CN105627943A - 一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法，属于海洋工程和结构健康监测领域。其装置包括分布式传感单元以及传感单元间的连接保护装置两部分组成。分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器预埋在具有齿形截面的螺旋状传感器封装保护层中，构成具有抑振功能的分布式传感单元。在海管施工过程中将分布式传感单元布设在海管外壁，并通过连接保护装置使相邻管段的传感单元连通。通过对服役中海管应变的分布式监测，实现海管结构安全性的实时评价。该监测装置及其监测方法提供了一种具有齿形截面的螺旋状分布式传感单元及其连接保护装置，使其适应海管现场施工和传感器长期服役的要求，同时还可为海管提供扰流抑振的功能。

Description

一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法，属于海洋工程和结构健康监测领域。

背景技术

海管（包括立管）是海上油田油气集输的主要方式。随着我国海洋油气资源开发活动的迅速发展，海管的铺设里程日益增加。与陆地管线相比，海管的服役条件更加恶劣，不但时刻受到波浪、海流等动力因素的作用，而且长期遭受腐蚀、疲劳等退化效应的影响，在全寿命服役周期内结构退化现象明显，损伤泄漏事件时有发生。一旦海管发生泄漏，除了会造成巨大的直接经济损失以外，所引发的环境污染和生态灾难更是无法挽回。因此，在线监测海管的结构状态，实时评估其服役安全性，便成为海洋油气资源开发中亟需解决的关键问题之一。

海管工作于复杂的水下环境，常规的检测评价难以实施。目前，海管的结构状态评价主要依赖两类技术，一类是以智能猪（PIG）为代表的管内检测技术，另外一类是以侧扫声纳和潜水员探查为代表的管外检测技术。管内检测技术存在数据解释困难、检测成本高和检测精度低的问题，而管外检测技术通常无法适应深水和超深水的要求，并且难以检测隐蔽部位的结构局部损伤。更为严重的是，这两类技术均无法满足在线实时监测的要求，难以捕捉通常具有突发性特点的管道泄漏事件。

基于背向散射原理（布里渊、拉曼或瑞利）的光纤传感技术，能以真正的分布式的方式对结构变形或外界温度扰动实施测量，在大型结构安全监测中逐渐得到应用。尤其是，分布式光纤传感技术所具有的长距离、大范围监测的特点，使其成为管线结构安全监测的理想技术之一。在海管应用中，目前国内外主要采用分布式光纤测温技术进行管线结构状态的监测。这类技术的基本原理是，管中高温原油的泄出将导致漏点附近海水或海床的温度发生变化，因此通过在管线沿途布设分布式测温光缆，即可监测管线泄漏事故的发生。分布式测温技术尽管可以解决管线泄漏的监测问题，但是也存在无法监测管线结构状态退化的局限性，而且管线一旦泄漏，则事故已经发生。为了满足退化监测与安全预警的要求，更为直接的方式是对管线的应变进行分布式监测，根据应变信息实时评价结构状态。但是众所周知，光纤非常脆弱，容易在施工和服役过程中受到损坏，因此需要对光纤传感器进行特殊的封装，使其适应严酷的现场环境。针对分布式光纤传感器，另外一个挑战性的问题是，分布式应变监测要求传感器在传感路径上的每一点与结构相连，这在海上施工中是难以做到的，成为分布式应变监测技术在海管应用中的“瓶颈”。

发明内容

本发明旨在提供一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法，通过将分布式光纤传感器预埋于一种特殊设计的封装保护层中，实现分布式光纤传感器的现场快速安装，解决分布式光纤传感器长期服役的耐久性和可靠性问题，同时该监测装置也可为海管提供抑振功能。

本发明的技术方案是：一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置，它包括分布式传感单元和两个分布式传感单元之间的连接保护结构，所述分布式传感单元采用分布式光纤应变传感器和设置在毛细钢管中的温度补偿传感器预埋在具有齿形截面的传感器封装保护层中；所述两个分布式传感单元之间的连接保护结构采用把一个分布式传感单元中的分布式光纤应变传感器与另一个分布式传感单元中的分布式光纤应变传感器的端部在先套上钢热缩管后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管，同时把一个分布式传感单元中的温度补偿传感器与另一个分布式传感单元中的温度补偿传感器的端部在先套上钢热缩管后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管，在两个分布式传感单元的连接处包裹沥青玛蹄脂；在海管施工过程中，将三个分布式传感单元周向均布螺旋式缠绕在海管的外壁上，所述传感器封装保护层的圆弧面紧贴在海管的外圆面上并用高强快固粘结剂固定，再用导引光缆把分布式传感单元与采集分析仪连接。

