CN106471302B - 柔性管体及其形成方法、管线设备及其形成方法和用于感应柔性管体形状的方法 - Google Patents

柔性管体及其形成方法、管线设备及其形成方法和用于感应柔性管体形状的方法 Download PDF

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Abstract

柔性管体包括细长的曲率传感器以及张力铠装层。细长的曲率传感器结合有应变传感器，该应变传感器被布置成提供被施加到曲率传感器的弯曲应变的指示。张力铠装层包括螺旋缠绕的张力铠装丝线。曲率传感器被螺旋缠绕地定位在张力铠装层内并相邻于至少一个张力铠装丝线，以使得被施加到柔性管体的弯曲应变被传输到曲率传感器。曲率传感器在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线，并被布置成相对于相邻的张力铠装丝线纵向地滑动。

Description

柔性管体及其形成方法、管线设备及其形成方法和用于感应 柔性管体形状的方法
技术领域
本发明涉及曲率传感器以及感应曲率的方法。具体地，本发明涉及结合曲率传感器的柔性管体，以及适用于监测柔性管体的曲率的感应方法。
背景技术
通常，柔性管道被用于将诸如石油和/或天然气和/或水的产品流体从一个位置输送到另一位置。柔性管道对于将水下位置(水下位置可以在深水下，比如水下1000米或更深)连接到海平面位置是特别实用的。柔性管道可具有通常多达大约0.6m的内径(例如，直径的范围可以从0.05m直到0.6m)。柔性管道通常被形成为柔性管体以及一个或多个端部接头的组件。柔性管体通常被形成为形成承压导管的分层材料的组合。管道结构允许发生较大挠曲而并不产生在柔性管道的使用寿命期间损害柔性管道的功能的弯曲应力。管体一般被组装成包括聚合物层和/或金属层和/或复合材料层的组合结构。例如，管体可包括聚合物层和金属层，或聚合物层和复合材料层，或聚合物层、金属层和复合材料层。
在很多已知的柔性管道设计中，管体包括一个或多个压力铠装层。这种层上的主要载荷由径向力形成。压力铠装层通常具有特定的横截面分布以互锁，从而能够维持并吸收由管道上的外部压力或内部压力造成的径向力。因此而防止管道由于压力而被压溃或爆裂的绕丝的横截面分布有时也被称为抗压分布。当压力铠装层由形成环圈部件的螺旋缠绕丝线形成时，源于管道上的外部压力或内部压力的径向力导致环圈部件膨胀或收缩，以将张力载荷施加在丝线上。
在很多已知的柔性管道设计中，管体包括一个或多个张力铠装层。这种张力铠装层上的主要载荷是张力。在高压应用中(例如在深水环境或超深水环境中)，张力铠装层经受高的张力载荷，所述高的张力载荷源自内部压力端盖载荷与柔性管道的自身支撑重量的组合。由于旷日持久地经历这种情况，这可引起柔性管道的失效。
非粘接的柔性管道已经被用于深水(小于3300英尺(1005.84米))和超深水(大于3300英尺)开采中。对石油日益增长的需求导致了在环境因素更为极端的越来越深的水域中进行开采。例如，在这种深水和超深水环境中，海底温度增大了产品流体被冷却到导致管道阻塞的温度的风险。增加的深度还增大了与柔性管道所必须工作的环境相关联的压力。例如，柔性管道可被要求在作用在管道上的范围从0.1MPa到30Mpa的外部压力下工作。同样地，输送石油、天然气或水很可能致使高的压力从内部作用在柔性管道上，例如，源于钻孔流体的范围从零到140Mpa的内部压力作用在管道上。因此，对柔性管体的层的高性能水平的需求日益增加。柔性管道也可以用于浅水应用(例如小于大约500 米的深度)或甚至用于海岸(陆上)应用。
一种改进载荷响应并且由此改进铠装层的性能的方式是：由更厚且强度更大并且因此更强健的材料来制造这些层。例如对于其中层通常由缠绕丝线与互锁的层中的相邻缠绕物形成的压力铠装层，由更厚的材料制造这些丝线使得强度适当地增加。然而，随着更多的材料被使用，柔性管道的重量增加。柔性管道的重量最终可成为使用柔性管道中的限制因素。附加地，使用越来越厚的材料来制造柔性管道显著地增加了材料成本，这也是一个缺点。
柔性管道的端部接头可以被用于将柔性管体的部段连接到一起或者用于将它们连接到诸如为刚性水下结构或漂浮设施的终端设备。同样地，在其他各种用途中，柔性管道可以被用于提供用于将流体从水下流动管线输送到漂浮结构的立管组件。在这种立管组件中，柔性管道的第一部段可被连接到柔性管道的一个或多个其他部段。柔性管道的每个部段包括至少一个端部接头。图2示出了适于将诸如石油和/或天然气和/或水的产品流体从水下位置201输送到飘浮产品设施202的立管组件200。
柔性管道可延伸相当长的距离。附加地，在海面处，柔性管道可被联接到在有限的系留范围内自由移动的漂浮产品平台。因此，柔性管道可随着时间的推移而发生相当大的移动。移动可以包括柔性管道的弯曲。还可以由于波浪作用而具有动态或周期性的移动(包括弯曲)。这种柔性管道移动可能具有特别是在弯曲超出管体结构吸收那种弯曲的能力的位置处损坏柔性管道的风险。柔性管道可能会由于在被联接到柔性管体的端部接头处的弯曲应力而特别容易遭受损坏。因此，需要测量柔性管道的曲率。如果随时间对曲率进行监测，可以显示管道被损坏的变化能够在它们发生时被检测出。监测曲率可包括连续地监测柔性管道的曲率并因此随着它发生弯曲而观察弯曲度。替代性地，监测可以是周期性的以确定柔性管道在测量时的当前形状。
EP-2065551-A2(斯伦贝谢控股有限公司(GB)，托托拉岛(VG))公开了一种柔性管道，该柔性管道具有内部环向应变传感器，该内部环向应变传感器用于通过感应由于流体压力增加而产生的局部管体直径变化来检测管道内的泄露的形成以及泄露的位置。虽然，局部应变的变化可指示出弯曲，但是柔性管道沿柔性管道的长度经受应变，这会使弯曲的效果较为模糊，致使它难以或不可能确定出柔性管道的真实曲率。
WO-2012/059729-A1公开了一种制造柔性管体的装置和方法。该方法可包括：设置流体保持层；将多个张力铠装元件围绕流体保持层缠绕；以及将容置至少一个纤维元件的抗压细长本体围绕流体保持层并径向地在多个张力铠装元件中的两个之间缠绕。设置在细长本体中的粘结材料随后可以被固化以使管体装配到端部接头。
