BRPI0707981A2 - sistema de detecção de falha - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE DETECçãO DE FALHA.A presente invenção refere-se a um sistema de detecção de falha para cabo DEH de tubulação submarina, compreendendo elemento(s) de fibra ótica (7) fornecido(s) ao longo da seção de cabo referidos e localizados do lado de fora de pelo menos algum isolamento de cabo (2, 3, 4). O(s) elemento(s) de fibra ótica é(sáo) adaptados para serem influenciados por efeitos de indução à falha ou avarias à dita seção de cabo, de modo a causar um sinal ótico indicando uma condição de falha. A característica principal da invenção é que o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7) se estende(m) dentro de um elemento de metal tubular eletricamente condutivo (7a) adaptado para fundir no caso de uma corrente falha fluir através dele como resultado de avaria ao isolamento do cabo (2, 3, 4) em um ponto ao longo da dita seção de cabo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DEDETECÇÃO DE FALHA".

Para o aquecimento de tubulações de óleo ou de gás de modo aimpedir a formação de hidrato e gelo nas paredes da tubulação, o presenterequerente desenvolveu um sistema de aquecimento elétrico direto (DEH)que é descrito, entre outras coisas, no relatório descritivo da patente Britâni-ca 2.373.321. Para o suprimento de corrente para tal sistema de aquecimen-to uma prática comum é instalar um cabo para suprimento de corrente comoum assim chamado cabo "piggyback", que é tradicionalmente feito simulta-neamente com deposição da tubulação. Mais especificamente, tal cabo écintado à tubulação durante á sua instalação.

A presente invenção refere-se ao fornecimento de um meio dedetecção de falha, em particular, para a parte remota de um cabo de altavoltagem de núcleo único quando usado como um cabo "piggyback" DEH. Ocabo "piggyback" é intencionalmente conectado à terra na sua extremidaderemota, um fato que torna a detecção convencional de falhas nessa regiãoextremamente difícil. O cabo "piggyback" tem uma voltagem linearmente di-minuída, de um valor de entrada na sua extremidade de retificação de forçapara zero na extremidade ligada a terra, remota (vide figura 1). Conseqüen-temente, a tensão do campo elétrico no isolamento do cabo também diminuilinearmente, de uma tensão de operação normal na extremidade de retifica-ção de força para zero na extremidade remota.

Uma falha de cabo na região remota pode ser iniciada por umaavaria mecânica, por exemplo, um corte que se estende através do revesti-mento externo e do sistema de isolamento expondo, por conseguinte, o con-dutor de cobre à água do mar. Como o condutor está conectado à terra naextremidade remota, a falha irá desviar seu comprimento remanescente dolocal da falha para a extremidade ligada a terra. A variação correspondentena corrente condutora será mínima e extremamente difícil para detectar naextremidade oposta do cabo "piggyback". Na maior parte das instalaçõespráticas, a medição de corrente será feita até mesmo adicionalmente a mon-tante, fazendo pequenas variações até mais difíceis de detectar. A correntecondutora em um sistema DEH é tipicamente maior do que 1.000 A, e umacorrente falha de 10 A (através da falha física) irá transformar em uma varia-ção bem menor na extremidade de retificação (devido ao deslocamento defase). Até com o melhor equipamento de medição de corrente disponível, asfalhas de cabo perto da extremidade remota irão passar, por conseguinte,não detectadas.

Uma corrente elétrica saindo da superfície de um condutor decobre e para a água do mar irá causar uma rápida corrosão (a.c.) do condu-tor de cobre, até em níveis de corrente menores ou de diferentes voltagens.Se tal falha segue não detectada, a conseqüência final será uma completainterrupção por corrosão do condutor de cobre. Uma fenda preenchida deágua do mar é, por conseguinte, introduzida entre os dois "tocos conduto-res", mas a impedância elétrica dessa fenda pode não ser suficientementegrande para causar uma variação detectável na corrente na extremidade deretificação do sistema DEH. Como a fenda não será capaz de suportar a vol-tagem da fonte, um arco elétrico é então formado entre os dois "tocos con-dutores". A temperatura associada com tal formação de centelhas é diversosmilhares de graus Celsius, então uma rápida fusão do condutor de cobrebem como de qualquer polímero nas adjacências ocorrerá. A temperatura defervura da água do mar no máximo de profundidades relevantes de águaserá acima dos pontos de fusão do polímero, então o "resfriamento da água"não impedirá a fusão descrita de ocorrer.

