CN102607774A - 使用光纤的渗漏检测装置 - Google Patents

使用光纤的渗漏检测装置 Download PDF

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Abstract

一种渗漏检测装置，包括设置成用于检测通过一段软管的软管编织层的流体渗漏的光纤传感器，其中，所述传感器设置成用于检测沿软管节的渗漏位置，并且所述渗漏检测装置进一步包括光学穿板式接头，其设置成在所述光纤传感器和光学跨接线缆之间提供防水连接，所述光学跨接线缆用于将所述软管节的光纤传感器和一连接的第二软管节的光纤传感器连接，以提供光连续性。

Description

使用光纤的渗漏检测装置
本申请为邓录普石油与海洋有限公司于2007年4月18日向中国专利局提交的题为“使用光纤的渗漏检测装置”的申请号为200780017333.3的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及渗漏检测，特别是，检测软管中的流体渗漏。
背景技术
水下软管，例如输油软管，将经历一般的磨损、撕裂、老化以及可能受到其它形式的损坏。这可能导致软管破裂，引起软管内物体渗出，或从软管外面渗入水分。通常，水下软管包括内部编织层(inner carcass)和外部编织层(outer carcass)，两者都可能在软管的任一点破裂。外部编织层破损将导致水分渗入，而内部编织层破损将引起流体的渗出。检测装置通常放置在软管节的终端，一旦有油料从渗漏处到达软管节的终端就可以检测到渗漏。很明显，尽快检测到渗漏并检测出渗漏的位置和类型是十分有益的。
发明内容
因此，本发明提供渗漏检测装置，其包括设置成用于检测通过软管编织层的流体渗漏的光纤传感器，其中所述传感器设置成用于检测沿软管节的渗漏位置。
光纤传感器可以布置于内部软管编织层和外部软管编织层之间，且可以沿软管长度延伸。优选地，传感器沿软管长度为螺旋形。这会最大化渗漏检测装置的覆盖率。沿软管节长度的连续感应允许小型渗漏在压力增加到足够水平以使流体到软管节终端之前被尽快检测到。
该装置可以进一步包括：设置成用于发射光脉冲到光纤中的发射器；和检测器，其设置成用于检测反射信号并根据该反射信号随时间推移的强度变化来检测渗漏位置。光学检测系统的利用意味着传感器没有任何部份具有可能接触到油料的电流。每个软管节内部也不需要电源，该电源是潜在的破坏机构和安全隐患。
光纤传感器可以包括光纤以及流体敏感材料，该流体敏感材料一经与特定流体接触就会经历体积变化。该流体敏感材料的体积变化可以引起光纤微弯曲。优选地，光纤传感器包括：包覆有流体敏感材料的传感器芯部，和可以固定到被包覆住的传感器芯部上的光纤。
优选地，光纤是通过线，例如凯夫拉尔线(kevlar thread)，固定到流体敏感材料上。该材料的体积变化可以使光纤反抗线，并且可以引起光纤微弯曲。光纤的微弯曲通过衰减导致光损失，降低了膨胀点反向散射光的强度。
流体敏感材料可以一经与烃类接触而膨胀，并且可以包括硅聚合物(silicone polymer)。替代地，流体敏感材料可以一经与水接触而膨胀，并且可以包括水凝胶(hydrogel)材料。优选地，渗漏检测装置包括至少两种设置成用于检测不同流体的渗漏的光纤传感器。
传感器可以放在保护套中。优选地，保护套是能渗透的，以允许流体通过内部软管编织层或者外部软管编织层渗漏后接触到传感器。保护套可以固定在软管节的终端，并且可以设置成随该软管节的膨胀而膨胀和随软管节的收缩而收缩。优选地，传感器可以在多孔保护套内部自由地移动。传感器的长度可以延伸超过保护套的长度以适应软管节的膨胀和收缩。
检测装置可以进一步包括水密壳体，该水密壳体位于软管节的终端，并可以设置成用于容纳传感器的附加长度。软管终端的光纤传感器的富余长度为软管的膨胀和收缩留有余地。由于传感器可以在保护套内部自由地移动，如果软管膨胀传感器线缆的附加长度就可以从水密壳体进入保护套内。相似地，如果软管收缩传感器线缆的富余长度就可以容纳于水密壳体内。