US-2007/297712-A1公开了一种用于检测主体/结构的曲率的光纤传感器，其包括具有外周的覆层。中心芯部接收并传输光。中心芯部具有布拉格光栅并且定位在覆层的中间平面中。外周芯部接收并传输光。外周芯部具有布拉格光栅并且相对于中间平面外周地定位在覆层中。连接构造设置在覆层的外周中以将光纤传感器附接到主体/结构，使得中心芯部和外周芯部相对于主体/结构处于预定定向以测量主体/结构的曲率。
EP-1635034-A1公开了一种结构构件弯曲半径传感器装置90，其包括设置在三个光学纤维内的三个光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器。光学纤维和FBG 嵌入部分圆柱形的载体构件内。纤维设置在跨越载体构件的三个间隔开的位置处，使得在使用中，三个相应的FBG应变传感器将位于围绕结构构件(管)的圆周的三个不同的角位置处。结构构件形状测量装置包括沿着管设置在四个弯曲半径测量位置处的四个弯曲半径传感器装置。所示的四个弯曲半径传感器装置共有其光学纤维和单个形状的载体构件。形状测量装置进一步包括FBG询问装置。
发明内容
本发明的某些实施例提供了能够确定柔性管道的曲率的优点。在本发明的某些实施例中，柔性管道的曲率可沿柔性管道的部分长度或全部长度被测量。测量柔性管道的曲率可允许检测出柔性管道的过度弯曲。过度弯曲可引起柔性管体的检测，并因此一旦被检测，就能够采取补救行动。根据本发明的某些实施例，曲率传感器被安装在柔性管体的结构内，并且曲率检测器通过生产平台上的上侧端部接头被联接到曲率传感器。
根据本发明的第一方面，提供了一种柔性管体，该柔性管体包括：柔性管体包括：细长的曲率传感器；以及张力铠装层，所述张力铠装层包括螺旋缠绕的张力铠装丝线，所述曲率传感器被螺旋缠绕地定位在所述张力铠装层内并相邻于至少一个张力铠装丝线，以使得被施加到所述柔性管体的弯曲应变被传输到所述曲率传感器；其中，所述曲率传感器在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线纵向地滑动；其中，所述曲率传感器包括细长的柔性传感器本体以及沿所述传感器本体布置的细长的第一应变传感器和细长的第二应变传感器；其中，所述第一应变传感器被布置在所述传感器本体的中间平面内，以使得所述传感器本体在沿所述本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器；其中，所述第二应变传感器从所述中间平面偏移；以及其中，由所述第一应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度被施加的张力应变，以及，由所述第二应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度被施加的张力应变与通过使所述传感器本体在沿所述传感器本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中弯曲所产生的应变的组合。
根据本发明的第二方面，提供了一种管线设备，该管线设备包括：上述的柔性管体；端部接头，该端部接头被联接到管体的至少一个端部；以及检测设备，该检测设备通过端部接头被联接到曲率传感器的第一应变传感器和第二应变传感器；其中，检测设备被布置成沿应变传感器中的每个测量应变分布。
根据本发明的第三方面，提供了一种感应柔性管体的形状的方法，柔性管体包括：细长的曲率传感器，所述曲率传感器包括细长的柔性传感器本体以及沿所述传感器本体布置的细长的第一应变传感器和细长的第二应变传感器，所述第一应变传感器被布置在所述传感器本体的中间平面内，以使得所述传感器本体在沿所述传感器本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器，并且所述第二应变传感器从所述中间平面偏移，其中，由所述第一应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度被施加的张力应变，以及由所述第二应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度施加的张力应变与通过使所述传感器本体在沿所述传感器本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中弯曲所产生的应变的组合；以及张力铠装层，所述张力铠装层包括螺旋缠绕的张力铠装丝线，所述曲率传感器被螺旋缠绕地定位在所述张力铠装层内并相邻于至少一个张力铠装丝线，以使得被施加到所述柔性管体的弯曲应变被传输到所述曲率传感器，其中，所述曲率传感器本体在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线纵向地滑动；其中，所述方法包括：对用于第一应变传感器和第二应变传感器中的每个的应变分布进行测量；计算弯曲应变分布，所述弯曲应变分布从所述第一应变传感器和所述第二应变传感器的应变分布指示被施加到所述曲率传感器的弯曲应变；以及从所述弯曲应变分布确定所述曲率传感器的形状；其中，所述曲率传感器的已确定的形状指示所述柔性管体的形状。
根据本发明的第四方面，提供了一种形成柔性管体的方法，该方法包括：使张力铠装丝线螺旋地缠绕以形成张力铠装层；其中，细长的曲率传感器在所述张力铠装层内螺旋地缠绕并相邻于至少一个张力铠装丝线，以使得被施加到所述柔性管体的弯曲应变被传输到所述曲率传感器；其中，所述曲率传感器本体在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线纵向地滑动；其中，所述曲率传感器包括细长的柔性传感器本体以及沿所述传感器本体布置的细长的第一应变传感器和细长的第二应变传感器；其中，所述第一应变传感器被布置在所述传感器本体的中间平面内，以使得所述传感器本体在沿所述传感器本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器；其中，所述第二应变传感器从所述中间平面偏移；以及其中，由所述第一应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度被施加的张力应变，以及，由所述第二应变传感器感应的应变指示沿所述传感器本体的长度被施加的张力应变与通过使所述传感器本体在沿所述传感器本体的长度延伸并垂直于所述中间平面的平面中弯曲所产生的应变的组合。
