔ)償傳感器2的端部在先套上鋼熱縮管8后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管8，在兩個(gè)分布式傳感單元5的連接處包裹瀝青瑪蹄脂6。
[0015]圖3、4、5示出了在海管上布置三個(gè)分布式傳感單元示意圖。在海管施工過(guò)程中，將三個(gè)分布式傳感單元5周向均布螺旋式纏繞在海管7的外壁上，傳感器封裝保護(hù)層4的圓弧面4a緊貼在海管7的外圓面上并用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑固定，用導(dǎo)引光纜9把三個(gè)分布式傳感單元5與采集分析儀10連接。
[0016]這種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，具體包括以下步驟:
[0017](a)根據(jù)海管7外徑以及海管7現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，確定分布式傳感單元5的長(zhǎng)度和螺旋角度;通過(guò)對(duì)海管7的流致振動(dòng)理論或數(shù)值分析，確定傳感器封裝保護(hù)層4的截面形狀以及齒形截面的尺寸；
[0018](b)根據(jù)(a)確定的參數(shù)，制作傳感器封裝保護(hù)層4的模具；
[0019](c)采用聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在模具中預(yù)制傳感器封裝保護(hù)層4;預(yù)制過(guò)程中，將分布式光纖應(yīng)變傳感器I預(yù)埋在傳感器封裝保護(hù)層4中，同時(shí)將毛細(xì)鋼管3也預(yù)埋在傳感器封裝保護(hù)層4中；分布式光纖應(yīng)變傳感器I與毛細(xì)鋼管3在傳感器封裝保護(hù)層4中平行布設(shè);傳感器封裝保護(hù)層4預(yù)制完成后，利用氣吹法將溫度補(bǔ)償傳感器2吹入毛細(xì)鋼管3中，使其保持松弛狀態(tài);分布式光纖應(yīng)變傳感器I和溫度補(bǔ)償傳感器2應(yīng)在傳感器封裝保護(hù)層4端部以外預(yù)留一定長(zhǎng)度，用于相鄰傳感器之間的連接操作;分布式光纖應(yīng)變傳感器I和溫度補(bǔ)償傳感器2以及傳感器封裝保護(hù)層4就組成了具有抑振功能的螺旋狀分布式傳感單元5;
[0020](d)在海管7施工現(xiàn)場(chǎng)，在當(dāng)前施工管段按照截面等間距布設(shè)的方式，采用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑將3個(gè)螺旋狀分布式傳感單元5平行布設(shè)于海管7的外壁；
[0021](e)位于相鄰管段上的分布式傳感單元5，采用現(xiàn)場(chǎng)熔接的方式分別將分布式光纖應(yīng)變傳感器I和溫度補(bǔ)償傳感器2首尾相連;然后加熱鋼熱縮管8，對(duì)連接光纖形成保護(hù);并使用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑把鋼熱縮管8固定在海管7的外壁;在海管7和鋼熱縮管8的外面澆筑瀝青瑪蹄脂6，對(duì)分布式傳感單元5的連接部位形成封裝保護(hù)；
[0022](f)完成所有的分布式傳感單元5的布設(shè)和連接后，通過(guò)導(dǎo)引光纜9將分布式光纖應(yīng)變傳感器I和溫度補(bǔ)償傳感器2與采集分析儀10相連，完成海管7分布式安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝工作；
[0023](g)利用分布式安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海管7的應(yīng)變和沿途溫度實(shí)施監(jiān)測(cè);根據(jù)分布式溫度測(cè)量結(jié)果，對(duì)分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償；由于海管7的每個(gè)截面布設(shè)有等間距的三個(gè)測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于三個(gè)分布式傳感單元5)，進(jìn)而可以根據(jù)消除溫度效應(yīng)后的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得海管7在任意截面上由軸壓和彎曲所導(dǎo)致的應(yīng)變;利用分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息，可對(duì)海管7的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其退化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。