检测装置可以进一步包括光学跨接线缆(optical jumper cable)，该光学跨接线缆设置成延伸于软管节的光纤传感器和与其连接的第二软管节的光纤传感器之间，以提供连续光信号。光学穿板式接头(optical bulkheadadaptor)可以设置成用于提供光纤传感器和光学跨接线缆之间的防水连接，并且可以贯穿水密壳体的壁面。优选地，光学穿板式连接器(opticalbulkhead connector)连接光纤到光学穿板式接头上，并且跨接线缆连接器连接光学跨接线缆到光学穿板式接头上。
光学跨接线缆可以在软管外面延伸并且可以被保护性线缆护套保护住。由于光学跨接线缆位于软管外面且只在各个软管的水密壳体终端之间延伸，所以如果被外力损坏也能够被轻易地替换或修理。
该装置可以进一步包括设置成用于图像式地显示检测到的信号的显示器。显示器可以进一步设置成用于显示参考轨迹，检测到的信号可以跟它做比较。因此可以检测到信号的意外变化，且用于确定渗漏位置。
本发明的第一方面公开了一种渗漏检测装置，包括设置成用于检测通过软管编织层的流体渗漏的光纤传感器，其中，所述传感器设置成用于检测沿软管节的渗漏位置。
渗漏检测装置进一步包括：设置成用于发射光脉冲到光纤中的发射器；和设置成用于检测反射信号并记录该反射信号随时间推移的强度变化的检测器。
所述光纤传感器设置于内部软管编织层和外部软管编织层之间。
所述光纤传感器沿软管长度延伸。
所述传感器沿所述软管长度为螺旋形。
所述传感器进一步包括流体敏感材料，该材料一经与特定流体接触会经历体积变化。
所述流体敏感材料的体积变化设置成用于引起所述光纤的弯曲。
其中，所述光纤传感器包括传感器芯部，该传感器芯部包括所述流体敏感材料，且其中所述光纤被固定在传感器芯部上。
所述光纤被线固定在所述流体敏感材料上，且其中所述材料的体积变化使所述光纤反抗所述线，引起所述光纤的微弯曲。
所述流体敏感材料一经与烃类接触会膨胀。
所述流体敏感材料是硅聚合物。
所述流体敏感材料一经与水接触会膨胀。
所述流体敏感材料是水凝胶。
渗漏检测装置包括设置成用于检测不同流体的渗漏的两种光纤传感器。
所述传感器放在保护套中。
所述保护套的终端被固定在所述软管节的终端。
所述保护套设置成随所述软管节的膨胀而膨胀。
所述保护套设置成随所述软管节的收缩而收缩。
所述传感器在所述保护套中能自由地移动，且其中所述传感器的长度延伸超过所述保护套的终端以适应软管节长度的任意变化。
渗漏检测装置进一步包括水密壳体，其位于所述软管节的终端。
所述光纤传感器的终端容纳于所述水密壳体内。
所述水密壳体容纳光纤传感器的附加长度，该长度设置成用于适应软管节长度的任意变化。
渗漏检测装置进一步包括光学跨接线缆，该线缆设置成用于延伸于所述软管节的光纤传感器和与其连接的第二软管节的光纤传感器之间，以提供光连续性。
渗漏检测装置进一步包括光学穿板式接头，该光学穿板式接头设置成用于提供所述光纤传感器和所述光学跨接线缆之间的防水连接。
所述光学穿板式接头贯穿所述水密壳体的壁面。
渗漏检测装置进一步包括：光学穿板式连接器，其设置成用于连接所述光纤到所述光学穿板式接头上；和跨接线缆连接器，其设置成用于连接所述光学跨接线缆到所述光学穿板式接头上。
所述光学跨接线缆被保护性线缆护套保护着。
渗漏检测装置进一步包括设置成用于图像式地显示检测到的信号的显示器。
所述显示器进一步设置成用于显示参考轨迹。
本发明的第二方面公开了一段软管，包括光纤传感器，该光纤传感器沿所述软管延伸并设置成用于检测通过软管编织层的流体的渗漏位置。
所述光纤传感器沿所述软管的长度延伸，并设于内部软管编织层和外部软管编织层之间。
所述光纤传感器包括光纤和流体敏感材料，该流体敏感材料一经与特定流体接触会经历体积变化。
所述光纤固定在所述流体敏感材料上，借此，所述材料的体积变化引起所述光纤的弯曲。
本发明的第三方面公开了一种检测软管中流体渗漏的方法，包括沿光纤传感器发射光信号，检测反射信号并且监视所述反射信号的强度随时间推移的变化。
本发明还公开了一种渗漏检测装置，大致如任意一个或多个附图所描述；一段软管，大致如任意一个或多个附图所描述；以及一种检测软管中流体渗漏的方法，大致如任意一个或多个附图所描述。