根据本发明的第五方面，提供了一种形成管线设备的方法，该方法包括：形成上述的柔性管体；将端部接头联接到管体的至少一个端部；以及通过端部接头将检测设备联接到曲率传感器；其中，检测设备被布置成：计算弯曲应变分布，该弯曲应变分布从第一应变传感器和第二应变传感器的应变分布指示被施加到曲率传感器的弯曲应变；以及从弯曲应变分布确定柔性管体的形状。
管道可在石油和天然气开采中用于高压使用。
附图说明
将在下文中参照附图对本发明的实施例进行进一步描述，在附图中：
图1示出了柔性管体；
图2示出了结合柔性管体的立管组件；
图3示出了一种曲率传感器，该曲率传感器形成根据本发明的实施例的柔性管体的一部分；
图4示出了图3的曲率传感器的横截面；
图5示出了一种曲率检测器，该曲率检测器被联接到根据本发明的实施例的结合图3的曲率传感器的柔性管体；
图6示出了图3的曲率传感器沿根据本发明的实施例的柔性管体的部署；以及
图7为示出了对根据本发明的实施例的柔性管体的曲率进行测量的方法的流程图。
在附图中，相似的附图标记表示相似的部分。
具体实施方式
在整个说明书中，都将参照柔性管道。应当理解的是，柔性管道是柔性管体的一部分和一个或多个端部接头的组件，管体的相应端部终止于端部接头中的每个。图1示出了管体100是如何根据本发明的实施例由形成承压管道的分层材料的组合形成的。尽管在图1中示出了多个特定层，但应当理解的是，本发明广泛适用于包括两个或更多个由多种可能的材料制造而成的层的同轴管体结构。例如，管体可以由聚合物层、金属层、复合材料层或不同材料的组合形成。另外还需注意的是，层的厚度仅以示例性的目的示出。如本文中所使用的，术语“复合材料”用于广泛地表示由两种或更多种不同材料形成的材料，例如由基体材料和增强纤维形成的材料。
如图1所示，管体包括可选的最内骨架层101。骨架提供了能够用作最内层的互锁构造，以整体地或局部地防止内部压力壳层102由于管道失压 (decompression)、外部压力、以及张力铠装压力和机械压毁载荷而导致的压溃。骨架层通常为例如由不锈钢形成的金属层。骨架层也可由复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。应领会的是，本发明的特定的实施例可被应用到“光滑孔”工作(即，不具有骨架)和这种“粗糙孔”应用(具有骨架)。
内部压力壳层102用作流体保持层并且包括确保内部流体整体性的聚合物层。应当理解的是，该层自身可包括多个子层。应当领会的是，当可选的骨架层被使用时，内部压力壳层通常被本领域技术人员称作障壁层。在没有这种骨架的工作(所谓的光滑孔工作)中，内部压力壳层可被称作内衬。
可选的压力铠装层103为结构层，该层增大了柔性管道对内部压力和外部压力以及机械压毁载荷的耐抗性。该层还结构性地支撑内部压力壳层，并且通常可由缠绕有接近90°的捻角(lay angle)的丝线的互锁构造形成。压力铠装层通常为例如由碳钢形成的金属层。压力铠装层也可由复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。
柔性管体还包括可选的第一张力铠装层105和可选的第二张力铠装层106。每个张力铠装层被用于承受张力载荷和内部压力。张力铠装层通常由多根金属丝线(给予该层强度)形成，该多根金属丝线位于内层之上并且沿着管道的长度以通常介于大约10°到55°之间的捻角螺旋地缠绕。张力铠装层通常成对地对向缠绕。张力铠装层通常为例如由碳钢形成的金属层。张力铠装层也可由复合材料、聚合物或其它材料或材料的组合形成。
所示的柔性管体还包括可选的带层104，该带层有助于包含下面的层并且在一定程度上防止相邻层之间的磨损。带层可以是聚合物或复合材料或材料的组合。
柔性管体通常还包括可选的隔离层107和外壳层108，外壳层包括用于保护管道抵抗海水的渗透和其它外部环境、腐蚀、磨损和机械损伤的聚合物层。
每根柔性管道包括柔性管体100的至少一部分(有时称作部段或截段)以及位于柔性管道的一个端部或两个端部处的端部接头。端部接头提供了一种形成柔性管体与连接器之间的过渡部的机械装置。例如在图1中示出的不同的管层以如下方式终止于端部接头：传递柔性管道与连接器之间的载荷。
图2示出了适于将诸如石油和/或天然气和/或水的产品流体从水下位置201 输送到飘浮设施202的立管组件200。例如，在图2中，水下位置201包括水下流动管线205。柔性流动管线205包括柔性管道，该柔性管道整体地或部分地靠置在海底204上或埋置在海底下方并且在静态应用中被使用。飘浮设施可以通过平台和/或浮体或如图2中示出的船只提供。立管组件200被设置为柔性立管，也就是将船只连接到海底设施的柔性管道203。柔性管道可以为具有连接端部接头的成段的柔性管体。图2还示出了柔性管道的部分如何能够用作流动管线205或跨接管线206。应当领会的是，如本领域技术人员所知的，存在有不同类型的立管。本发明的实施例可以与任何类型的立管一起使用，该立管例如自由悬挂的(自由的、悬链立管)、在一定程度上受到限制(浮体、链条) 的立管、完全受限的立管或被包封在管(I型或J型管)中。
根据本发明的实施例，柔性管道的曲率可以通过使用被定位在柔性管体的结构内的曲率传感器测量。例如，细长的曲率传感器可以代替柔性管体的结构部件(例如，张力铠装层105、106内的张力丝线)。然而，应当领会的是，曲率传感器可以在不同的层内被结合到柔性管道的结构中，或者可以以其他方式被联接到柔性管道(例如通过联接到柔性管道的内部或外部)。有利地，在张力铠装层内的结合为曲率传感器提供了保护度。附加地，重要的是避免使曲率传感器过度应变，如果曲率传感器被刚性联接到随后在相对短的长度上经受高程度的弯曲的柔性管道，则曲率传感器的过度应变可能会发生。如将在下面更加详细描述的，将曲率传感器结合到张力铠装层中以使得传感器能够相对于相邻的张力铠装丝线滑动使传感器能够适应高程度的弯曲。
