一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置的制造方法
【專利摘要】一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，屬于海洋工程和結構健康監(jiān)測領域。其裝置包括分布式傳感單元以及傳感單元間的連接保護裝置兩部分組成。分布式光纖應變傳感器和溫度補償傳感器預埋在具有齒形截面的螺旋狀傳感器封裝保護層中，構成具有抑振功能的分布式傳感單元。在海管施工過程中將分布式傳感單元布設在海管外壁，并通過連接保護裝置使相鄰管段的傳感單元連通。通過對服役中海管應變的分布式監(jiān)測，實現(xiàn)海管結構安全性的實時評價。該監(jiān)測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裝置，使其適應海管現(xiàn)場施工和傳感器長期服役的要求，同時還可為海管提供擾流抑振的功能。
【專利說明】
一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，屬于海洋工程和結構健康監(jiān)測領域。
【背景技術】
[0002]海管(包括立管)是海上油田油氣集輸?shù)闹饕绞?。隨著我國海洋油氣資源開發(fā)活動的迅速發(fā)展，海管的鋪設里程日益增加。與陸地管線相比，海管的服役條件更加惡劣，不但時刻受到波浪、海流等動力因素的作用，而且長期遭受腐蝕、疲勞等退化效應的影響，在全壽命服役周期內(nèi)結構退化現(xiàn)象明顯，損傷泄漏事件時有發(fā)生。一旦海管發(fā)生泄漏，除了會造成巨大的直接經(jīng)濟損失以外，所引發(fā)的環(huán)境污染和生態(tài)災難更是無法挽回。因此，在線監(jiān)測海管的結構狀態(tài)，實時評估其服役安全性，便成為海洋油氣資源開發(fā)中亟需解決的關鍵問題之一。
[0003]海管工作于復雜的水下環(huán)境，常規(guī)的檢測評價難以實施。目前，海管的結構狀態(tài)評價主要依賴兩類技術，一類是以智能豬(PIG)為代表的管內(nèi)檢測技術，另外一類是以側掃聲納和潛水員探查為代表的管外檢測技術。管內(nèi)檢測技術存在數(shù)據(jù)解釋困難、檢測成本高和檢測精度低的問題，而管外檢測技術通常無法適應深水和超深水的要求，并且難以檢測隱蔽部位的結構局部損傷。更為嚴重的是，這兩類技術均無法滿足在線實時監(jiān)測的要求，難以捕捉通常具有突發(fā)性特點的管道泄漏事件。
[0004]基于背向散射原理(布里淵、拉曼或瑞利)的光纖傳感技術，能以真正的分布式的方式對結構變形或外界溫度擾動實施測量，在大型結構安全監(jiān)測中逐漸得到應用。尤其是，分布式光纖傳感技術所具有的長距離、大范圍監(jiān)測的特點，使其成為管線結構安全監(jiān)測的理想技術之一。在海管應用中，目前國內(nèi)外主要采用分布式光纖測溫技術進行管線結構狀態(tài)的監(jiān)測。這類技術的基本原理是，管中高溫原油的泄出將導致漏點附近海水或海床的溫度發(fā)生變化，因此通過在管線沿途布設分布式測溫光纜，即可監(jiān)測管線泄漏事故的發(fā)生。分布式測溫技術盡管可以解決管線泄漏的監(jiān)測問題，但是也存在無法監(jiān)測管線結構狀態(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)測與安全預警的要求，更為直接的方式是對管線的應變進行分布式監(jiān)測，根據(jù)應變信息實時評價結構狀態(tài)。但是眾所周知，光纖非常脆弱，容易在施工和服役過程中受到損壞，因此需要對光纖傳感器進行特殊的封裝，使其適應嚴酷的現(xiàn)場環(huán)境。針對分布式光纖傳感器，另外一個挑戰(zhàn)性的問題是，分布式應變監(jiān)測要求傳感器在傳感路徑上的每一點與結構相連，這在海上施工中是難以做到的，成為分布式應變監(jiān)測技術在海管應用中的“瓶頸”。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型旨在提供一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，通過將分布式光纖傳感器預埋于一種特殊設計的封裝保護層中，實現(xiàn)分布式光纖傳感器的現(xiàn)場快速安裝，解決分布式光纖傳感器長期服役的耐久性和可靠性問題，同時該監(jiān)測裝置也可為海管提供抑振功能。
[0006]本實用新型的技術方案是:一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，它包括分布式傳感單元和兩個分布式傳感單元之間的連接保護結構，所述分布式傳感單元采用分布式光纖應變傳感器和設置在毛細鋼管中的溫度補償傳感器預埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護層中；所述兩個分布式傳感單元之間的連接保護結構采用把一個分布式傳感單元中的分布式光纖應變傳感器與另一個分布式傳感單元中的分布式光纖應變傳感器的端部在先套上鋼熱縮管后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管，同時把一個分布式傳感單元中的溫度補償傳感器與另一個分布式傳感單元中的溫度補償傳感器的端部在先套上鋼熱縮管后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管，在兩個分布式傳感單元的連接處包裹瀝青瑪蹄脂;在海管施工過程中，將三個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層的圓弧面緊貼在海管的外圓面上并用高強快固粘結劑固定，再用導引光纜把分布式傳感單元與采集分析儀連接。