附图说明
现在将只参考附图的例子来描述本发明的优选实施例，其中：
图1根据本发明的一个实施例示意性地表示两个连接的软管节和渗漏检测装置；
图2示意性地表示用于图1装置中的光纤传感器；
图3表示图2中光纤传感器的剖面图；
图4示意性地表示图1中软管终端连接的剖面图；
图5是表示渗漏检测的实例轨迹的图形。
具体实施方式
参考图1，用于输油软管的渗漏检测系统包括：连接到光纤传感器2a、2b的光时域反射仪单元(Optical Time Domain Reflectometry)1，所述光纤传感器以螺旋方式沿软管4在内部软管编织层6和外部软管编织层8之间延伸。
参考图2和3，传感器2a、2b具有类似的构造，所以将只描述它们中的一个。传感器包括包覆有膨胀性材料5的传感器芯部3，该膨胀性材料5一经与烃类产品或者水接触就会膨胀。光纤7通过相对不能伸展的固定材料，在本例中为一种线如凯夫拉尔线(Kevlar thread)，固定到带有包覆层的传感器芯部3之上。传感器安放在保护套14内部。在本实施例中，渗漏检测装置系统包括两个光纤传感器2a和2b，其中2a用于检测烃类产品的存在，2b用于检测水的存在。
光时域反射仪1发射一系列非常短的高功率光脉冲到光纤7中。光沿光纤7长度传播时会被内部反射，少量光被散射回到在源头处的检测器。光时域反射仪1收集和处理数据。如果在内部软管编织层6或外部软管编织层8内有渗漏，油料或水将进入两层之间的空间。油料或水穿过多孔保护套14并与光纤传感器2接触，引起传感器2两者之一的包覆层5膨胀。由于膨胀性材料5的膨胀，它使光纤7反抗固定线9，引起光纤9微弯曲。这些位置将不再满足全内反射条件，从光纤9芯部逃逸的光进入外部包层。该光通过衰减而消失，导致检测到的反向散射的光损失增大。
传感器2a、2b各自以螺旋方式缠绕在内部软管编织层6上，以最大化渗漏检测覆盖率从而最小化渗漏被检测到的时间。保护套14包裹着传感器2a、2b以保护它们不受损害，但是允许渗漏的油料或水到达传感器2。
烃类传感器2a包括玻璃增强聚合物(glass reinforced polymer)传感器芯部3，该芯部3包覆有膨胀性材料5，例如热固性的硅聚合物(heatcured silicone polymer)，其一经与诸如石油之类的普通烃类燃料接触就会膨胀。材料5被挤压或者浸涂到传感器芯部5上，并用作约为50微米和100微米的薄覆层。对于检测重质燃料和油料，其它橡胶化合物(rubbercompounds)，例如丁基橡胶(Butyl rubber)和三元乙丙橡胶(EPDM)，可以替换硅树脂(silicone)。这些材料5一旦完全干透，能够重新用于检测相同流体。
设置成用于检测水的存在的光纤传感器2b包括传感器芯部5，该芯部包覆有一经与水接触就会膨胀的水凝胶。一种适当的水凝胶实例是聚合物(环氧乙烷)-共聚物(环氧丙烷)(PEO/PPO)嵌段共聚物聚氨酯脲(PUU)[poly(ethylene oxide)-copoly(propylene oxide)(PEO/PPO)block copo-lymer polyurethaneurea(PUU)]。PEO与PPO的比值改变该材料的膨胀和物理性质。所以成分的比值被选为用于提供一经与水接触的最大膨胀而同时仍然维持最佳机械强度。一旦干燥后水凝胶会回到未膨胀的状态，于是能被重新使用。
应了解的是任何其它呈现类似物理性质的适当的材料都可以用来检测烃类或水。还可以通过使用任何适当的材料来检测其它流体的存在，该材料能够包覆在传感器芯部5上并且当与特定流体接触会经历可预测的体积变化。
参考图1和4，单个软管节4能够通过包括软管终端件11的软管接头10连在一起以形成连续的软管。在软管终端件11的第一终端，内部软管编织层6的终端被封在终端件11的外缘。终端件11的第二端包括金属法兰盘16，该法兰盘设置成螺栓连接到相邻软管终端件11的金属法兰盘上。