根据本发明的实施例，细长的曲率传感器可包括至少一个应变传感器，该至少一个应变传感器被布置以提供对被施加到曲率传感器的弯曲应变的指示。在以下描述的某些实施例中，细长的曲率传感器包括第一应变传感器和第二应变传感器。第一应变传感器被定位在曲率传感器本体的中间平面内，以使其不由于曲率传感器的弯曲而应变。具体地，对于细长的传感器，中间平面包括延伸穿过传感器的平面，该平面大致平行于传感器的的纵向轴线，该传感器在垂直平面内的弯曲不会引起被定位在中间平面内的应变传感器的长度变化(并因此不会引起应变)，该垂直平面也平行于传感器的纵向轴线。根据曲率传感器本体的材料性质，中间平面可总体上被定位在本体的中部内。因此，这意味着由第一应变传感器感应的应变仅仅是由沿曲率传感器的长度被施加的张力引起的。
至少一个第二应变传感器被定位成通常沿传感器的长度从曲率传感器的中间平面偏移。第二应变传感器对沿曲率传感器的长度被施加的应变进行感应，而且还对曲率传感器在垂直平面中的弯曲引起的应变进行感应，该垂直平面也平行于传感器的纵向轴线。如果曲率传感器被联接到柔性管体，那么曲率传感器的弯曲是由柔性管道的弯曲引起的，并且因此，所测量的弯曲应变指示柔性管道的弯曲(因此能够确定管道的曲率)。由第一应变传感器感应的应变可被用于补偿由第二应变传感器感应的张力应变，以便计算仅由柔性管体的弯曲引起的应变。应当领会的是，提供多个第一应变传感器和/或第二应变传感器可能会产生冗余。
根据本发明的某些实施例，第一应变传感器和第二应变传感器可包括光学应变传感器。然而，本发明不限于使用光学应变传感器。相反地，本发明包括本领域技术人员已知的任何应变感应技术的使用，以允许应变被连续地感应或在沿细长的传感器的长度间隔开的离散位置处被感应，而细长的传感器可沿柔性管体的长度被部署。优选地，应变传感器沿它们的长度提供了被感应的应变的连续分布。附加地，本发明的某些实施例将关于被部署在柔性管体的张力铠装层内的应变曲率传感器进行描述。然而，本发明不限于此，并且合适的应变曲率传感器可被部署在柔性管体的结构内的任何位置，或被联接到柔性管体内。唯一的要求在于至少具有第一应变传感器和第二应变传感器，一个传感器被定位在曲率传感器的中间平面内，而一个传感器被定位成从中间平面偏移。
针对柔性管道的不同参数(例如应变、温度以及声学)的连续监测具有日益增加的要求，以有助于影响柔性管道的改变。这种改变能够引起柔性管道的结构失效以及管道和外部环境之间的相互作用(例如与其他物体的碰撞)，柔性管道的结构失效例如泄露、丝线断裂、管道的过度弯曲(超过没有损坏风险的可允许的最大量的弯曲)。已经提出的用于监测柔性管道的参数的一种方式是使用光纤系统。正如监测柔性管道中的应变、温度以及声学的方法，已知的是将裸露的光纤和/或金属管中的纤维(Fibre In Metal Tubes，FIMT)沿柔性管体的长度结合在防护导管内并连接到柔性管道外部的询问检测器。光纤可被用作感应元件或传感器。纤维被用作用于传输光的光纤并且通常由玻璃制成。例如，光纤可被用作应变仪、温度计和温度指示器。局部的、分散的或半分散的温度测量或应变测量可根据询问光纤以及布置光纤中的区域/传感器的方式而被达成。应变可通过包括FIMT(该FIMT被接合到支撑FIMT的导管)而被感应，以使得被施加到导管的应变被转移到FIMT。温度可通过包括FIMT(该FIMT 不被接合到导管的内部)而被监测，并且因此能够独立于应变地记录温度。
现在参考图3和图4，根据本发明的实施例的曲率传感器300现将被描述。曲率传感器300适于感应由曲率传感器300的弯曲引起的应变(并且因此适于感应由结合曲率传感器300的柔性管体的弯曲引起的应变)。图4是图3的曲率传感器300的可看到曲率传感器300的在图3的透视图中的端部的横截面。曲率传感器300包括本体301。矩形本体分布被示出，然而形状是可以不同的。例如，拐角可以是圆形的。曲率传感器300的形状被设置成使其能够替代柔性管体内的张力铠装层105、106的张力铠装丝线306。本体301可以由聚合物形成。低摩擦聚合物可以被选择以使得本体能够相对于相邻的张力铠装丝线306 滑动。优选地，曲率传感器300不被接合到管道结构以避免曲率传感器300的过度应变。针对被结合到张力铠装层中的曲率传感器300，优选地，曲率传感器300在至少一个维度上稍微小于相邻的张力铠装丝线306。例如，针对大约为12mm乘7mm的铠装丝线，曲率传感器300可以大约为12mm乘6.8mm。深度减小的结果在于曲率传感器300能够相对于相邻的张力铠装丝线306滑动，以使得由高程度的局部弯曲施加的应变能够被减轻并能够沿曲率传感器300的长度分散。
曲率传感器300将第一应变传感器302和第二应变传感器304包封在内。第一应变传感器302和第二应变传感器304可包括应变感应FIMT。每个FIMT 包括金属管310以保护光纤，并且金属管被接合到传感器本体301，或者以其他方式被牢固地固定到曲率传感器本体，以使得被施加到承受张力或弯曲的曲率传感器300的应变被直接转移到每个FIMT。在每个FIMT内，光纤312被嵌入在凝胶或其他化合物314内，以使得被施加到金属管310的应变被转移到光纤312。以这种方式，被施加到曲率传感器的应变可通过沿光纤312监测光的传输和反射而测量，如将在以下描述的。
曲率传感器300被布置成检测柔性管道的弯曲，该弯曲包括管道关于与柔性管道的纵向轴线垂直的轴线的弯曲。参考图4的横截面，当被联接到柔性管体时，Y轴线处于柔性管道的径向方向，并且X轴线通常关于柔性管道是周向的(针对通常沿柔性管道的纵向轴线被布置的曲率传感器)。应当领会的是，在某些实施例中，曲率传感器300可关于柔性管体螺旋地缠绕，因此X轴线不是真正周向的。曲率传感器300可以以固定螺距螺旋地缠绕。柔性管道的弯曲使得曲率传感器300关于X轴线弯曲。在图4的横截面中，第一应变传感器302 被定位在曲率传感器300的中间平面308内。
