CN104482331A - 一种智能rtp管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能RTP管，包括内管和外管，所述内管与外管之间设有增强传感层，所述增强传感层由一条以预定缠绕角缠绕在内管外壁上的复合带构成，所述复合带包括一组沿内管轴向并排均布的预张紧的增强纤维，所述增强纤维中均布数根传感光缆，所述传感光缆与增强纤维相邻布置。本发明将光缆植入管道内部，不仅可以避免光缆的再次铺设，对光缆进行保护，使其适用于较为苛刻的工况环境，还可对RTP管进行安全监控和数据传递，实现管道在运营阶段的流体运输、信号传输、泄露监测和应变监测功能，进而保证管道运行安全。

Description

一种智能RTP管及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种RTP管，尤其是一种带光纤传感器监测功能的智能RTP管，同时还涉及其制备方法，属于非金属柔性管道智能监测技术领域。

背景技术

在能源日益缺乏的今天，石油天然气作为重要的能源储备，其开采对国家的重要性不言而喻，利用管道输送石油、天然气即经济又高效，在国内外得到大量的应用。石油天然气开采业过去绝大部分采用各种钢管运输，而运输钢管最突出的问题是腐蚀。为了实现技术革新和经济性优化，近年来石油天然气行业越来越多地采用非金属管道（NMP）。海洋中有丰富的石油天然气资源，开采这些资源，需要一种耐腐蚀、柔韧易弯曲、易铺设的管材，增强热塑性塑料管（RTP）具有可设计性、耐腐蚀、柔性易弯曲、易铺设、可回收等优点，相比金属管道具有独特的优势。传统的钢管受到腐蚀等因素的影响后会发生渗透甚至爆裂等问题，但是钢管的检测和修复技术比较成熟，可对现役管线的状态进行在线检测，若发现钢管有漏点或破损可自行采用补强、焊接等技术加以修复。传统的管和光缆是独立铺设，仅适用于工况较好的环境。经检索发现，公开号为CN021455023的专利提出了一种基于分布式光纤传感器的油气管线泄漏智能在线监测方法，将一条或几条光缆铺设在油气管线附近并与油气管线并行设置，利用光纤作为传感器，对油气管线进行实时监测；公开号为CN101397904的中国专利公开了一种应用光纤传感器监测井下套管受力的方法，就是将光纤光栅传感器沿套管外表面周向布设，并利用与光纤光栅传感器相连的地面光纤光栅解调仪监测套管周向应变。在上述两专利中均是将光缆置于管道外部，使得光缆受外界环境因素影响，易损坏。柔性非金属管道在安装及使用过程中，因环境因素和输送介质的影响，存在破损的风险，需要对其自身的管道状态进行监测。但是对于RTP管，在非金属材料避免腐蚀的同时，其电绝缘性使得很多适用于非金属管的检测手段无法作用于RTP管，而且传统的管道检测方法为点泄露检测，不能实现长距离管线覆盖，并且存在预报不及时，定位精度差以及误报率高等缺点。

发明内容                      

本发明要解决的技术问题是根据现有技术存在的缺陷，提出一种智能RTP管，同时给出了制备方法，该管道集流体输送、信号传输和管道泄漏/应变监测于一体，能有效地实现长距离RTP管的在线监控机实时监测。

本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种智能RTP管，包括内管和外管，所述内管与外管之间设有增强传感层，所述增强传感层由一条以预定缠绕角缠绕在内管外壁上的复合带构成，所述复合带包括一组沿内管轴向并排均布的预张紧的增强纤维，所述增强纤维中均布数根传感光缆，所述传感光缆与增强纤维相邻布置。

本发明的RTP管由三层结构复合而成，其中内管起到密封和输送流体的作用，内管采用高密度聚乙烯，不仅能够保证流体输送的致密性，还具有耐腐蚀，低磨损，密封效果好等优点；增强传感层不仅可实现非金属管道的智能化，还起到承受内压的作用，保证RTP管受内压时不发生变形，增强纤维进行预张紧处理，以保证使用过程中张紧力的最大化，预张紧应力是在制带过程中确保增强纤维和光纤直线放线的拉紧力，；外管可以保护管道各承力结构在安装和使用过程中不受损伤。这样，将传感光缆植入RTP管的管壁中，使得传感光缆与RP管成为一体，既能实现泄漏检测和盗油等监测功能，又能对其自身形成保护，避免传感光缆的性能会因为RTP管的生产工艺及管道施工而遭到破坏，提高其环境适应性。