一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置的监测方法，包括以下步骤：

（a）根据海管的外径以及施工工艺，确定分布式传感单元的长度和螺旋角度；通过对海管的流致振动理论或数值分析，确定传感器封装保护层的齿形截面的尺寸；

（b）根据步骤（a）确定的参数，制作传感器封装保护层的模具；

（c）采用聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纤维增强复合材料在模具中预制传感器封装保护层；预制过程中，将分布式光纤应变传感器预埋在传感器封装保护层中，同时将毛细钢管也预埋在传感器封装保护层中；分布式光纤应变传感器与毛细钢管在传感器封装保护层中平行布设；传感器封装保护层预制完成后，利用气吹法将温度补偿传感器吹入毛细钢管中，使其保持松弛状态；分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器在传感器封装保护层的端部外预留一段用于相邻传感器之间的连接长度；所述分布式光纤应变传感器、温度补偿传感器以及传感器封装保护层构成具有抑振功能、螺旋状的分布式传感单元；

（d）在海管施工现场，按照截面等间距布设的方式，采用高强快固粘结剂把三个螺旋状的分布式传感单元平行布设于海管的外壁；

（e）位于相邻管段上的分布式传感单元，采用现场熔接的方式分别将分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器首尾相连，然后加热对连接光纤和温度补偿线形成保护的钢热缩管；在钢热缩管的外面浇筑沥青玛蹄脂，对分布式传感单元的连接部位形成封装保护；

（f）在完成三个分布式传感单元的布设和连接后，通过导引光缆将分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器与采集分析仪相连；

（g）利用分布式安全监测系统对海管的应变和沿途温度实施监测；根据分布式温度测量结果，对分布式应变监测数据进行温度补偿；由于海管的每个截面布设有等间距的对应于三个分布式传感单元的三个测点，根据消除温度效应后的分布式应变数据，获得海管在任意截面上由轴压和弯曲所导致的应变；利用分布式应变监测信息，对海管的结构状态及其退化情况进行实时评价。

本发明的有益效果是：这种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置及其监测方法，分布式传感单元采用分布式光纤应变传感器和设置在毛细钢管中的温度补偿传感器预埋在具有齿形截面的传感器封装保护层中。两个分布式传感单元之间的连接采用把两个分布式传感单元中的分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器的端部熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管和包裹沥青玛蹄脂；在海管施工过程中，将三个分布式传感单元周向均布螺旋式缠绕在海管的外壁上，用高强快固粘结剂固定，再用导引光缆把分布式传感单元与采集分析仪连接。该监测装置及其监测方法为海管提供扰流抑振的功能。通过在线获得的分布式应变信息，能够实时评价海管（包括立管）的结构状态和服役安全性，预防灾害事故的发生，为我国海洋石油资源的开发利用提供技术支撑。

附图说明

图1是分布式传感单元示意图。

图2是两个分布式传感单元之间的连接结构示意图。

图3是在海管上布置三个分布式传感单元示意图。

图4是图3中的A向视图。

图5是图4中的三个分布式传感单元安全监测接线示意图。

图中：1、分布式光纤应变传感器，2、温度补偿传感器，3、毛细钢管，4、传感器封装保护层，4a、圆弧面，5、分布式传感单元，5a、第一分布式传感单元，5b、第二分布式传感单元，5c、第三分布式传感单元，6、沥青玛蹄脂，7、海管，8、钢热缩管，9、导引光缆，10、采集分析仪。

具体实施方式

图1、2示出了分布式传感单元和连接结构示意图。这种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置包括分布式传感单元5和两个分布式传感单元5之间的连接保护结构，分布式传感单元5采用分布式光纤应变传感器1和设置在毛细钢管3中的温度补偿传感器2预埋在具有齿形截面6的传感器封装保护层4中。两个分布式传感单元5之间的连接保护结构采用把一个分布式传感单元5中的分布式光纤应变传感器1与另一个分布式传感单元5中的分布式光纤应变传感器1的端部在先套上钢热缩管8后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管8，同时把一个分布式传感单元5中的温度补偿传感器2与另一个分布式传感单元5中的温度补偿传感器2的端部在先套上钢热缩管8后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管8，在两个分布式传感单元5的连接处包裹沥青玛蹄脂6。