O cabo "piggyback" é comumente colocado tão perto quantopossível da tubulação termicamente isolada, já que este produz eficiência desistema DEH otimizada. O isolamento térmico da tubulação será, por conse-guinte, também fundido por uma falha como descrito acima. Uma vez que atubulação de aço é exposta para a água do mar aparecerá como uma alter-nativa, e provavelmente baixa impedância, um percurso de retorno para acorrente de falha. Como o condutor de cobre é continuamente erodido emafastamento e alargando a fenda entre os "tocos", a tubulação irá, em algumponto, se tornar com o tempo o percurso de retorno de mais baixa impedân-cia. Nesse momento, um novo arco será estabilizado entre o toco condutor(lado de retificação) e a tubulação de aço. Uma fusão rápida através da pa-rede de aço da tubulação resultará, e o conteúdo da tubulação irá escapar.Conseqüências disso podem ser muito sérias.

Não existe ainda uma grande variação na corrente de retificaçãoDEH, e, por conseguinte, nenhuma indicação de falha. Uma queda na pres-são da tubulação será a primeira indicação que algo está errado, mas nessemomento a tubulação já foi rompida.

O desafio diante do presente inventor, por conseguinte, foi esta-belecer um princípio de detecção de falha no cabo DEH alternativo que iráfornecer uma indicação clara de falha antes da tubulação ser avariada.

Os sistemas convencionais para a proteção de cabos DEH com-preendem proteção de impedância e proteção de corrente diferencial. Am-bos os sistemas de proteção trabalham através da medição de quantidadeselétricas na extremidade de retificação do sistema DEH. Uma proteção dife-rencial também requer corrente medida na extremidade remota (submarina).

A proteção da impedância é baseada na medição da voltagemde retificação além da corrente de retificação, e, por conseguinte, se tornarelativamente robusta com respeito a variações de voltagem. No entanto, éconsiderado que esse método deve principalmente deixar uma "zona cega"maior na região de extremidade ou remota acima discutida, do que a prote-ção de corrente diferencial.

A proteção de corrente diferencial é considerada como sendo amais robusta, mas a implementação prática é tanto dispendiosa quantocomplicada. Um sensor de corrente é exigido na extremidade remota, juntocom a comunicação de volta para a extremidade de retificação, suprimentode força, etc. Adicionalmente, é principalmente impossível eliminar comple-tamente a "zona cega" perto da extremidade ligada à terra, e qualquer sis-tema de medição prática terá uma precisão limitada.

A detecção de avaria no cabo através do uso de fibras óticas édescrita em US6559437. O objetivo principal desta patente é fornecer ummeio de detectar avaria mecânica no isolamento do cabo (por exemplo, pordesfiadura, corte ou abrasão). A detecção é alcançada pela colocação deum sensor de fibra ótica dentro do isolamento do cabo e monitoramento dacondição desse sensor. O sistema de detecção de falha resultante é dito sercapaz de detectar uma falha manifestada por "corte ou separação do sensorde fibra ótica, pressão excessiva no sensor de fibra ótica, ou temperaturasindevidamente altas".

A detecção de rompimento da fibra ótica poderia fornecer ummeio de detectar rompimento no cabo dentro da região de extremidade re-mota. No entanto, a integração prática de um sensor de fibra ótica comodescrito por US6559437 no cabo "piggyback" DEH fisicamente largo é con-siderada impraticável de um ponto de vista mecânico. Isto é, o manuseioprático de um sensor de fibra ótica durante a fabricação, manuseio e instala-ção do cabo não seria consistente com as capacidades da fibra ótica.

Existem produtos comerciais para obter um perfil de temperaturaao longo de uma fibra ótica. Grosseiramente, as alternativas podem ser divi-didas em duas categorias principais: a) medição de temperatura em locaisde sensor predefinidos (por exemplo, Bragg Gratings), e b) medições distri-buídas em uma fibra ótica homogênea. Em princípio, um aumento de tempe-ratura local em qualquer local ao longo da fibra pode ser detectado por umsistema de monitoramento de categoria b). No entanto, dificuldades na de-tecção de falha em tal base serão sérias, em particular em grandes compri-mentos de cabo DEH.