如以上所讨论的，中间平面308为其中曲率传感器300在平行于Y轴线以及曲率传感器300的纵向轴线的平面中的弯曲不会引起长度变化的平面。弯曲将使传感器本体301在中间轴线308的一侧上被压缩并使传感器本体301在中间轴线308的另一侧上被拉伸。因此将被理解的是，当曲率传感器300弯曲时，第一应变传感器302在长度上不会改变，并因此不会检测到应变。因此，第一应变传感器302只检测沿曲率传感器300的长度延伸的张力应变。将被理解的是，由于考虑到曲率传感器300在关于Y轴线弯曲时的弯曲方式，曲率传感器300内可具有与第一中间平面308成90°的第二中间平面。然而，当曲率传感器 300被定位在张力铠装层105、106内时，曲率传感器300在第一中间平面的平面中的弯曲大体上被柔性管体的构造所阻止，并且因此，对于曲率传感器300 的某些实施例来说，第一应变传感器302不需要被定位在第二中间平面内。如图3和图4所示的，第一应变传感器302可以从曲率传感器300的中心偏移，直到它保持在中间平面308上。
第二应变传感器304从中间平面308偏移，并且因此，当曲率传感器弯曲时，第二应变传感器304被拉伸或压缩，这产生可测量的应变。应当领会的是，可以在中间平面的相反侧上提供另一第二应变传感器304，以使得当传感器被弯曲时，一个第二应变传感器304将被拉伸而另一第二应变传感器将被压缩。第二应变传感器304还检测沿曲率传感器(该曲率传感器使由于弯曲而产生的应变不明显)的长度延伸的张力应变。然而，通过使用第一应变传感器302来单独地测量张力应变，张力应变的效果可被补偿。该补偿可以通过从由第二应变传感器304感应的应变减去由第一应变传感器302感应的应变来实施，以使得仅由于弯曲而产生的应变能够被计算出。
曲率传感器的应变极限被应变传感器检测应变的能力所限制。相应地，合适的传感器技术根据预期的应变范围而被选择。针对与图1相关的上述类型的柔性管体，可以预期的是，由于张力应变和弯曲应变而将经受的应变的范围导致应变传感器的长度变化小于1％，甚至是针对所设想的最高程度的弯曲：即-1％ (压缩)到+1％(拉伸)。应变感应的这种范围能够通过使用被联接到应变传感器的布里渊检测器(或者被联接到每个应变传感器的单独的布里渊检测器)而被合适地检测出。
当沿光纤传输的光与光纤的折射率中的周期时间以及空间变化相互作用时，会发生布里渊散射。针对沿光纤行进的强光束，光束的电场中的变化通过电致伸缩或辐射压力而在光纤内产生声波。光束从这些变化中经受布里渊散射，被散射的光通常在被称为受激的布里渊散射的过程中沿与入射束相反的方向被反射。被反射的散射光可以被检测到。布里渊散射强烈依赖于光纤的温度以及光纤的材料密度(它们被施加到光纤的应变影响)。通过对从沿光纤传输的光的脉冲返回的散射光进行分析，并且尤其对所接收的散射光的时间延迟进行分析，布里渊散射中的变化、以及因此应变以及温度沿光纤的长度的变化可以被检测到。在散射中沿光纤的变化的线性分布可被产生。可以设想的是，本领域技术人员将熟悉布里渊检测器的细节。
应当领会的是，随着布里渊散射被应变和温度影响，可能难以或不可能通过独立地使用应变传感器302、304来使两种测量值分开。因此，为说明沿曲率传感器的长度的温度变化的影响，另外的温度传感器316被提供用于测量温度。温度传感器316可包括疏松填充的FIMT，以使得金属管320内的光纤318不由于曲率传感器的弯曲或者被施加到曲率传感器的张力应变而应变。为确保光纤308不应变，光纤可被插入成使得纤维的长度略微超出金属管的长度以确保光纤保持疏松。在温度传感器316内示出了三根光纤318。应当领会的是，一根光纤318是足够的，然而提供多根光纤318在光纤318中的一根被损坏的情况下允许冗余，并且还可允许标准FIMT部件被结合到曲率传感器中。
为沿温度传感器检测温度变化以使得这些能够被用于对用于应变传感器测量值的温度变化的效果进行调整，这些温度变化能够通过使用温度传感器而被直接测量出。使用光纤系统的这样的一种已知的方法被称为分布式温度感应 (Distributed TemperatureSensing，DTS)。有利地，DTS允许温度变化被检测到，并沿光纤的长度被布置。在DTS的一些形式中，绝对的温度分布能够沿光纤(因此沿柔性管体)而产生，并且能够检测出温度的瞬时变化。DTS的使用在石油和天然气产业的使用中是特别有意义的，因为它不需要使用电子产品或者不需要电子信号在柔性管体内通过。实际上，唯一的电子产品包括被联接到光纤的端部的检测仪器，并且该检测仪器可以在管体环的外部被定位在柔性管体的一个端部处。
DTS通过沿光纤来传输光的短脉冲并监测反射光的返回来进行工作。光脉冲与玻璃纤维的晶体点阵相互作用，并且反向散射光的频率偏移取决于玻璃的温度。相对于传输脉冲的时间，返回的光的每部分所到达的时间能够被用于确定沿散射有光的纤维的位置。沿纤维的长度的温度分布可被产生。可以设想，本领域技术人员将熟悉常规的DTS的细节。
用于沿光纤测量并监测温度分布的DTS系统是市场上可买到的并且被较好地使用在石油和天然气产业。通常，DTS系统可将温度测量值定位到1m的空间分辨率并具有1℃的精确度。单个DTS系统可监测沿管线延伸的长达30km 的光纤。DTS系统包括被联接到光纤的光学反射仪，以及相关联的电源和监测设备。这可以包括光时域反射仪(Optical TimeDomain Reflectometry，OTDR) 或者光频域反射仪(Optical Frequency DomainReflectometry，OFDR)。
参考图5，现在将对曲率检测器500进行描述。图5示出了被联接到柔性管体502的曲率检测器500，该柔性管体可以是图1所示类型的柔性管体。曲率检测器500被布置成通过监测曲率传感器300而沿柔性管体的长度测量柔性管体502的曲率，该曲率检测器通过端部接头504被连接到曲率传感器。