本发明通过以下技术方案进一步解决技术问题：

前述的智能RTP管，其中所述增强纤维的预张紧力是100±20牛顿，所述相邻两增强纤维的间隔大于或等于2mm。

前述的智能RTP管，其中组成复合带的所述传感光缆和增强纤维外包裹有聚烯烃基体，所述传感光缆的长度大于增强纤维，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆。

前述的智能RTP管，其中所述传感光缆为温度传感光缆、应变传感光缆或温度应变光缆。在复合带中温度传感光纤、应变传感光纤、温度应变光缆与复合带中的增强纤维交叉并排布置。

前述的智能RTP管，其中所述温度传感光缆主要由感温光纤组成，所述感温光纤上由内至外依次包裹套管和保护层，所述保护层内沿套管轴向并行排列一组加强件；所述应变传感光缆主要由两根应变光纤和两根温度光纤组成，所述应变光纤与温度光纤相邻布置形成梅花形结构，在所述梅花形结构的中部设置加强件，所述梅花形结构的外部包裹保护层。光缆的纤芯通常采用玻璃纤维制成，并在温度光纤外套有金属或塑料套管，套管外设置加强件，加强件的材质通常为玻纤、尼龙或金属编制网等，其本身的抗拉性和抗挤压性差，还需要加设高分子聚合物保护层，保护层材质通常为LDPE、LSZH或PVC等耐高温聚合物，这样光缆植入RTP管后其保护层与管体粘接，并通过复合带的保护及增强纤维的预张紧进行弥补，降低了光缆破坏性。

本发明中，沿温度传感光缆传递的拉曼散射光中含有对温度变化十分敏感的Antistokes光波和对温度不敏感的Stokes光波，这两种光波采用波分复用器分离对比后可作为温度信号，管道发生泄露时泄漏点的温度场会发生变化，从而造成温度传感光缆中拉曼散射的Stokes光和Antistokes光强度的比值发生变化，当监测系统检测到二者光强度比值变化超过设定阈值时，可实现RTP管道的泄露报警，同时根据响应时间确定泄露点的位置。因此基于本发明的智能RTP管，可以对管道的温度数据进行采集并上传到工作站，工作站对采集到的数据进行分析计算，从而实现其运行期间的自我实时在线监测。另外，沿应变传感光缆传递的布里渊散射光对应变和温度变化十分敏感，为排除温度的影响，应变传感光缆通常包含1根自由应变光纤和1根非自由应变光纤，基于本发明的智能RTP管可通过植入其内的应变传感光缆监测自身的应力应变状态，监测系统对采集到的应力应变数据进行分析计算得出管道沿线各处的应变及应力，当监测系统检测到管道某部位存在超出预设应力应变值时，系统发出报警及精确定位。

前述的智能RTP管，其中所述所述缠绕角为50～60°。

本发明的智能RTP管的制备方法，包括以下步骤：

一、将高密度聚乙烯原料放进内管挤出机中，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出成型并冷却定型形成内管；

二、将一组传感光缆和增强纤维交叉均布排列并预张紧至其预紧张应力为100±20牛顿，再将聚烯烃原料放入挤出机内，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出机的挤出模头将粘流态物料挤出包覆在传感光缆和增强纤维上，得到复合带；

三、在外管的外壁上按照预定缠绕角缠绕复合带，形成增强传感层；

四、将高密度聚乙烯原料放入外管挤出机内，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，外管挤出机将粘流态物料挤出包覆在增强传感层外，构成外管，得到智能RTP管。

上述RTP管的制备方法其使用的设备按照加工顺序依次包括制带设备、内管挤出机、复合带缠绕机和外管挤出机。本发明采用制带和制管不交叉的制造生产工艺，流程可靠，便捷高效。