[0024]采用上述的技術(shù)方案，分布式光纖應(yīng)變傳感器由普通光導(dǎo)纖維擔(dān)任，應(yīng)變測(cè)量由基于布里淵或瑞利背向散射的時(shí)域反射/分析或時(shí)域/頻域相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0025]溫度補(bǔ)償傳感器由松弛的普通光導(dǎo)纖維組成，與分布式光纖應(yīng)變傳感器平行布設(shè)，溫度測(cè)量同樣由基于布里淵或瑞利背向散射的時(shí)域反射/分析或時(shí)域/頻域相干技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0026]傳感器封裝保護(hù)層可以由聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制作而成，具有一定的強(qiáng)度，且可抵御海洋腐蝕環(huán)境，滿足光纖傳感器耐久性保護(hù)的要求。傳感器封裝保護(hù)層根據(jù)海管外徑預(yù)制成螺旋形，在其中預(yù)埋分布式光纖應(yīng)變傳感器，并且在分布式光纖應(yīng)變傳感器的附近預(yù)留直徑是溫度補(bǔ)償光纖直徑2-4倍的孔道，與分布式光纖應(yīng)變傳感器平行布置，在孔道內(nèi)部布設(shè)松弛的溫度補(bǔ)償傳感器。螺旋狀傳感器封裝保護(hù)層沿長(zhǎng)度方向分布有齒形截面，起到擾流抑振的作用。
[0027]每個(gè)集成有分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器的封裝保護(hù)層就構(gòu)成了一個(gè)具有抑振功能的螺旋狀分布式傳感單元。
[0028]傳感單元間的連接保護(hù)裝置包括鋼熱縮管和瀝青瑪蹄脂封裝保護(hù)材料。其中，鋼熱縮管起到保護(hù)相鄰的分布式傳感器單元的連接光纖的作用，瀝青瑪蹄脂對(duì)熱縮套管以及分布式傳感單元的連接部位進(jìn)行外封裝保護(hù)。
[0029]在海管鋪設(shè)時(shí)，在當(dāng)前施工的管段將三個(gè)具有抑振功能的螺旋狀分布式傳感單元，按照截面等間距分布的方法布設(shè)在海管外壁，二者之間通過(guò)高強(qiáng)快固粘結(jié)劑連接，保證分布式傳感單元的變形與海管變形一致。將沿管道縱向分布的傳感單元內(nèi)的分布式光纖應(yīng)變傳感器以及溫度補(bǔ)償傳感器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)熔接的方式彼此連通。然后，在光纖連接處將對(duì)鋼熱縮管進(jìn)行加熱，使其發(fā)生收縮，從而對(duì)連接光纖起到保護(hù)作用，并使用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑將剛熱縮管固定在海管外壁。連接光纖保護(hù)操作完成后，在相鄰的兩個(gè)傳感單元之間澆筑瀝青瑪蹄脂，對(duì)光纖傳感單元連接位置進(jìn)行封裝保護(hù)。待所有分布式傳感單元布設(shè)完成后，通過(guò)導(dǎo)引光纜將分布式光纖傳感器與采集分析儀相連接，對(duì)海管應(yīng)變和沿途溫度實(shí)施分布式監(jiān)測(cè)。利用分布式溫度傳感器的測(cè)量結(jié)果，對(duì)分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于每個(gè)截面布設(shè)有等間距的三個(gè)測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)于三個(gè)分布式傳感單元)，進(jìn)而可以根據(jù)消除溫度效應(yīng)后的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得海管在任意截面上由軸壓和彎曲所導(dǎo)致的分布式應(yīng)變。利用分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息，可對(duì)海管結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其退化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置，它包括分布式傳感單元(5)和兩個(gè)分布式傳感單元(5)之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)，其特征是:所述分布式傳感單元(5)采用分布式光纖應(yīng)變傳感器(I)和設(shè)置在毛細(xì)鋼管(3)中的溫度補(bǔ)償傳感器(2)預(yù)埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護(hù)層(4)中；所述兩個(gè)分布式傳感單元(5)之間的連接保護(hù)結(jié)構(gòu)采用把一個(gè)分布式傳感單7Π(5)中的分布式光纖應(yīng)變傳感器(I)與另一個(gè)分布式傳感單7Π( 5)中的分布式光纖應(yīng)變傳感器(I)的端部在先套上鋼熱縮管(8)后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管(8)，同時(shí)把一個(gè)分布式傳感單元(5)中的溫度補(bǔ)償傳感器(2)與另一個(gè)分布式傳感單元(5)中的溫度補(bǔ)償傳感器(2)的端部在先套上鋼熱縮管(8)后熔接在一起，然后加熱保護(hù)熔接部的鋼熱縮管(8)，在兩個(gè)分布式傳感單元(5)的連接處包裹瀝青瑪蹄脂(6);在海管施工過(guò)程中，將三個(gè)分布式傳感單元(5)周向均布螺旋式纏繞在海管(7)的外壁上，所述傳感器封裝保護(hù)層(4)的圓弧面(4a)緊貼在海管(7)的外圓面上并用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑固定，再用導(dǎo)引光纜(9)把分布式傳感單元(5)與采集分析儀(10)連接。
【文檔編號(hào)】F16F15/02GK205580397SQ201620250260
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】馮新, 吳文婧, 李昕, 劉錦昆, 陳同彥, 季文峰
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)