曲率监测器500可包括至少一个光学反射仪。曲率图5示出了被联接到光纤312和318的光学传感器，该光纤用于第一应变传感器302和第二应变传感器304中的每个并通过多路复用器508而用于温度传感器316。多路复用器508 允许每根光纤被轮流地监测。然而，应当领会的是，替代性地，每个光纤可以具有单独的光学反射仪，以使它们均可被同时地监测。
光学反射仪包括被布置成产生光脉冲的激光器506。激光器506通过部分反射镜510被联接到多路复用器508。被散射或被反射而返回的光在通过部分反射镜510从原始光路径偏移之前通过多路复用器508。被返回的光通过分析器512。分析器512被布置成对比所传输的光脉冲以及被返回的光，以沿光纤 318的长度提供温度分布或者沿光纤312中的一根的长度提供应变分布。处理器514被布置成：在通过使用从第一应变传感器302获得的应变分布来减去沿曲率传感器300的长度的张力应变的影响之后，并且在通过使用从温度传感器 316获得的温度分布而沿曲率传感器300的长度说明温度的影响之后，沿曲率监测器300的长度而确定出正如由第二应变传感器304所测量的弯曲。
如上所述，为了使本发明更有效地工作，通过使曲率传感器300关于其中间轴线弯曲而产生的应变量需要处于询问布里渊仪器的可测量范围内。参考图 6，这示出了曲率传感器装置的示例。曲率传感器300在柔性管体600的张力铠装层内以40°的捻角602(相对于管体600的纵向轴线604)成螺旋形。曲率传感器300以在柔性管体600的后方处的虚线(phantom)被示出。柔性管体600 具有0.4m的直径606(到定位有曲率监测器的张力铠装层，并在曲率传感器的最接近管体的中心的点处测量)。柔性管体600被示出为以一般为3.5m的弯曲半径608弯曲(到柔性管体600的中心)。参考图4中的曲率传感器300的横截面，在一个实施例中，曲率传感器沿径向方向(Y轴线)可以为6.8mm厚，中间轴线308处于曲率传感器300的中点处，并且第二应变传感器304的偏移可以为2.5mm(使得第二应变传感器304比第一应变传感器302从柔性管体600 的中心进一步向外2.5mm)。
由于使图6中所示的柔性管体600弯曲而被施加到第二应变传感器的张力应变将对于曲率传感器300的在管体的外部上弯曲的那些部分而言是最大的。应当领会的是，在每个弯曲的内部被施加到第二应变传感器的压缩应变将是大致相同的。
应变(ε)是部件的长度变化(y)比上部件的总长度(l)计算出来的尺寸参数：
ε＝y/l
被施加到第二应变传感器的弯曲应变等于第二应变传感器被拉伸(或被压缩)的量除以第二应变传感器的该部分在弯曲被施加之前的长度。沿弧的长度等于弧的半径(R)乘以弧在弧度中的角度(x)：
弧长度＝x*R
关于曲率传感器300，因为第一应变传感器沿中间轴线布置，因此它的长度不会随着曲率传感器被弯曲而改变。因此，暂时假设曲率传感器沿柔性管道的长度在纵向方向上行进，第二应变传感器的偏移为r，并且针对第一应变传感器的弯曲的半径为R，那么沿弧的长度变化(y)可被计算为：
y＝x*(r+R)–x*R＝x*r
第二应变传感器的初始长度等于第一应变传感器沿弧(x*R)的长度，因此，被拉伸的第二应变传感器的总长度(l)可以被计算为：
l＝x*r+x*R＝x*(r+R)
因此，沿弧的应变可被计算为：
ε＝y/l＝(x*r)/x*(r+R)＝r/(r+R)
针对图6的示例：
r＝2.5mm
R＝管道弯曲半径加上管体的直径的一半加上曲率监测器的厚度的一半： 3500+200+3.4＝3703.4mm。
因此：
ε＝y/l＝r/(r+R)＝2.5/(3500+200+3.4+2.5)＝6.74*10-4
针对关于图6所示的柔性管体的纵向轴线螺旋地缠绕的曲率传感器来说，弯曲包括由于螺旋缠绕而产生的弯曲。应变的仅被施加到第二应变传感器的部分是柔性管道弯曲的结果。由于弯曲柔性管体600而产生的应变是由沿柔性管体的纵向轴线行进的第二应变传感器304所测量的应变部分：
弯曲应变＝cos 40°*6.74*10-4＝5.16*10-4
该弯曲应变处于布里渊传感器的测量范围内。
现参考图7，现在将对描述了对柔性管体的曲率进行测量的方法的流程图进行描述。在步骤700中，例如如图5所示的曲率检测器被联接到例如如图3 和图4所示的曲率传感器，该曲率传感器沿例如如图6所示的柔性本体的至少一部分的长度被布置。在步骤702中，曲率检测器测量由第一应变传感器和第二应变传感器感应的应变以及由曲率传感器内的温度传感器感应的温度。在本发明的具体实施例中，所测量的应变和温度包括沿形成每个传感器的光纤的部分长度或全部长度的应变分布和温度分布。在步骤704中，应变分布和温度分布被处理以确定曲率传感器沿其长度的曲率。如果已知曲率传感器相对于柔性管体的初始配置(例如曲率传感器关于柔性管体的纵向轴线螺旋地缠绕)，柔性管道的曲率可通过曲率传感器所测量的曲率与用于直管道的曲率传感器的预期曲率的比较而确定。
应当领会的是，曲率传感器的特定实施例在这里可基于布里渊应变感应以及分散的温度感应技术的使用而被描述。然而，本发明并不限于此。实际上，曲率传感器是根据基于应变传感器的光纤的使用，而布里渊检测器技术由于用于柔性管道装置的特定示例的应变的预期范围而是合适的，其它光学应变感应技术可同样适合或更好地取决于具体的部署场景。假定的是本领域技术人员非常熟悉光学感应技术并且能够根据部署场景而选择合适的方法。替代性的光学应变感应技术可以不受温度的影响，并且因此，单独的感应以及用于温度的补偿可以是不需要的。在温度感应是必须的或者是可期望的以分离对应变光纤和温度光纤的影响的位置处，用于感应曲率传感器的温度的其他合适的技术可以被使用，并且这些不需要是光学的。
实际上，虽然光学应变感应技术在本说明书中被描述，但第一应变传感器和第二应变传感器不需要是光学传感器。虽然布里渊应变感应具有某些有利的性质以用于本说明书中所描述的具体部署场景(包括非电子信号被施加到柔性管体，并且适于在延伸的距离上提供应变分布)，但其他应变感应技术也可以被使用，而不论是电子的或是其他的。理想地，应变传感器沿它们的长度提供连续的应变分布(该连续的应变分布可延伸到柔性管道的全部或仅一部分)，然而在其他实施例中，离散的应变感应可以被施加，这沿曲率传感器的长度在离散点处提供应变的测量。