前述的智能RTP管的制备方法，其中所述步骤二中，将传感光缆和增强纤维交叉均布在制带线的排线孔中，所述传感光缆和增强纤维的一端固定在牵引装置上，由牵引装置牵引通过排线导轨，实现排布预张紧后，经过挤出机挤出成型，得到以聚烯烃为基体，增强纤维为增强体，传感光缆为检测体的复合带。

前述的智能RTP管的制备方法，其中所述步骤二中，传感光缆的长度大于增强纤维，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆；所述步骤四中，传感光缆的端部被外管包覆前，RTP管自动从外管挤出机的挤出模头上分离。

传感光缆植入RTP管后与管体粘结在一起，造成使用时难以从管体中剥离光缆，因此需要采用特殊的制造工艺使光缆的两端从整个管体中自动分离出来，达到光缆与管体的不破坏性分离，克服了光缆剥离难的问题。另外，RTP管采用机械接头连接后，光缆于其表面通过热熔法进行连接，之后接头部分进行缠缚保护，从而确保两个连接的不相互干涉，形成交叉保护。

前述的智能RTP管的制备方法，其中所述缠绕角为50～60°；所述高密度聚乙烯原料的加热温度为180～230℃。

本发明的优点是：

1.将光缆由传统的管道外铺设形式，改为植入管道内部，不仅可以避免光缆再次铺设，对光缆进行保护，使其适用于较为苛刻的工况环境，还可对RTP管进行安全监控和数据传递，实现了管道在运营阶段的流体运输、信号传输、泄露监测和应变监测功能，进而保证管道运行安全；

2. 基于拉曼散射和布里渊散射的光时域反射技术的光纤传感监测系统，以光为载体在同一根光纤中实现现场信号的采集和传输，并将光纤与RTP管结合在一起，形成带光线传感的智能RTP管，能有效地实现对长距离RTP管陆地和海洋铺设以及在油气输送过程中应力应变、泄漏检测、信号传输的在线监控；

3.运用光纤传感技术实时在线检测RTP管在管道非开挖穿插、铺设，以及流体输送运营过程中出现的异常，例如穿插受阻，浪流过大，泄漏，盗油，悬挂和外部干扰，使得管道自身做出响应并及时报警、定位，实现了信号和数据传输，从而实现了管道系统的信息化和智能化。

总之，本发明完善了现有非金属柔性管道的功能，合理地实现了光纤传感技术与RTP管的智能结合。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明中温度传感光缆的结构示意图。

图3为本发明中应变传感光缆的结构示意图。

图4为传感光纤增强带的制带流程图。

图5为光缆端部分离工艺图。

图6为本发明的监测系统示意图。

图中1.内管，2.增强纤维，3.传感光缆，4.外管，5.放线架，6.导向轮，7.张力机，8.干燥机，9.挤出机，10.收带系统，11.模头基体，12.出料口，13.光纤导向管，14.光缆端部，31.温度光纤，32.套管，33.保护层，34.加强件，35.应变光纤。

具体实施方式

实施例一

本实施例的智能RTP管，其结构如图1所示，包括内管1和外管4，内管1与外管4之间设有增强传感层，增强传感层由一条以预定缠绕角缠绕在内管1外壁上的复合带构成，缠绕角为50～60°。复合带包括一组沿内管轴向并排均布的预张紧的增强纤维2，增强纤维2中均布数根传感光缆3，传感光缆3与增强纤维2相邻布置，传感光缆3的长度大于增强纤维2的长度，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆3。其中增强纤维2的预张紧应力是100±20牛顿，相邻的两增强纤维2的间隔大于或等于2mm，并在传感光缆3和增强纤维2外还包裹有聚烯烃基体。

传感光缆3可根据使用需求进行定制，并且光缆的机械性能能够满足RTP管的生产工艺要求及施工工程使用要求。本实施例的传感光缆3采用温度传感光缆和应变传感光缆。其中温度传感光缆主要由感温光纤31组成，感温光纤31上由内至外依次包裹套管32和保护层33，保护层33内沿套管32轴向并行排列六根加强件34（见图2）。应变传感光缆主要由两根应变光纤35和两根温度31光纤组成，应变光纤35与温度光纤31相邻布置形成梅花形结构，梅花形结构的中部设置加强件34，外部包裹保护层33（见图3）。