A integração prática de um elemento de fibra ótica em um cabode núcleo único é descrita em EP0825465 (pertencendo ao requerente pre-sente). Um número de fibras óticas é envolto por um tubo de metal comumpara o propósito de impedir o manuseio direto das fibras óticas durante aintegração no cabo de núcleo único muito maior. O elemento de fibra/tubo éoscilado (executado) antes da inserção no cabo de núcleo único, tornandocapaz de tolerar a tensão mecânica introduzida por flexão e manuseio nor-mais do cabo. O relatório descritivo da patente EP não contatar mediante oproblema de detecção de falha nos cabos DEH.

Outros exemplos de cabos de força compósitos com elementosde fibra ótica para propósitos de comunicação são encontrados emΕΡ0539915 e ΕΡ0603604.

No antecedente acima ã presente invenção refere-se a um sis-tema de detecção de falha para cabo DEH de tubulação submarina, com-preendendo elemento(s) de fibra ótica fornecido(s) ao longo da seção decabo combinado e localizado do lado de fora pelo menos algum do isola-mento de cabo, o(s) dito(s) elemento(s) sendo adaptado(s) para ser(em) in-fluenciado(s) por efeitos de indução à falha ou avarias à dita seção de cabo,de modo a causar um sinal ótico indicando uma condição de falha.

As novas e específicas características dessa invenção primaria-mente consistem em que o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica se esten-de(m) dentro de um elemento de metal tubular eletricamente condutivo a-daptado para fundir no caso de uma corrente falha fluindo através dele comoresultado de avaria ao isolamento do cabo ém um ponto ao longo da ditaseção de cabo.

Com referência a uma modalidade prática preferida, a idéia éembutir um número de fibras óticas dentro do cabo "piggyback", com as fi-bras envoltas em um tubo de metal único. O uso de um tubo de metal eletri-camente condutivo é vantajoso, já que esse tubo de metal irá atuar como umeletrodo nos estágios adiantados da escalação de falha do cabo, por conse-guinte, acelerando os processos que levam a romper a fibra. A proximidadedas fibras óticas para uma falha de cabo assegurará que as fibras sejamquebradas antes da tubulação ter sido avariada. A detecção de interrupçãoda fibra pode ser baseada em continuidade ótica simples através de um parde fibras arqueadas, ou através de métodos mais sofisticados como Reflec-tometria de Domínio de Tempo Ótico (OTDR). A OTDR irá em qualquer casofornecer um método simples de localização de falha uma vez que uma que-bra de fibra tenha sido detectada. Uma redundância é facilmente obtida peloaumento do número de fibras óticas empregadas, e fibras óticas adicionaispodem fornecer um meio de obter um perfil de temperatura ao longo do sis-tema de cabo DEH.

Na descrição a seguir é feita referência aos desenhos, em que:A figura 1 mostra esquematicamente um sistema de aquecimen-to elétrico direto (DEH) genérico com detecção de falha de fibra ótica.

A figura 2 em corte transversal mostra um desenho de cabo"piggyback" típico de acordo com essa invenção.

A figura 3 em corte transversal ampliado mostra um exemplo defibras óticas envoltas em um tubo.

A figura 4 em recorte, uma vista em perspectiva e um tanto sim-plificada mostra uma porção de extremidade de um cabo como ilustrado nafigura 2.

O desenho do cabo "piggyback" mostrado (figura 2) compreendeum condutor de cobre 1 com um sistema de isolamento expulsado padrão,triplo: tela condutora 2 (semicondutiva), isolamento em polietileno reticulado(XLPE) 3, e tela de isolamento 4 (semicondutiva). O tubo de aço 7a (videfigura 3) contendo as fibras óticas 7 é executado em uma conformação deseio (como mostrado em EP0825465) de modo a obter as propriedades deflexão exigidas, e é então colocado sobre a tela de isolamento 4 (vide figura4). Um ou mais revestimento(s) semicondutivo(s) 9 é(são) então expulso(s)sobre esse conjunto.

