BRPI0707981B1 - Sistema de detecção de falha - Google Patents

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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

(54) Título: SISTEMA DE DETECÇÃO DE FALHA (51) Int.CI.: G01M 11/08; G01R 31/08 (30) Prioridade Unionista: 21/02/2006 NO 20060826 (73) Titular(es): NEXANS (72) Inventor(es): JARLE JANSEN BREMNES
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE DETECÇÃO DE FALHA.
Para o aquecimento de tubulações de óleo ou de gás de modo a impedir a formação de hidrato e gelo nas paredes da tubulação, o presente requerente desenvolveu um sistema de aquecimento elétrico direto (DEH) que é descrito, entre outras coisas, no relatório descritivo da patente Britânica 2.373.321. Para o suprimento de corrente para tal sistema de aquecimento uma prática comum é instalar um cabo para suprimento de corrente como um assim chamado cabo piggyback, que é tradicionalmente feito simultaneamente com deposição da tubulação. Mais especificamente, tal cabo é cintado à tubulação durante a sua instalação.
A presente invenção refere-se ao fornecimento de um meio de detecção de falha, em particular, para a parte remota de um cabo de alta voltagem de núcleo único quando usado como um cabo piggyback DEH. O cabo piggyback é intencionalmente conectado à terra na sua extremidade remota, um fato que torna a detecção convencional de falhas nessa região extremamente difícil. O cabo piggyback tem uma voltagem linearmente diminuída, de um valor de entrada na sua extremidade de retificação de força para zero na extremidade ligada a terra, remota (vide figura 1). Conseqüentemente, a tensão do campo elétrico no isolamento do cabo também diminui linearmente, de uma tensão de operação normal na extremidade de retificação de força para zero na extremidade remota.
Uma falha de cabo na região remota pode ser iniciada por uma avaria mecânica, por exemplo, um corte que se estende através do revestimento externo e do sistema de isolamento expondo, por conseguinte, o condutor de cobre à água do mar. Como o condutor está conectado à terra na extremidade remota, a falha irá desviar seu comprimento remanescente do local da falha para a extremidade ligada a terra. A variação correspondente na corrente condutora será mínima e extremamente difícil para detectar na extremidade oposta do cabo piggyback. Na maior parte das instalações práticas, a medição de corrente será feita até mesmo adicionalmente a montante, fazendo pequenas variações até mais difíceis de detectar. A corrente condutora em um sistema DEH é tipicamente maior do que 1.000 A, e uma corrente falha de 10 A (através da falha física) irá transformar em uma variação bem menor na extremidade de retificação (devido ao deslocamento de fase). Até com o melhor equipamento de medição de corrente disponível, as falhas de cabo perto da extremidade remota irão passar, por conseguinte, não detectadas.
Uma corrente elétrica saindo da superfície de um condutor de cobre e para a água do mar irá causar uma rápida corrosão (a.c.) do condutor de cobre, até em níveis de corrente menores ou de diferentes voltagens.
Se tal falha segúe não detectada, a conseqüência final será uma completa interrupção por corrosão do condutor de cobre. Uma fenda preenchida de água do mar é, por conseguinte, introduzida entre os dois tocos condutores, mas a impedância elétrica dessa fenda pode não ser suficientemente grande para causar uma variação detectável na corrente na extremidade de retificação do sistema DEH. Como a fenda não será capaz de suportar a voltagem da fonte, um arco elétrico é então formado entre os dois tocos condutores. A temperatura associada com tal formação de centelhas é diversos milhares de graus Celsius, então uma rápida fusão do condutor de cobre bem como de qualquer polímero nas adjacências ocorrerá. A temperatura de fervura da água do mar no máximo de profundidades relevantes de água será 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 quanto possível da tubulação termicamente isolada, já que este produz eficiência de sistema DEH otimizada. O isolamento térmico da tubulação será, por conseguinte, também fundido por uma falha como descrito acima. Uma vez que a tubulação de aço é exposta para a água do mar aparecerá como uma alternativa, e provavelmente baixa impedância, um percurso de retorno para a corrente de falha. Como o condutor de cobre é continuamente erodido em afastamento e alargando a fenda entre os tocos, a tubulação irá, em algum ponto, se tornar com o tempo o percurso de retorno de mais baixa impedância. Nesse momento, um novo arco será estabilizado entre o toco condutor (lado de retificação) e a tubulação de aço. Uma fusão rápida através da parede de aço da tubulação resultará, e o conteúdo da tubulação irá escapar. Conseqüências disso podem ser muito sérias.
Nãò existe ainda uma grande variação na corrente de retificação 5 DEH, e, por conseguinte, nenhuma indicação de falha. Uma queda na pressão da tubulação será a primeira indicação que algo está errado, mas nesse momento a tubulação já foi rompida.
O desafio diante do presente inventor, por conseguinte, foi estabelecer um princípio de detecção de falha no cabo DEH alternativo que irá fornecer uma indicação clara de falha antes da tubulação ser avariada.