[0007]本實用新型的有益效果是:這種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，分布式傳感單元采用分布式光纖應變傳感器和設置在毛細鋼管中的溫度補償傳感器預埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護層中。兩個分布式傳感單元之間的連接采用把兩個分布式傳感單元中的分布式光纖應變傳感器和溫度補償傳感器的端部熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管和包裹瀝青瑪蹄脂;在海管施工過程中，將三個分布式傳感單元周向均布螺旋式纏繞在海管的外壁上，用高強快固粘結劑固定，再用導引光纜把分布式傳感單元與采集分析儀連接。該監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法為海管提供擾流抑振的功能。通過在線獲得的分布式應變信息，能夠實時評價海管(包括立管)的結構狀態(tài)和服役安全性，預防災害事故的發(fā)生，為我國海洋石油資源的開發(fā)利用提供技術支撐。
【附圖說明】
[0008]圖1是分布式傳感單元示意圖。
[0009]圖2是兩個分布式傳感單元之間的連接結構示意圖。
[0010]圖3是在海管上布置三個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中的三個分布式傳感單元安全監(jiān)測接線示意圖。
[0013]圖中:1、分布式光纖應變傳感器，2、溫度補償傳感器，3、毛細鋼管，4、傳感器封裝保護層，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、導引光纜，10、采集分析儀。
【具體實施方式】
[0014]圖1、2示出了分布式傳感單元和連接結構示意圖。這種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置包括分布式傳感單元5和兩個分布式傳感單元5之間的連接保護結構，分布式傳感單元5采用分布式光纖應變傳感器I和設置在毛細鋼管3中的溫度補償傳感器2預埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護層4中。兩個分布式傳感單元5之間的連接保護結構米用把一個分布式傳感單兀5中的分布式光纖應變傳感器I與另一個分布式傳感單兀5中的分布式光纖應變傳感器I的端部在先套上鋼熱縮管8后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管8，同時把一個分布式傳感單元5中的溫度補償傳感器2與另一個分布式傳感單元5中的溫度補償傳感器2的端部在先套上鋼熱縮管8后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管8，在兩個分布式傳感單元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分布式傳感單元示意圖。在海管施工過程中，將三個分布式傳感單元5周向均布螺旋式纏繞在海管7的外壁上，傳感器封裝保護層4的圓弧面4a緊貼在海管7的外圓面上并用高強快固粘結劑固定，用導引光纜9把三個分布式傳感單元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構安全監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，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)場施工工藝，確定分布式傳感單元5的長度和螺旋角度;通過對海管7的流致振動理論或數(shù)值分析，確定傳感器封裝保護層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層4的模具；
[0019](c)采用聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纖維增強復合材料在模具中預制傳感器封裝保護層4;預制過程中，將分布式光纖應變傳感器I預埋在傳感器封裝保護層4中，同時將毛細鋼管3也預埋在傳感器封裝保護層4中；分布式光纖應變傳感器I與毛細鋼管3在傳感器封裝保護層4中平行布設;傳感器封裝保護層4預制完成后，利用氣吹法將溫度補償傳感器2吹入毛細鋼管3中，使其保持松弛狀態(tài);分布式光纖應變傳感器I和溫度補償傳感器2應在傳感器封裝保護層4端部以外預留一定長度，用于相鄰傳感器之間的連接操作;分布式光纖應變傳感器I和溫度補償傳感器2以及傳感器封裝保護層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，在當前施工管段按照截面等間距布設的方式，采用高強快固粘結劑將3個螺旋狀分布式傳感單元5平行布設于海管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)場熔接的方式分別將分布式光纖應變傳感器I和溫度補償傳感器2首尾相連;然后加熱鋼熱縮管8，對連接光纖形成保護;并使用高強快固粘結劑把鋼熱縮管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，對分布式傳感單元5的連接部位形成封裝保護；