容纳光纤传感器2a和2b的保护套14沿软管节4的长度位于内部软管编织层6和外部软管编织层8之间。光纤传感器2a、2b的长度大于软管节4的长度，因此传感器的附加线圈伸出保护套14。使用中，软管经历拉伸和收缩，传感器的这个附加长度就是设置成用于适应这种情况。保护套14由可伸长的材料制成，且其终端附着于软管终端件11上并相对于它被固定住。所以保护套14跟随软管膨胀和收缩。保护套14包括螺旋缠绕的扁带或线材，且由金属、足够硬的塑料材料或其它适当的材料制成。在松弛状态时，螺旋线的各个线圈之间有间隙，用以为软管收缩时保护套的紧缩留有余地。传感器2不能伸展，且在保护套14内可以自由移动。如果软管节4膨胀，传感器2的附加长度就被拉入保护套14中，且足以沿软管节4的长度延伸。如果软管节4收缩，从而保护套14也收缩，传感器2的富余长度就会延伸超出保护套14的终端。对于每个软管节4，光纤(即传感器)的长度是恒定的，以便用从渗漏到光时域反射仪单元的距离表示渗漏位于哪个软管节4中和沿该软管节4的渗漏位置。
水密壳体20附着于软管终端件11上，并相对于它被固定住。壳体20的开口22连接于内部软管编织层6和外部软管编织层8之间，并通过外部软管编织层8从外面密封住。保护套14延伸进入水密壳体20的开口22内并相对于它被固定住。传感器2a、2b富余的线圈伸出保护套14的终端且容纳于水密壳体20内。
水密壳体20进一步包括防水光学穿板式接头26，该接头安装于水密壳体20的终端壁面28上。光学穿板式连接器25设置在光纤传感器2a、2b的终端，且设置成用于连接光纤传感器到穿板式接头26上。还设有光学跨接线缆12，其延伸于两个相邻软管节4的光纤传感器2a和2b之间。在每个光学跨接线缆12的终端设有跨接线缆连接器13，用于连接电缆12到相邻软管节4的光学穿板式接头26上，以从软管节到软管节提供连续光信号。光学跨接线缆12绕过软管连接器10的外面，且被位于法兰暴露区域上的坚固线缆护套18保护着。如果外力损坏了跨接线缆12，连接器13能轻松地实现线缆的拆卸和替换。
参考图5，检测到的反向散射光的能级可以显示为强度对沿光纤的距离的图形。光脉冲发射时间是已知的，对于脉冲发射后的一个给定时间反向散射光的能级被记录下来。在任一给定时间信号沿光纤7的行程为已知，因此反向散射光的强度可以显示为沿光纤长度的距离的函数。任何正常的光纤都有光强的固有损耗，一般地光纤沿其整体长度表现出类似的损耗特性。因此对于正常光纤来说，反向散射光的强度作为沿光纤的距离的函数的图形是线性递减的。这在屏幕32上显示为参考轨迹30。
正如上述，软管4中的渗漏34引起在沿光纤7的渗漏34的位置上光损失的增大。因此导致反向散射光的能级从那个位置上的降低要大于期待值。检测到的信号36显示在屏幕32上且与参考轨迹30相比，以确定是否有渗漏发生。强度在相同位置上与参考轨迹30的强度相比有意外下降的话，就表明在那个位置上有渗漏存在。因此可以检测到沿软管的渗漏位置。
由于与每个软管节相联系的光纤长度是恒定的，当软管由多个软管节组成时，传感器如上述方式连在一起以沿基本上整个软管长度形成单个传感器，就可以确定检测到的渗漏沿软管的距离。由此，就可以识别发生渗漏的软管节。还可以确定渗漏发生在软管节的哪个位置上，其精度取决于光时域反射仪单元。
为了避免监视显示信号，采取差异轨迹(differential trace)来检测参考轨迹30和检测到的信号36之间的差异。设置一个阈值，当两个信号之间的任何差异超过该阈值时，就会启动警报，使操作员警觉到可能存在渗漏。渗漏34的位置记录为沿软管长度的距离，或者显示在所监视的软管长度的示意图上。
应了解的是所述实施例的渗漏检测装置可以改造为用于检测除烃类产品和水之外的其它流体的存在，并且可以将附加传感器包括在检测装置内以便检测超过两种的不同流体。还应了解的是可以以多种不同的方式来警告操作员存在渗漏。例如，可以在检测装置的地点发出警报声音，或者可以将信号发送给远程设备(remote device)。

Claims (28)

1.渗漏检测装置，包括设置成用于检测通过一段软管的软管编织层的流体渗漏的光纤传感器，其中，所述传感器设置成用于检测沿软管节的渗漏位置，并且所述渗漏检测装置进一步包括光学穿板式接头，其设置成在所述光纤传感器和光学跨接线缆之间提供防水连接，所述光学跨接线缆用于将所述软管节的光纤传感器和一连接的第二软管节的光纤传感器连接，以提供光连续性。