Os sistemas convencionais para a proteção de cabos DEH compreendem proteção de impedância e proteção de corrente diferencial. Ambos os sistemas de proteção trabalham através da medição de quantidades elétricas na extremidade de retificação do sistema DEH. Uma proteção dife15 rencial também requer corrente medida na extremidade remota (submarina).
A proteção da impedância é baseada na medição da voltagem de retificação além da corrente de retificação, e, por conseguinte, se torna relativamente robusta com respeito a variações de voltagem. No entanto, é considerado que esse método deve principalmente deixar uma zona cega maior na região de extremidade ou remota acima discutida, do que a prote1 ção de corrente diferencial.
A proteção de corrente diferencial é considerada como sendo a mais robusta, mas a implementação prática é tanto dispendiosa quanto complicada. Um sensor de corrente é exigido na extremidade remota, junto com a comunicação de volta para a extremidade de retificação, suprimento de força, etc. Adicionalmente, é principalmente impossível eliminar completamente a zona cega perto da extremidade ligada à terra, e qualquer sistema de medição prática terá uma precisão limitada.
A detecção de avaria no cabo através do uso de fibras óticas é descrita em US6559437. O objetivo principal desta patente é fornecer um meio de detectar avaria mecânica no isolamento do cabo (por exemplo, por desfiadura, corte ou abrasão). A detecção é alcançada pela colocação de um sensor de fibra ótica dentro do isolamento do cabo e monitoramento da condição desse sensor. O sistema de detecção de falha resultante é dito ser capaz de detectar uma falha manifestada por corte ou separação do sensor de fibra ótica, pressão excessiva no sensor de fibra ótica, ou temperaturas indevidamente altas.
A detecção de rompimento da fibra ótica poderia fornecer um meio de detectar rompimento no cabo dentro da região de extremidade remota. No entanto, a integração prática de um sensor de fibra ótica como descrito por US6559437 no cabo piggyback DEH fisicamente largo é con10 siderada impraticável de um ponto de vista mecânico. Isto é, o manuseio prático de um sensor de fibra ótica durante a fabricação, manuseio e instalação do cabo não seria consistente com as capacidades da fibra ótica.
Existem produtos comerciais para obter um perfil de temperatura ao longo de uma fibra ótica. Grosseiramente, as alternativas podem ser divi15 didas em duas categorias principais: a) medição de temperatura em locais de sensor predefinidos (por exemplo, Bragg Gratings), e b) medições distribuídas em uma fibra ótica homogênea. Em princípio, um aumento de temperatura local em qualquer local ao longo da fibra pode ser detectado por um sistema de monitoramento de categoria b). No entanto, dificuldades na de20 tecção de falha em tal base serão sérias, em particular em grandes comprimentos de cabo DEH.
A integração prática de um elemento de fibra ótica em um cabo de núcleo único é descrita em EP0825465 (pertencendo ao requerente presente). Um número de fibras óticas é envolto por um tubo de metal comum para o propósito de impedir o manuseio direto das fibras óticas durante a integração no cabo de núcleo único muito maior. O elemento de fibra/tubo é oscilado (executado) antes da inserção no cabo de núcleo único, tornando capaz de tolerar a tensão mecânica introduzida por flexão e manuseio normais do cabo. O relatório descritivo da patente EP não contatar mediante o problema de detecção de falha nos cabos DEH.
Outros exemplos de cabos de força compósitos com elementos de fibra ótica para propósitos de comunicação são encontrados em
ΕΡ0539915 e EP0603604.
No antecedente acima a presente invenção refere-se a um sistema de detecção de falha para cabo DEH de tubulação submarina, compreendendo elémento(s) de fibra ótica fornecido(s) ao longo da seção de cabo combinado e localizado do lado de fora pelo menos algum do isolamento de cabo, o(s) dito(s) elemento(s) sendo adaptado(s) para ser(em) influenciado^) 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 primaria10 mente consistem em que o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica se estende(m) dentro de um elemento de metal tubular eletricamente condutivo adaptado para fundir no caso de uma corrente falha fluindo através dele como resultado de avaria ao isolamento do cabo em um ponto ao longo da dita seção de cabo.
Com referência a uma modalidade prática preferida, a idéia é embutir um número de fibras óticas dentro do cabo piggyback, com as fibras envoltas em um tubo de metal único. O uso de um tubo de metal eletricamente condutivo é vantajoso, já que esse tubo de metal irá atuar como um eletrodo nos estágios adiantados da escalação de falha do cabo, por conse20 guinte, acelerando os processos que levam a romper a fibra. A proximidade • das fibras óticas para uma falha de cabo assegurará que as fibras sejam quebradas antes da tubulação ter sido avariada. A detecção de interrupção da fibra pode ser baseada em continuidade ótica simples através de um par de fibras arqueadas, ou através de métodos mais sofisticados como Reflec25 tometria de Domínio de Tempo Ótico (OTDR). A OTDR irá em qualquer caso fornecer um método simples de localização de falha uma vez que uma quebra de fibra tenha sido detectada. Uma redundância é facilmente obtida pelo aumento do número de fibras óticas empregadas, e fibras óticas adicionais podem fornecer um meio de obter um perfil de temperatura ao longo do sis30 tema de cabo DEH.