智能RTP管道系统以管道的应力、应变、温度信号作为监测对象，充分利用布里渊光时域反射技术（BOTDR）和拉曼光时域反射技术（ROTDR），以光纤作为媒介，以光为载体，直接感知并传输应力、应变和温度信号，实现非金属柔性管道的监测功能。当RTP管发生泄漏时，泄漏点的温度场发生变化，温度传感光缆采集温度数据并传输到监测系统，监测系统对采集到的温度数据进行分析计算后，及时报警并定位泄漏点；当RTP管的应力应变超过监测系统预设值时，应变传感光缆采集应力应变数据传输到监测系统，监测系统对采集到的应力应变数据进行分析计算后，及时报警并精确定位。

如图6所示，监测系统由硬件和软件组成，硬件由光路、光电探测器、数据采集系统和上位机组成，软件为上位机软件。光路由脉冲光源、定向耦合器、相干检测接收器及植入RTP管内的传感光纤构成；光电探测器将光路输出的光信号，经过APD雪崩二极管转换为电流信号，之后再由I/V转换电路将电流信号转换为电压信号，且光电检测电路主要包括前置放大电路和后置放大电路，前置放大电路主要作用是把光信号转换为电信号，后置放大电路则是为了适应数据采集卡输入信号的工作范围，对信号进行同向放大；数据采集系统主要用于实时、快速的信号采集，将所采集到的信号传送到上位机软件中进行实时的分析、输出显示及存储；上位机主要为PC机，用于安装监测系统的软件，上位机和数据采集系统的连接采用TCP/IP通讯协议。上位机软件主要对采集上来的数据进行分析判断、输出显示及存储，从而实现对RTP管道的运行状态监测，其设计主要是利用虚拟仪器平台的图形化编程软件以及数据处理功能，结合信号处理技术进行开发。上位机的软件开发部分，主要分为设备驱动程序编写和系统功能模块程序编写两部分，设备驱动程序是系统功能模块起作用的前提；系统功能模块由帮助信息、参数设置、数据管理、数据分析、登陆五个功能模块组成；参数设置模块包括工作参数设置及保存、泄露及应变报警阀值设置和校时参数设置；数据管理模块包括数据采集、数据存储及数据显示。数据处理包括数据分析、数据对比及报警。总之，监测系统与非金属柔性RTP管成为一个整体，实现了RTP管道的智能化监测，降低了RTP管在使用过程中的风险性，使得RTP管在任何环境下可控。

本发明的智能RTP管的制备方法，包括以下步骤：

一、将高密度聚乙烯原料放进内管挤出机中，对其进行加热（加热温度为180～230℃）及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出成型并冷却定型形成内管1；

二、将一组传感光缆3和增强纤维2交叉均布排列并预张紧至其预紧张应力为100±20牛顿，再将聚烯烃原料放入挤出机内，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出机的挤出模头将粘流态物料挤出包覆在传感光缆3和增强纤维2上，得到复合带；

三、在外管4的外壁上按照50～60°的缠绕角缠绕复合带，形成增强传感层；

四、将高密度聚乙烯原料放入外管挤出机内，对其进行加热（加热温度为180～230℃）及剪切压缩处理后得到粘流态物料，外管挤出机将粘流态物料挤出包覆在增强传感层外，构成外管4，得到智能RTP管。

在步骤二中，将传感光缆和增强纤维交叉均布在放线架5的排线孔中，传感光缆和增强纤维的一端固定在张力机7上，由张力机7牵引通过位于导向轮6上的排线导轨，实现排布预张紧后再通过干燥机8进行干燥处理，最后经过挤出机9挤出成型，得到以聚烯烃为基体，增强纤维为增强体，传感光缆为检测体的复合带，具体流程包括放线、干燥、挤出和收带，详见附图4。