2.如权利要求1所述的装置，其中，进一步包括：设置成用于发射光脉冲到光纤中的发射器；和设置成用于检测反射信号并记录该反射信号随时间推移的强度变化的检测器。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述光纤传感器设置于内部软管编织层和外部软管编织层之间。
4.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述光纤传感器沿软管长度延伸。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述传感器沿所述软管长度为螺旋形。
6.如权利要求1、2和5所述的装置，其中，所述传感器进一步包括流体敏感材料，该材料一经与特定流体接触会经历体积变化。
7.如权利要求6所述的装置，其中，所述流体敏感材料的体积变化设置成用于引起所述光纤的弯曲。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述光纤传感器包括传感器芯部，该传感器芯部包括所述流体敏感材料，且其中所述光纤被固定在传感器芯部上。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述光纤被线固定在所述流体敏感材料上，且其中所述材料的体积变化使所述光纤反抗所述线，引起所述光纤的微弯曲。
10.如权利要求7到9中任一项所述的装置，其中，所述流体敏感材料一经与烃类接触会膨胀。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述流体敏感材料是硅聚合物。
12.如权利要求7到9中任一项所述的装置，其中，所述流体敏感材料一经与水接触会膨胀。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述流体敏感材料是水凝胶。
14.如权利要求1、2、4、7-11和13中任一项所述的装置，其中，包括设置成用于检测一不同流体的渗漏的另一光纤传感器。
15.如权利要求1、2、4、7-11和13中任一项所述的装置，其中，所述传感器放在保护套中。
16.如权利要求15所述的装置，其中，所述保护套的终端被固定在所述软管节的终端。
17.如权利要求16所述的装置，其中，所述保护套设置成随所述软管节的膨胀而膨胀，且/或设置成随所述软管节的收缩而收缩。
18.如权利要求16或17所述的装置，其中，所述传感器在所述保护套中能自由地移动，且其中所述传感器的长度延伸超过所述保护套的终端以适应软管节长度的任意变化。
19.如权利要求1、2、4、7-11、13、16和17中任一项所述的装置，其中，进一步包括水密壳体，其位于所述软管节的终端。
20.如权利要求19所述的装置，其中，所述光纤传感器的终端容纳于所述水密壳体内。
21.如权利要求20所述的装置，其中，所述水密壳体容纳光纤传感器的附加长度，该长度设置成用于适应软管节长度的任意变化。
22.如权利要求20所述的装置，其中，所述光学穿板式接头贯穿所述水密壳体的壁面。
23.如权利要求20或22所述的装置，其中，进一步包括：光学穿板式连接器，其设置成用于连接所述光纤到所述光学穿板式接头上；和跨接线缆连接器，其设置成用于连接所述光学跨接线缆到所述光学穿板式接头上。
24.如权利要求1所述的装置，其中，所述光学跨接线缆被保护性线缆护套保护着。
25.如权利要求1或2所述的装置，其中，当引用权利要求2时，进一步包括设置成用于图像式地显示检测到的信号的显示器。
26.如权利要求25所述的装置，其中，所述显示器进一步设置成用于显示参考轨迹。
27.一段软管，其包括根据权利要求1或2所述的渗漏检测装置，其中，所述光纤传感器沿所述软管的长度延伸，并设于内部软管编织层和外部软管编织层之间。
28.如权利要求27所述的一段软管，其中，所述光纤传感器包括光纤和流体敏感材料，该流体敏感材料一经与特定流体接触会经历体积变化。
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