Na descrição a seguir é feita referência aos desenhos, em que:
A figura 1 mostra esquematicamente um sistema de aquecimen6 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 de fibras óticas envoltas em um tubo.
A figura 4 em recorte, uma vista em perspectiva e um tanto simplificada mostra uma porção de extremidade de um cabo como ilustrado na figura 2.
O desenho do cabo piggyback mostrado (figura 2) compreende um 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 (vide figura 3) contendo as fibras óticas 7 é executado em uma conformação de seio (como mostrado em EP0825465) de modo a obter as propriedades de flexão exigidas, e é então colocado sobre a tela de isolamento 4 (vide figura
4). 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 produto bem conhecido como tal, e foi fundamentado de acordo com a presente in20 venção, para ser particularmente vantajoso para detecção de falha como explicado acima. Além da conformação de seio mencionada acima do tubo de aço 7a, o elemento de fibra ótica ou elementos 7 pode ter uma configuração de meandro ou de oscilação dentro do tubo. Como também previamente conhecido, o tubo 7a deve ser preenchido com um gel ou o similar de modo a ser compensado com pressão para emprego submarino.
Quando o cabo piggyback 12 está em serviço, o condutor para terra diminui linearmente de um valor na extremidade de retificação para zero na extremidade remota (como será visto da curva 30 no diagrama no fundo da figura. 1). Conseqüentemente, a corrente de carregamento de cabo também diminui linearmente com distância para a extremidade de retificação. A corrente de carregamento de cabo flui de/para a tela de isolamento semicondutiva através do(s) revestimento(s) externo(s) semicondutivo(s).
serviço normal o elemento do tubo de metal 7a não afetará substancialmente o fluxo de corrente de carregamento de cabo radial. O tubo de metal irá carregar uma corrente axial induzida pela corrente condutora, e deve ser capaz de tolerar a perda de força associada.
O diagrama 1 na figura 1 também indica a zona cega 33 como discutido acima.
Se ocorrer uma avaria no cabo piggyback dentro da extremidade remota ou zona cega 33, expondo o condutor de cobre 1 à água do mar, o elemento de tubo de metal 7a tornar-se-á um percurso atrativo para o fluxo de corrente do condutor 1 na água do mar. Embora o tubo de metal 7a tenha uma área de seção transversal pequena, sua condutividade elétrica será 106 - 107 vezes maior do que a água do mar e a tela semicondutiva 4 e o revestimento 9. Isso significa que o tubo de metal irá atuar como um coletor de corrente falha, e a perda de força associada irá assegurar que o tubo seja fundido e as fibras óticas 7 sejam expostas à falha física. Nesse momento já pode ser possível detectar variações em propriedades óticas (por exemplo, amortecimento de sinal). A probabilidade das fibras óticas permanecerem não avariadas por qualquer período de tempo é muito pequena, dada a proximidade à falha.
Uma vantagem principal dessa invenção é que ela fornece um ' método de detectar falhas no cabo DEH mediante as condições para as quais nenhuma outra solução é conhecida em prática real. Mais especificamente a vantagem do sistema é que ele diretamente detecta atividade prejudicial, em vez de tentar detectar e interpretar minúsculas variações na cor25 rente elétrica e/ou voltagem.

Claims (6)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema de detecção de falha para cabo DEH de tubulação submarina (12), compreendendo elemento(s) de fibra ótica (7) fornecido(s) ao longo da seção de cabo referida e localizada no lado de fora pelo menos do isolamento do cabo (2, 3, 4), o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica sendo adaptado(s) para ser(em) influenciado(s) por efeitos ou avarias de indução de falha à dita seção de cabo, de modo a causar um sinal ótico indicando uma condição de falha, caracterizado pelo fato de 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.
  2. 2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, em que o dito elemento de metal tubular (7a) tem uma conformação em seção transversal circular.
  3. 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 de uma parte principal do dito isolamento (2, 3, 4) e dentro de um revestimento externo (9) no cabo (12).
  4. 4. Sistema de acordo com a reivindicação 1,2 ou 3, em que uma camada 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 o dito isolamento (2, 3, 4).
  5. 5. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-4, em que o(s) dito(s) elemento(s) de fibra ótica (7) tem(têm) uma configuração de meandro ou de oscilação dentro do dito elemento de metal tubular (7a).
  6. 6. Sistema de acordo com qualquer das reivindicações 1-5, em que o dito elemento de metal tubular (7a) tem uma configuração de meandro ou de oscilação ao longo do cabo.
    1/1
    FIG 2
    FIG 4
BRPI0707981-8A 2006-02-21 2007-02-20 Sistema de detecção de falha BRPI0707981B1 (pt)

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