CN112798043A - 一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法，检测装置包括气样收集密封箱、环空压力测试箱、供气装置；气样收集密封箱内有气样收集袋，环空压力测试箱包括真空泵、气液分离器、流量计、压力表、球阀、减压阀和安全阀；供气装置包括氮气瓶，氮气瓶通过环空压力测试箱内的管路与气样收集袋和柔性软管分别连接；真空泵与气样收集袋连接。检测方法包括以下5个项目的测试：柔性软管环空气样收集、柔性软管气体渗透率测试、柔性软管环空体积测算、柔性软管外保护层泄漏检测、柔性软管环空腐蚀防护。可实现检测柔性软管环空真实状况的功能，同时为柔性软管安全运行，提升柔性软管实际使用寿命提供数据支撑和技术指导。

Description

一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海洋油气集输柔性软管检测技术，尤其涉及一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法。

背景技术

海洋油气柔性软管主要用于海上油气田开发的海洋柔性软管和海底管道，一般由多层高强度的金属层和高阻隔性的聚合物层通过非黏结方式组合而成。管体由内到外主要由骨架层、内压密封层、抗压铠装层、抗拉铠装层和外保护层等组成。骨架层由耐腐蚀的金属材料制成，抗外压起支撑作用。内压密封层和外保护层均为聚合物材料，内压密封层包裹在骨架层上，起到流体屏蔽、保持管孔内压力的作用，外保护层在抗拉铠装层之外，用于保护管体免受海水等外部环境的影响。这两层聚合物材料之间的多层金属结构称为环空，主要由承受内压、径向强度和轴向拉伸载荷的金属增强材料构成，如钢制的线、带、互锁铠甲等。此外，在金属层之间还设置了防磨带，用以避免相互接触金属之间的磨损。根据温度需要，也可在外保护层内侧设置保温层，防磨带和保温层均会对气体渗透起到一定的抑制作用。

由于柔性软管内部聚合物材料自身气体渗透的特性，在油气运输过程中，管孔内的小分子气体组分(CH₄、CO₂、H₂S、气相水等)会不断渗透，通过内压密封层进入环空，对管道造成伤害。如冷凝水在环空形成后不及时排出管外，可能会造成灌水；环空压力达到上限后不能尽快排出，会造成外保护层鼓胀甚至破损；内管泄压与环空压力不匹配时，会导致骨架层压溃；渗透到环空的CO₂、H₂S气体遇到环空中冷凝的水蒸气时会形成腐蚀环境，进而对金属增强材料造成危害，特别是对于动态软管而言，在交变应力和H₂S的共同作用下，会诱发环空金属层的应力腐蚀疲劳，大大降低柔性软管的实际使用寿命。在API SP 17J非黏结柔性软管规格(2014版)标准中，规定了柔性软管应安装监测调控系统，该系统可将管壁环空内气体有计划、周期性地排放出来，并要求设计中必须给出环空金属层允许的腐蚀速率，对于环境的预测必须同时考虑到由于二氧化碳和水的渗透导致环空金属层腐蚀以及消耗。

柔性软管环空状态检测是管道实现完整性管理的重要前提和基础，环空状况是评价柔性软管是否安全可靠、能否达到预期寿命的关键因素之一。因而，提供了一种无损检测柔性软管环空状况的方法和装置，通过定期查看柔性软管环空的状况，并采取一些必要措施来防止或减少因气体渗透给海洋油气柔性软管带来的损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法，用于检测海洋油气柔性软管环空的安全状况。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的海洋油气柔性软管环空无损检测装置，包括气样收集密封箱、环空压力测试箱、供气装置；

所述气样收集密封箱内有气样收集袋，用于收集柔性软管环空内的气体；

所述环空压力测试箱包括真空泵、气液分离器、流量计、压力表、球阀、减压阀和安全阀；

所述供气装置包括氮气瓶和球阀；

所述氮气瓶通过所述环空压力测试箱内的管路与所述气样收集袋和柔性软管分别连接；

所述真空泵通过气液分离器与所述气样收集袋连接。

上述的海洋油气柔性软管环空无损检测装置实现了海洋油气柔性软管环空检测的方法，包括以下5个项目：

项目1、柔性软管环空气样收集；

项目2、柔性软管气体渗透率测试；

项目3、柔性软管环空体积测算；

项目4、柔性软管外保护层泄漏检测；

项目5、柔性软管环空腐蚀防护。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法，可实现检测柔性软管环空真实状况的功能，同时为柔性软管安全运行，提升柔性软管实际使用寿命提供数据支撑和技术指导。