图3、4、5示出了在海管上布置三个分布式传感单元示意图。在海管施工过程中，将三个分布式传感单元5周向均布螺旋式缠绕在海管7的外壁上，传感器封装保护层4的圆弧面4a紧贴在海管7的外圆面上并用高强快固粘结剂固定，用导引光缆9把三个分布式传感单元5与采集分析仪10连接。

这种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置的监测方法，具体包括以下步骤：

（a）根据海管7外径以及海管7现场施工工艺，确定分布式传感单元5的长度和螺旋角度；通过对海管7的流致振动理论或数值分析，确定传感器封装保护层4的截面形状以及齿形截面的尺寸；

（b）根据（a）确定的参数，制作传感器封装保护层4的模具；

（c）采用聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纤维增强复合材料在模具中预制传感器封装保护层4；预制过程中，将分布式光纤应变传感器1预埋在传感器封装保护层4中，同时将毛细钢管3也预埋在传感器封装保护层4中；分布式光纤应变传感器1与毛细钢管3在传感器封装保护层4中平行布设；传感器封装保护层4预制完成后，利用气吹法将温度补偿传感器2吹入毛细钢管3中，使其保持松弛状态；分布式光纤应变传感器1和温度补偿传感器2应在传感器封装保护层4端部以外预留一定长度，用于相邻传感器之间的连接操作；分布式光纤应变传感器1和温度补偿传感器2以及传感器封装保护层4就组成了具有抑振功能的螺旋状分布式传感单元5；

（d）在海管7施工现场，在当前施工管段按照截面等间距布设的方式，采用高强快固粘结剂将3个螺旋状分布式传感单元5平行布设于海管7的外壁；

（e）位于相邻管段上的分布式传感单元5，采用现场熔接的方式分别将分布式光纤应变传感器1和温度补偿传感器2首尾相连；然后加热钢热缩管8，对连接光纤形成保护；并使用高强快固粘结剂把钢热缩管8固定在海管7的外壁；在海管7和钢热缩管8的外面浇筑沥青玛蹄脂6，对分布式传感单元5的连接部位形成封装保护；

（f）完成所有的分布式传感单元5的布设和连接后，通过导引光缆9将分布式光纤应变传感器1和温度补偿传感器2与采集分析仪10相连，完成海管7分布式安全监测系统的安装工作；

（g）利用分布式安全监测系统对海管7的应变和沿途温度实施监测；根据分布式温度测量结果，对分布式应变监测数据进行温度补偿；由于海管7的每个截面布设有等间距的三个测点（对应于三个分布式传感单元5），进而可以根据消除温度效应后的分布式应变数据，获得海管7在任意截面上由轴压和弯曲所导致的应变；利用分布式应变监测信息，可对海管7的结构状态及其退化情况进行实时评价。

采用上述的技术方案，分布式光纤应变传感器由普通光导纤维担任，应变测量由基于布里渊或瑞利背向散射的时域反射/分析或时域/频域相干技术实现。

温度补偿传感器由松弛的普通光导纤维组成，与分布式光纤应变传感器平行布设，温度测量同样由基于布里渊或瑞利背向散射的时域反射/分析或时域/频域相干技术实现。

传感器封装保护层可以由聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纤维增强复合材料制作而成，具有一定的强度，且可抵御海洋腐蚀环境，满足光纤传感器耐久性保护的要求。传感器封装保护层根据海管外径预制成螺旋形，在其中预埋分布式光纤应变传感器，并且在分布式光纤应变传感器的附近预留直径是温度补偿光纤直径2-4倍的孔道，与分布式光纤应变传感器平行布置，在孔道内部布设松弛的温度补偿传感器。螺旋状传感器封装保护层沿长度方向分布有齿形截面，起到扰流抑振的作用。

每个集成有分布式光纤应变传感器和温度补偿传感器的封装保护层就构成了一个具有抑振功能的螺旋状分布式传感单元。

传感单元间的连接保护装置包括钢热缩管和沥青玛蹄脂封装保护材料。其中，钢热缩管起到保护相邻的分布式传感器单元的连接光纤的作用，沥青玛蹄脂对热缩套管以及分布式传感单元的连接部位进行外封装保护。