步骤四中，由于传感光缆3的长度大于增强纤维2，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆3，传感光缆3的两端被外管4包覆前，RTP管自动从外管挤出机的挤出模头上分离，使得光缆的端部从RTP管剥离出来，便于传感光缆连接监测系统。在RTP外管包覆前，传感光缆端部14由引导装置引导其进入光纤导向管13，之后出料口12出料开始进行外管挤出包覆，此时模头内提供的动力迅速将光纤导向管13内的光缆端部14弹射出外层流体料，使得光缆端部14被剥离出来，具体参看附图5。

另外，制造智能RTP管前，需对选用的温度传感光缆及应变传感光缆做静态实验，判断其是否能够满足RTP管生产工艺要求，若不能满足则需对光缆的结构和材料做改进，以满足要求，确保其光学性能。实际使用时，配置分布式光纤监测系统后，做完整性测试。测试时从从光缆一端用激光笔打入一束激光，检查光缆另一端是否有光出来，从而检查光缆的通断。检查后光缆是正常的，将光缆端部连接上OTDR设备测试其衰减程度。在完整性测试结果良好的基础上对智能RTP管进行机械性能测试，验证光缆在此过程中是否破坏。最后对智能RTP进行温度和应力应变实验，验证其是否能检测出实验过程中RTP管自身出现的温度变化和应力应变变化，并确定其灵敏度和精确度。

Claims (10)

1.一种智能RTP管，包括内管和外管，其特征是：所述内管与外管之间设有增强传感层，所述增强传感层由一条以预定缠绕角缠绕在内管外壁上的复合带构成，所述复合带包括一组沿内管轴向并排均布的预张紧的增强纤维，所述增强纤维中均布数根传感光缆，所述传感光缆与增强纤维相邻布置。

2.根据权利要求1所述的智能RTP管，其特征是：所述增强纤维的预张紧力是100±20牛顿，所述相邻两增强纤维的间隔大于或等于2mm。

3.根据权利要求1所述的智能RTP管，其特征是：组成复合带的所述传感光缆和增强纤维外包裹有聚烯烃基体，所述传感光缆的长度大于增强纤维，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆。

4.根据权利要求3所述的智能RTP管，其特征是：所述传感光缆为温度传感光缆、应变传感光缆或温度应变光缆。

5.根据权利要求4所述的智能RTP管，其特征是：所述温度传感光缆主要由感温光纤组成，所述感温光纤上由内至外依次包裹套管和保护层，所述保护层内沿套管轴向并行排列一组加强件；所述应变传感光缆主要由两根应变光纤和两根温度光纤组成，所述应变光纤与温度光纤相邻布置形成梅花形结构，在所述梅花形结构的中部设置加强件，所述梅花形结构的外部包裹保护层。

6.根据权利要求1所述的智能RTP管，其特征是：所述缠绕角为50～60°。

7.根据权利要求1所述智能RTP管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

一、将高密度聚乙烯原料放进内管挤出机中，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出成型并冷却定型形成内管；

二、将一组传感光缆和增强纤维交叉均布排列并预张紧至其预紧张应力为100±20牛顿，再将聚烯烃原料放入挤出机内，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，挤出机的挤出模头将粘流态物料挤出包覆在传感光缆和增强纤维外，得到复合带；

三、在外管的外壁上按照预定缠绕角缠绕复合带，形成增强传感层；

四、将高密度聚乙烯原料放入外管挤出机内，对其进行加热及剪切压缩处理后得到粘流态物料，外管挤出机将粘流态物料挤出包覆在增强传感层外，构成外管，得到智能RTP管。

8.根据权利要求7所述的智能RTP管的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，将传感光缆和增强纤维交叉均布在制带线的排线孔中，所述传感光缆和增强纤维的一端固定在牵引装置上，由牵引装置牵引通过排线导轨，实现排布预张紧后，经过挤出机挤出成型，得到以聚烯烃为基体，增强纤维为增强体，传感光缆为检测体的复合带。

9.根据权利要求7所述的智能RTP管的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，传感光缆的长度大于增强纤维，使得复合带的端部具有向外延伸的传感光缆；所述步骤四中，传感光缆的端部被外管包覆前，自动从外管挤出机的挤出模头上分离。

10.根据权利要求7所述的智能RTP管的制备方法，其特征在于：所述缠绕角为50～60°；所述高密度聚乙烯原料的加热温度为180～230℃。