附图说明

图1为本发明实施例中柔性软管圆柱轴对称坐标示意图；

图2为本发明实施例中柔性软管气体渗透率变化示意图；

图3为本发明实施例提供的海洋油气柔性软管环空无损检测装置总体结构示意图；

图4为本发明实施例中海洋油气柔性软管环空气样收集装置图；

图5为本发明实施例中海洋油气柔性软管气体渗透率测试装置图；

图6为本发明实施例中海洋油气柔性软管环空体积测算装置图；

图7为本发明实施例中海洋油气柔性软管外保护层泄漏检测装置图；

图8为本发明实施例中海洋油气柔性软管环空腐蚀防护装置图。

图中：

1是真空泵，2是球阀，3是气液分离器，4是压力表，5是安全阀，6是球阀，7是压力表，8是球阀，9是压力表，10是减压阀，11是压力表，12是球阀，13是质量流量计，14是球阀，15～20是气样收集袋开关阀，21是气样收集袋(300mL)，22是气样收集袋(300mL)，23是气样收集袋(1L)，24是气样收集密封箱，25是环空压力测试箱，26是球阀，27是氮气瓶，28是单向阀，29是球阀，30是柔性软管，31是压力表，32是储罐。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的海洋油气柔性软管环空无损检测装置，其较佳的具体实施方式是：

包括气样收集密封箱、环空压力测试箱、供气装置；

所述气样收集密封箱内有气样收集袋，用于收集柔性软管环空内的气体；

所述环空压力测试箱包括真空泵、气液分离器、流量计、压力表、球阀、减压阀和安全阀；

所述供气装置包括氮气瓶和球阀；

所述氮气瓶通过所述环空压力测试箱内的管路与所述气样收集袋和柔性软管分别连接；

所述真空泵通过气液分离器与所述气样收集袋连接。

上述的海洋油气柔性软管环空无损检测装置实现了海洋油气柔性软管环空检测的方法，包括以下5个项目：

项目1、柔性软管环空气样收集；

项目2、柔性软管气体渗透率测试；

项目3、柔性软管环空体积测算；

项目4、柔性软管外保护层泄漏检测；

项目5、柔性软管环空腐蚀防护。

所述项目1包括步骤：

①给气样收集袋和连接管路系统抽真空：通过真空泵对气样收集袋和连接管路系统抽真空，当管路系统压力低于-0.5bar时，停止抽真空并关闭气样收集袋阀门；

②对气样收集密封箱抽真空：通过真空泵对气样收集密封箱抽真空，当压力小于-0.5bar时，停止抽真空；

③柔性软管环空取样：首先用1L气样收集袋进行取样，用于排除连接管内原有的杂质气体，然后再用两个300mL气样收集袋收集柔性软管环空气体；

④两个300mL气样收集袋取样结束后拆卸检测设备，恢复作业区原样；

按照上述步骤对每根柔性软管至少取样三次。

所述项目2包括步骤：

①对气样收集袋与柔性软管之间的连接管路抽真空至0bar；

②待柔性软管环空压力达到上限后，进行放空；

③放空后，记录柔性软管连接管路的压力；

④待柔性软管连接管路的压力达到2bar或压力上升速率稳定后，释放环空压力；

⑤拆卸环空气体渗透率测试设备，恢复工作区原样；

⑥根据柔性软管连接管路的压力随时间变化的数据分析气体在柔性软管中的渗透率。

所述项目3包括步骤：

①打开氮气瓶，测试连接管路严密性，若30分钟后压降率小于1.5％，则说明连接管路严密性良好，释放连接管路和环空压力至大气中；

②记录环空层初始压力P₁，向柔性软管环空层充入氮气；

③氮气注入分为4个阶段，0.5bar、1bar、1.5bar和2bar；

④根据记录压力下注入环空的氮气体积，按照下式计算环空剩余体积和环空浸没体积：

1)不考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V₀为不考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；Z为氮气的压缩因子；