O componente de tubo de aço/fibras óticas 7a/7 é um produtobem conhecido como tal, e foi fundamentado de acordo com a presente in-venção, para ser particularmente vantajoso para detecção de falha comoexplicado acima. Além da conformação de seio mencionada acima do tubode aço 7a, o elemento de fibra ótica ou elementos 7 pode ter uma configura-ção de meandro ou de oscilação dentro do tubo. Como também previamenteconhecido, o tubo 7a deve ser preenchido com um gel ou o similar de modoa ser compensado com pressão para emprego submarino.

Quando o cabo "piggyback" 12 está em serviço, o condutor paraterra diminui linearmente de um valor na extremidade de retificação para ze-ro na extremidade remota (como será visto da curva 30 no diagrama no fun-do da figura. 1). Conseqüentemente, a corrente de carregamento de cabotambém diminui linearmente com distância para a extremidade de retifica-ção. A corrente de carregamento de cabo flui de/para a tela de isolamentosemicondutiva através do(s) revestimento(s) externo(s) semicondutivo(s).serviço normal o elemento do tubo de metal 7a não afetará substancialmenteo fluxo de corrente de carregamento de cabo radial. O tubo de metal irá car-regar uma corrente axial induzida pela corrente condutora, e deve ser capazde tolerar a perda de força associada.

O diagrama 1 na figura 1 também indica a zona cega 33 comodiscutido acima.

Se ocorrer uma avaria no cabo "piggyback" dentro da extremi-dade remota ou zona cega 33, expondo o condutor de cobre 1 à água domar, o elemento de tubo de metal 7a tornar-se-á um percurso atrativo para ofluxo de corrente do condutor 1 na água do mar. Embora o tubo de metal 7atenha uma área de seção transversal pequena, sua condutividade elétricaserá 106 - 107 vezes maior do que a água do mar e a tela semicondutiva 4 eo revestimento 9. Isso significa que o tubo de metal irá atuar como um cole-tor de corrente falha, e a perda de força associada irá assegurar que o tuboseja fundido e as fibras óticas 7 sejam expostas à falha física. Nesse mo-mento já pode ser possível detectar variações em propriedades óticas (porexemplo, amortecimento de sinal). A probabilidade das fibras óticas perma-necerem não avariadas por qualquer período de tempo é muito pequena,dada a proximidade à falha.

Uma vantagem principal dessa invenção é que ela fornece ummétodo de detectar falhas no cabo DEH mediante as condições para asquais nenhuma outra solução é conhecida em prática real. Mais especifica-mente a vantagem do sistema é que ele diretamente detecta atividade preju-dicial, em vez de tentar detectar e interpretar minúsculas variações na cor-rente elétrica e/ou voltagem.

Claims (6)

1. Sistema de detecção de falha para cabo DEH de tubulaçãosubmarina (12), compreendendo elemento(s) de fibra ótica (7) fornecido(s)ao longo da seção de cabo referida e localizada no lado de fora pelo menosdo isolamento do cabo (2, 3, 4), o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica sendoadaptado(s) para ser(em) influenciado(s) por efeitos ou avarias de induçãode falha à dita seção de cabo, de modo a causar um sinal ótico indicandouma condição de falha,caracterizado pelo fato de que o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7) seestende(m) dentro de um elemento de metal tubular eletricamente condutivo(7a) adaptado para fundir no caso de uma corrente falha fluir através delecomo resultado de avaria ao isolamento do cabo (2, 3, 4) em um ponto aolongo da dita seção de cabo.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o dito ele-mento de metal tubular (7a) tem uma conformação em seção transversalcircular.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que o(s)dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7) é(são) localizado(s) do lado de fora deuma parte principal do dito isolamento (2, 3, 4) e dentro de um revestimentoexterno (9) no cabo (12).

4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, em que umacamada semicondutiva (4, 9) é fornecida dentro e/ou do lado de fora do(s)dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7), preferivelmente em parte integral com odito isolamento (2, 3, 4).

5. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1 -4, emque o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7) tem(têm) uma configuração demeandro ou de oscilação dentro do dito elemento de metal tubular (7a).

6. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-5, emque o dito elemento de metal tubular (7a) tem uma configuração de meandroou de oscilação ao longo do cabo.