[0022](f)完成所有的分布式傳感單元5的布設和連接后，通過導引光纜9將分布式光纖應變傳感器I和溫度補償傳感器2與采集分析儀10相連，完成海管7分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)的安裝工作；
[0023](g)利用分布式安全監(jiān)測系統(tǒng)對海管7的應變和沿途溫度實施監(jiān)測;根據(jù)分布式溫度測量結果，對分布式應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行溫度補償；由于海管7的每個截面布設有等間距的三個測點(對應于三個分布式傳感單元5)，進而可以根據(jù)消除溫度效應后的分布式應變數(shù)據(jù)，獲得海管7在任意截面上由軸壓和彎曲所導致的應變;利用分布式應變監(jiān)測信息，可對海管7的結構狀態(tài)及其退化情況進行實時評價。
[0024]采用上述的技術方案，分布式光纖應變傳感器由普通光導纖維擔任，應變測量由基于布里淵或瑞利背向散射的時域反射/分析或時域/頻域相干技術實現(xiàn)。
[0025]溫度補償傳感器由松弛的普通光導纖維組成，與分布式光纖應變傳感器平行布設，溫度測量同樣由基于布里淵或瑞利背向散射的時域反射/分析或時域/頻域相干技術實現(xiàn)。
[0026]傳感器封裝保護層可以由聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纖維增強復合材料制作而成，具有一定的強度，且可抵御海洋腐蝕環(huán)境，滿足光纖傳感器耐久性保護的要求。傳感器封裝保護層根據(jù)海管外徑預制成螺旋形，在其中預埋分布式光纖應變傳感器，并且在分布式光纖應變傳感器的附近預留直徑是溫度補償光纖直徑2-4倍的孔道，與分布式光纖應變傳感器平行布置，在孔道內(nèi)部布設松弛的溫度補償傳感器。螺旋狀傳感器封裝保護層沿長度方向分布有齒形截面，起到擾流抑振的作用。
[0027]每個集成有分布式光纖應變傳感器和溫度補償傳感器的封裝保護層就構成了一個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裝置包括鋼熱縮管和瀝青瑪蹄脂封裝保護材料。其中，鋼熱縮管起到保護相鄰的分布式傳感器單元的連接光纖的作用，瀝青瑪蹄脂對熱縮套管以及分布式傳感單元的連接部位進行外封裝保護。
[0029]在海管鋪設時，在當前施工的管段將三個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在海管外壁，二者之間通過高強快固粘結劑連接，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)的分布式光纖應變傳感器以及溫度補償傳感器，通過現(xiàn)場熔接的方式彼此連通。然后，在光纖連接處將對鋼熱縮管進行加熱，使其發(fā)生收縮，從而對連接光纖起到保護作用，并使用高強快固粘結劑將剛熱縮管固定在海管外壁。連接光纖保護操作完成后，在相鄰的兩個傳感單元之間澆筑瀝青瑪蹄脂，對光纖傳感單元連接位置進行封裝保護。待所有分布式傳感單元布設完成后，通過導引光纜將分布式光纖傳感器與采集分析儀相連接，對海管應變和沿途溫度實施分布式監(jiān)測。利用分布式溫度傳感器的測量結果，對分布式應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行溫度補償。由于每個截面布設有等間距的三個測點(對應于三個分布式傳感單元)，進而可以根據(jù)消除溫度效應后的分布式應變數(shù)據(jù)，獲得海管在任意截面上由軸壓和彎曲所導致的分布式應變。利用分布式應變監(jiān)測信息，可對海管結構狀態(tài)及其退化情況進行實時評價。
【主權項】
1.一種具有抑振功能的海管分布式結構安全監(jiān)測裝置，它包括分布式傳感單元(5)和兩個分布式傳感單元(5)之間的連接保護結構，其特征是:所述分布式傳感單元(5)采用分布式光纖應變傳感器(I)和設置在毛細鋼管(3)中的溫度補償傳感器(2)預埋在具有齒形截面的傳感器封裝保護層(4)中；所述兩個分布式傳感單元(5)之間的連接保護結構采用把一個分布式傳感單7Π(5)中的分布式光纖應變傳感器(I)與另一個分布式傳感單7Π( 5)中的分布式光纖應變傳感器(I)的端部在先套上鋼熱縮管(8)后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管(8)，同時把一個分布式傳感單元(5)中的溫度補償傳感器(2)與另一個分布式傳感單元(5)中的溫度補償傳感器(2)的端部在先套上鋼熱縮管(8)后熔接在一起，然后加熱保護熔接部的鋼熱縮管(8)，在兩個分布式傳感單元(5)的連接處包裹瀝青瑪蹄脂(6);在海管施工過程中，將三個分布式傳感單元(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層(4)的圓弧面(4a)緊貼在海管(7)的外圓面上并用高強快固粘結劑固定，再用導引光纜(9)把分布式傳感單元(5)與采集分析儀(10)連接。
【文檔編號】F16F15/02GK205580397SQ201620250260
【公開日】2016年9月14日
【申請日】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
【申請人】大連理工大學