为氮气注入环空的标况体积，Sm³；

为氮气在标况下的摩尔体积，Sm³/mol；R为气体常数；T为环空的平均热力学温度，K；P为环空压力，Pa；V₁为环空出口连接导管的容积，m³；V₂为导管出口与检测设备连接的管线容积，m³；

2)考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V_a为考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；η_p为不同压力下氮气在水中的溶解度系数；V_w为环空被水浸没的体积，m³；

3)环空浸没体积模型

考虑氮气溶解度系数对环空剩余体积计算结果的差异，由式(1)、(2)得某一温度下环空浸没体积的计算模型

式中，V₀₁，V₀₂为不考虑氮气溶解时不同压力下对应的环空剩余体积，m³；

为对应压力下氮气在水中的溶解度系数；

上述过程中，为了得到环空的浸没体积，需要开展不同压力下的多组注氮体积-压力平衡测试，采用由低压向高压的阶梯步进检测方法；上述模型中环空的平均热力学温度T计算过程如下：4)计算环空平均温度T

已知柔性软管入口温度T₁，出口温度T₂，入口压力P₁，出口压力P₂，不同深度海水的温度T₀，焦耳—汤姆孙系数D，总传热系数K，气液混合物的质量流量M，气相质量分数GX，气体的定压比热容c_pg，混合物比热容c，管径d，管长L；

柔性软管内输送的流体是气液混合物，故根据能量守恒定律得单位质量气体在dl管段向环境的散热量

dq_ge＝c_pgdT-c_pgDdp (4)

单位质量液体在dl段向环境的散热量

dq_Le＝c_LdT-Igdl (5)

其中，I为两相管路的水力坡降，

则单位质量气液混合物向环境的散热量dq_e为

Mdq_e＝M_gdq_ge+M_Ldq_Le (6)

其中，

联立(4)～(6)，并结合(7)，得

[Kπd(T_Z-T₀)+IgM_L]dl＝McdT-M_gc_pgDdp (8)

近似认为dl段上压降为：

令

对(8)式简化，并对dT、dl求积分得：

已知任意位置管段长度l和海水温度T₀，通过上式得沿管径长度任意位置处的管内流体温度T_F(i)；

通常来说，温度在材料中的扩散由傅里叶定律决定，本模型为导热问题，无内热源，故将S忽略，则圆柱坐标系下的，二维非稳态导热方程为：

这里k＝1，2，…分别代表内压密封层，抗压层，抗磨层，…，外保护层；ρ为密度，kg/m³；C为定压比热容，J/(kg·K)，λ为导热系数，W/(m·K)；

采用有限容积的方法对方程(10)进行离散，对离散后的方程进行积分得：

扩散项采用隐式结构，等式左右同除Δt，得：

整理上述结果，得：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+a_NT_N+a_ST_S+b (13)

式中，

ΔV＝r_pΔxΔr，b＝a_P ⁰T_P ⁰；

左右边界均采用第二类边界条件，把内边界值赋给外边界，上下边界采用第三类边界条件：

对式(9)、(12)～(15)联合求解，得到环空内不同位置处的温度值T(i,j)，对所有环空温度点求平均数，即得到环空平均温度T

所述项目4包括三个部分：注氮、保压和泄压，具体步骤如下：

①进行管路严密性检测，若管路严密性良好，则进行第②步；

②打开氮气瓶，缓慢向柔性软管环空内注入氮气，瞬时流量不超过20NL/min，并实时记录累积流量，待压力为2bar且稳定不变时停止注气；

③关闭氮气阀门，开始环空稳压；

④保压时长24个小时，记录不同时刻环空内的气体压力；

⑤观察记录的压力表数据，若24小时内的压降不大于1％试验压力值，且不大于0.1MPa，则说明外保护层没有发生泄漏；

⑥检测完毕后，将环空中气体排到远离人员处；

⑦拆卸检测设备，恢复作业区原样。

所述项目5包括：

按照如下步骤将缓蚀剂注入柔性软管环空，具体步骤如下：

①对柔性软管环空泄压；

②打开真空泵对管路抽真空至压力低于-0.5bar；

③打开氮气瓶，用氮气将储罐中的缓蚀剂注入到柔性软管环空层内，当环空压力为3bar且稳定不变时，关闭所有阀门；

④稳定一段时间后，将环空层中的气体收集到1L气样收集袋，收集袋若充满气体随时更换，待压力为常压时关闭所有阀门，并更换1L气样收集袋；

⑤重复步骤②-④，继续向环空中注入缓蚀剂，直至环空全部充满缓蚀剂；

⑥拆卸检测设备，恢复作业区原样。

本发明提供了一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法，无损检测装置包括：气样收集密封箱，内有气样收集袋，用于收集柔性软管环空内的气体；环空压力测试箱，由真空泵，气液分离器，流量计，压力表，球阀，减压阀和安全阀组成；供气装置，主要由氮气瓶和球阀组成。