本说明书中所述的测量技术可以被使用以连续地监测柔性管道的曲率，或者它们可被周期性地或根据需求地使用以测量柔性管道的当前曲率。柔性管道沿其长度的曲率的知识可以被用于确定柔性管道的每部分的精确位置。
如上所述，曲率传感器可结合同时用于冗余以及用于第二应变传感器的情况的附加的应变传感器，使得可以对曲率传感器在中间轴线的两侧上的压缩和拉伸进行比较。用于将曲率传感器结合到柔性管道的结构中的具体技术已被描述，然而，所有需要的是曲率传感器以某些方式被联接到柔性管道，以使得曲率传感器随着柔性管道的弯曲而弯曲。有利地，使曲率传感器关于管道的纵向轴线螺旋地缠绕允许第二应变传感器的用于在管道的内侧上弯曲的那些部分的压缩与第二应变传感器的用于在管道的外侧上弯曲的那些部分的拉伸相比较。替代性地或附加地，两个或更多个曲率传感器可以被提供以使得相同的管道弯曲能够围绕管道的圆周在两个或更多个不同的位置处进行感应。作为一种示例，两个曲率传感器可以被提供并且在不同的张力铠装层内沿相反的方向螺旋地缠绕。
本领域技术人员将会清楚的是，与上述实施例中的任一个相关地进行描述的特征能够在不同的实施例之间可互换地应用。上述实施例为用于表明本发明的各种特征的示例。
在本文的整个说明书和权利要求书中，词语“包括”和“包含”以及其变型意味着“包括但不限于”，并且这些词语并非意在(并且不)排除其它组分、添加物、部件、整体或步骤。在本文的整个说明书和权利要求书中，除非在上下文中另外有要求，单数包含复数。具体地，除非在上下文中另外有要求，在使用不定冠词时，本文应当被理解为考虑了复数以及单数。
除非是与其不相容的，结合本发明的特定方面、实施例或示例描述的特征、整体或特性应当被理解为适用于本文中描述的任何其它方面、实施例或示例。本文中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，和/或本文中公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任意组合方式组合，除了这些特征和/ 或步骤中的至少一些相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施例的细节。本发明延伸至本文中(包括任何所附权利要求、摘要和附图)公开的特征的任何新的特征或任何新的组合，或延伸至本文中公开的任何方法或过程的步骤的任何新的步骤或任何新的组合。
读者可以将注意力放到与本申请的说明书同时提交或者在前提交的并且利用该说明书对于公众查阅是开放的所有论文和文献，并且所有这些论文和文献的内容都通过引用的方式结合到本文中。

Claims (12)

1.一种柔性管体(502)，包括：
细长的曲率传感器(300)；以及
张力铠装层，所述张力铠装层包括螺旋缠绕的张力铠装丝线(306)，所述曲率传感器(300)被螺旋缠绕地定位在所述张力铠装层内并相邻于至少一个张力铠装丝线(306)，以使得被施加到所述柔性管体(502)的弯曲应变被传输到所述曲率传感器(300)；
其中，所述曲率传感器(300)在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线(306)，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线(306)纵向地滑动；
其中，所述曲率传感器(300)包括细长的柔性传感器本体(301)以及沿所述传感器本体(301)布置的细长的第一应变传感器(302)和细长的第二应变传感器(304)；
其中，所述第一应变传感器(302)被布置在所述传感器本体(301)的中间平面(308)内，以使得所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器(302)；
其中，所述第二应变传感器(304)从所述中间平面(308)偏移；以及
其中，由所述第一应变传感器(302)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度被施加的张力应变，以及，由所述第二应变传感器(304)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度被施加的张力应变与通过使所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中弯曲所产生的应变的组合。
2.根据权利要求1所述的柔性管体(502)，其中，所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)中的每个包括光纤应变传感器(312)，所述光纤应变传感器被联接到所述传感器本体(301)，以使得被施加到所述传感器本体(301)的张力应变被传输到所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)，并使得被施加到所述传感器本体(301)的弯曲应变被传输到所述第二应变传感器(304)。
3.根据权利要求2所述的柔性管体(502)，进一步包括沿所述传感器本体(301)布置的温度传感器(316)。
4.根据权利要求3所述的柔性管体(502)，其中，所述温度传感器(316)包括光纤温度传感器，所述光纤温度传感器被联接到所述传感器本体(301)，以使得被施加到所述传感器本体(301)的张力应变和弯曲应变不被传输到光纤温度传感器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的柔性管体(502)，其中，所述曲率传感器(300)被布置成使得将所述柔性管体(502)弯曲引起所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中弯曲。
6.一种管线设备，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的柔性管体(502)；
