一種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明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)裝置及其監(jiān)測(cè)方法,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)闹饕绞健kS著我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)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(lài)兩類(lèi)技術(shù),一類(lèi)是以智能豬(PIG)為代表的管內(nèi)檢測(cè)技術(shù),另外一類(lèi)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(lèi)技術(shù)均無(wú)法滿(mǎn)足在線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。這類(lèi)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(xiàn)沿途布設(shè)分布式測(cè)溫光纜,即可監(jiān)測(cè)管線(xiàn)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(xiàn)泄漏的監(jiān)測(cè)問(wèn)題,但是也存在無(wú)法監(jiān)測(cè)管線(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)退化的局限性,而且管線(xiàn)一旦泄漏,則事故已經(jīng)發(fā)生。為了滿(mǎn)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(xiàn)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]本發(fā)明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)裝置及其監(jiān)測(cè)方法,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]本發(fā)明的技術(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7Π中的分布式光纖應(yīng)變傳感器與另一個(gè)分布式傳感單7Π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]—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,包括以下步驟:
(a)根據(jù)海管的外徑以及施工工藝,確定分布式傳感單元的長(zhǎng)度和螺旋角度;通過(guò)對(duì)海管的流致振動(dòng)理論或數(shù)值分析,確定傳感器封裝保護(hù)層的齒形截面的尺寸;
(b)根據(jù)步驟(a)確定的參數(shù),制作傳感器封裝保護(hù)層的模具;
(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;預(yù)制過(guò)程中,將分布式光纖應(yīng)變傳感器預(yù)埋在傳感器封裝保護(hù)層中,同時(shí)將毛細(xì)鋼管也預(yù)埋在傳感器封裝保護(hù)層中;分布式光纖應(yīng)變傳感器與毛細(xì)鋼管在傳感器封裝保護(hù)層中平行布設(shè);傳感器封裝保護(hù)層預(yù)制完成后,利用氣吹法將溫度補(bǔ)償傳感器吹入毛細(xì)鋼管中,使其保持松弛狀態(tài);分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器在傳感器封裝保護(hù)層的端部外預(yù)留一段用于相鄰傳感器之間的連接長(zhǎng)度;所述分布式光纖應(yīng)變傳感器、溫度補(bǔ)償傳感器以及傳感器封裝保護(hù)層構(gòu)成具有抑振功能、螺旋狀的分布式傳感單元;
(d)在海管施工現(xiàn)場(chǎng),按照截面等間距布設(shè)的方式,采用高強(qiáng)快固粘結(jié)劑把三個(gè)螺旋狀的分布式傳感單元平行布設(shè)于海管的外壁;
(e)位于相鄰管段上的分布式傳感單元,采用現(xiàn)場(chǎng)熔接的方式分別將分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器首尾相連,然后加熱對(duì)連接光纖和溫度補(bǔ)償線(xiàn)形成保護(hù)的鋼熱縮管;在鋼熱縮管的外面澆筑瀝青瑪蹄脂,對(duì)分布式傳感單元的連接部位形成封裝保護(hù);
(f)在完成三個(gè)分布式傳感單元的布設(shè)和連接后,通過(guò)導(dǎo)引光纜將分布式光纖應(yīng)變傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器與采集分析儀相連;
(g)利用分布式安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海管的應(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;由于海管的每個(gè)截面布設(shè)有等間距的對(duì)應(yīng)于三個(gè)分布式傳感單元的三個(gè)測(cè)點(diǎn),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)致的應(yīng)變;利用分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息,對(duì)海管的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其退化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:這種具有抑振功能的海管分布式結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)方法,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(xiàn)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(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支撐。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是分布式傳感單元示意圖。
[0010]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。
[0011 ]圖3是在海管上布置三個(gè)分布式傳感單元示意圖。
[0012]圖4是圖3中的A向視圖。
[0013]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(xiàn)示意圖。
[0014]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】
[0015]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6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。
[0016]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。
[0017]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:
(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