在海管铺设时，在当前施工的管段将三个具有抑振功能的螺旋状分布式传感单元，按照截面等间距分布的方法布设在海管外壁，二者之间通过高强快固粘结剂连接，保证分布式传感单元的变形与海管变形一致。将沿管道纵向分布的传感单元内的分布式光纤应变传感器以及温度补偿传感器，通过现场熔接的方式彼此连通。然后，在光纤连接处将对钢热缩管进行加热，使其发生收缩，从而对连接光纤起到保护作用，并使用高强快固粘结剂将刚热缩管固定在海管外壁。连接光纤保护操作完成后，在相邻的两个传感单元之间浇筑沥青玛蹄脂，对光纤传感单元连接位置进行封装保护。待所有分布式传感单元布设完成后，通过导引光缆将分布式光纤传感器与采集分析仪相连接，对海管应变和沿途温度实施分布式监测。利用分布式温度传感器的测量结果，对分布式应变监测数据进行温度补偿。由于每个截面布设有等间距的三个测点（对应于三个分布式传感单元），进而可以根据消除温度效应后的分布式应变数据，获得海管在任意截面上由轴压和弯曲所导致的分布式应变。利用分布式应变监测信息，可对海管结构状态及其退化情况进行实时评价。

Claims (2)

1.一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置，它包括分布式传感单元（5）和两个分布式传感单元（5）之间的连接保护结构，其特征是：所述分布式传感单元（5）采用分布式光纤应变传感器（1）和设置在毛细钢管（3）中的温度补偿传感器（2）预埋在具有齿形截面（6）的传感器封装保护层（4）中；所述两个分布式传感单元（5）之间的连接保护结构采用把一个分布式传感单元（5）中的分布式光纤应变传感器（1）与另一个分布式传感单元（5）中的分布式光纤应变传感器（1）的端部在先套上钢热缩管（8）后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管（8），同时把一个分布式传感单元（5）中的温度补偿传感器（2）与另一个分布式传感单元（5）中的温度补偿传感器（2）的端部在先套上钢热缩管（8）后熔接在一起，然后加热保护熔接部的钢热缩管（8），在两个分布式传感单元（5）的连接处包裹沥青玛蹄脂（6）；在海管施工过程中，将三个分布式传感单元（5）周向均布螺旋式缠绕在海管（7）的外壁上，所述传感器封装保护层（4）的圆弧面（4a）紧贴在海管（7）的外圆面上并用高强快固粘结剂固定，再用导引光缆（9）把分布式传感单元（5）与采集分析仪（10）连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有抑振功能的海管分布式结构安全监测装置的监测方法，其特征是：包括以下步骤：

（a）根据海管（7）的外径以及施工工艺，确定分布式传感单元（5）的长度和螺旋角度；通过对海管（7）的流致振动理论或数值分析，确定传感器封装保护层（4）的齿形截面的尺寸；

（b）根据步骤（a）确定的参数，制作传感器封装保护层（4）的模具；

（c）采用聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯或纤维增强复合材料在模具中预制传感器封装保护层（4）；预制过程中，将分布式光纤应变传感器（1）预埋在传感器封装保护层（4）中，同时将毛细钢管（3）也预埋在传感器封装保护层（4）中；分布式光纤应变传感器（1）与毛细钢管（3）在传感器封装保护层（4）中平行布设；传感器封装保护层（4）预制完成后，利用气吹法将温度补偿传感器（2）吹入毛细钢管（3）中，使其保持松弛状态；分布式光纤应变传感器（1）和温度补偿传感器（2）在传感器封装保护层（4）的端部外预留一段用于相邻传感器之间的连接长度；所述分布式光纤应变传感器（1）、温度补偿传感器（2）以及传感器封装保护层（4）构成具有抑振功能、螺旋状的分布式传感单元（5）；

（d）在海管（7）施工现场，按照截面等间距布设的方式，采用高强快固粘结剂把三个螺旋状的分布式传感单元（5）平行布设于海管（7）的外壁；

（e）位于相邻管段上的分布式传感单元（5），采用现场熔接的方式分别将分布式光纤应变传感器（1）和温度补偿传感器（2）首尾相连，然后加热对连接光纤和温度补偿线形成保护的钢热缩管（8）；在钢热缩管（8）的外面浇筑沥青玛蹄脂（6），对分布式传感单元（5）的连接部位形成封装保护；

（f）在完成三个分布式传感单元（5）的布设和连接后，通过导引光缆（9）将分布式光纤应变传感器（1）和温度补偿传感器（2）与采集分析仪（10）相连；

（g）利用分布式安全监测系统对海管（7）的应变和沿途温度实施监测；根据分布式温度测量结果，对分布式应变监测数据进行温度补偿；由于海管（7）的每个截面布设有等间距的对应于三个分布式传感单元（5）的三个测点，根据消除温度效应后的分布式应变数据，获得海管（7）在任意截面上由轴压和弯曲所导致的应变；利用分布式应变监测信息，对海管（7）的结构状态及其退化情况进行实时评价。