端部接头(504)，所述端部接头被联接到所述柔性管体(502)的至少一个端部；以及
检测设备(500)，所述检测设备通过所述端部接头(504)被联接到曲率传感器(300)的第一应变传感器(302)和第二应变传感器(304)；
其中，所述检测设备(500)被布置成沿所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)中的每个测量应变分布。
7.根据权利要求6所述的管线设备，其中，所述检测设备(500)被布置成计算弯曲应变分布，所述弯曲应变分布从所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)的应变分布指示被施加到所述曲率传感器(300)的弯曲应变。
8.根据权利要求7所述的管线设备，其中，所述柔性管体(502)进一步包括沿所述传感器本体(301)布置的温度传感器(316)，所述检测设备(500)被进一步布置成沿所述温度传感器(316)测量温度分布，并调整所述弯曲应变分布的计算以说明用于所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)中的每个的应变分布上的温度效应。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的管线设备，其中，所述检测设备(500)被进一步布置成从所述弯曲应变分布确定所述柔性管体(502)的形状。
10.一种用于感应柔性管体(502)的形状的方法，所述柔性管体(502)包括：
细长的曲率传感器(300)，所述曲率传感器包括细长的柔性传感器本体(301)以及沿所述传感器本体(301)布置的细长的第一应变传感器(302)和细长的第二应变传感器(304)，所述第一应变传感器(302)被布置在所述传感器本体(301)的中间平面(308)内，以使得所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器(302)，并且所述第二应变传感器(304)从所述中间平面(308)偏移，其中，由所述第一应变传感器(302)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度被施加的张力应变，以及由所述第二应变传感器(304)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度施加的张力应变与通过使所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中弯曲所产生的应变的组合；以及
张力铠装层，所述张力铠装层包括螺旋缠绕的张力铠装丝线(306)，所述曲率传感器(300)被螺旋缠绕地定位在所述张力铠装层内并相邻于至少一个张力铠装丝线(306)，以使得被施加到所述柔性管体(502)的弯曲应变被传输到所述曲率传感器(300)，其中，所述曲率传感器(300)在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线(306)，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线(306)纵向地滑动；
其中，所述方法包括：
对用于第一应变传感器(302)和第二应变传感器(304)中的每个的应变分布进行测量(702)；
计算弯曲应变分布，所述弯曲应变分布从所述第一应变传感器(302)和所述第二应变传感器(304)的应变分布指示被施加到所述曲率传感器(300)的弯曲应变；以及
从所述弯曲应变分布确定(704)所述曲率传感器(300)的形状；
其中，所述曲率传感器(300)的已确定的形状指示所述柔性管体(502)的形状。
11.一种形成柔性管体(502)的方法，所述方法包括：
使张力铠装丝线(306)螺旋地缠绕以形成张力铠装层；
其中，细长的曲率传感器(300)在所述张力铠装层内螺旋地缠绕并相邻于至少一个张力铠装丝线(306)，以使得被施加到所述柔性管体(502)的弯曲应变被传输到所述曲率传感器(300)；
其中，所述曲率传感器(300)在深度和宽度中的至少一个中小于相邻的张力铠装丝线(306)，并被布置成相对于所述相邻的张力铠装丝线(306)纵向地滑动；
其中，所述曲率传感器(300)包括细长的柔性传感器本体(301)以及沿所述传感器本体(301)布置的细长的第一应变传感器(302)和细长的第二应变传感器(304)；
其中，所述第一应变传感器(302)被布置在所述传感器本体(301)的中间平面(308)内，以使得所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中的弯曲不将应变施加到所述第一应变传感器(302)；
其中，所述第二应变传感器(304)从所述中间平面(308)偏移；以及
其中，由所述第一应变传感器(302)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度被施加的张力应变，以及，由所述第二应变传感器(304)感应的应变指示沿所述传感器本体(301)的长度被施加的张力应变与通过使所述传感器本体(301)在沿所述传感器本体(301)的长度延伸并垂直于所述中间平面(308)的平面中弯曲所产生的应变的组合。
12.一种形成管线设备的方法，所述方法包括：
形成根据权利要求1至5中任一项所述的柔性管体(502)；
将端部接头(504)联接到所述柔性管体(502)的至少一个端部；以及
通过所述端部接头将检测设备(500)联接到曲率传感器(300)；
其中，所述检测设备(500)被布置成：
计算弯曲应变分布，所述弯曲应变分布从第一应变传感器(302)和第二应变传感器(304)的应变分布指示被施加到所述曲率传感器(300)的弯曲应变；以及
从所述弯曲应变分布确定所述柔性管体(502)的形状。
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