无损检测柔性软管环空状况的方法包括以下5个方面：1、柔性软管环空气样收集；2、柔性软管气体渗透率测试；3、柔性软管环空体积测算；4、柔性软管外保护层泄漏检测；5、柔性软管环空腐蚀防护。

可实现检测柔性软管环空真实状况的功能，同时为柔性软管安全运行，提升柔性软管实际使用寿命提供数据支撑和技术指导。

具体实施例：

作业前，整个装置阀门均处于关闭状态。同时，为避免H₂S等高危气体带来的危害，操作人员在进入工作场地前需提前带好防毒面具，待完成测试任务离开工作区到达安全位置后再将其取下。

图3是整个检测系统的总体结构示意图，可实现上述5个方面的功能，下面分别进行阐述：

1、柔性软管环空气样收集

图4是柔性软管环空气样收集示意图，参考图4连接实验设备，按照如下步骤进行环空气体取样，具体步骤如下：

①给气样收集袋和连接管路系统抽真空。关闭球阀12，打开气样收集袋阀门15～20，启动真空泵1，对气样收集袋和连接管路系统抽真空，当管路系统中压力表4示数低于-0.5bar时，停止抽真空并关闭气样收集袋阀门15～20；

②对气样收集密封箱抽真空。打开气样收集袋阀门17，拔开气样收集袋阀门20上边接口，关闭气样收集密封箱，启动真空泵1，对气样收集密封箱24抽真空，当压力表4示数小于-0.5bar时，停止抽真空；

③柔性软管环空取样。首先用气样收集袋23(1L)进行取样，主要是为了排除连接管内原有的杂质气体，当用气样收集袋23将杂质气体收集后，气样收集袋22，21收集到的则是不含杂质的柔性软管环空气体。打开球阀12，启动质量流量计13，缓慢打开球阀29，利用负压效应让柔性软管环空气体流向气样收集袋。观察质量流量计13示数，当其接近气样收集袋23体积时关闭球阀29；(可在质量流量计13和单向阀28之间安装一个H₂S气体检测仪，检测是否有H₂S气体生成)

④打开球阀2，让外界气体进入气样收集密封箱，当压力表4示数显示为常压时，打开气样收集密封箱24，关闭球阀2和气样收集袋阀门17；

⑤重复步骤②～④，分别完成气样收集袋22和21对柔性软管环空的取样。②步骤中的气样收集袋阀门17依次改为16、15，气样收集袋阀门20依次改为19、18，③步骤中的气样收集袋23依次改为22、21，④步骤中的气样收集袋阀门17依次改为16、15；

⑥按照上述步骤对每根柔性软管至少取样三次，取样结束后拆卸检测设备，恢复作业区原样。

2、柔性软管气体渗透率测试

图5是柔性软管气体渗透率测试示意图，参考图5连接实验设备，按照如下步骤进行柔性软管气体渗透率测试，具体步骤如下：

①关闭球阀29，打开球阀12和气样收集袋阀门17、20，将连接管路抽真空至压力表4示数为0bar时，再关闭球阀12，气样收集袋阀门17、20，确保压力表31读数为0bar；

②待柔性软管环空压力达到上限后，打开阀门28、29进行放空；

③放空后，关闭单向阀28，继续打开球阀29，记录此时压力表31的读数；

④观察压力表31示数，合理安排记录间隔时间；

⑤待压力表31示数达到2bar或压力上升速率稳定后，打开单向阀28，释放环空压力，当压力表31示数为常压时，关闭球阀29，单向阀28；

⑥拆卸环空气体渗透率测试设备，恢复工作区原样；

⑦根据压力表31记录的压力随时间变化的数据分析气体在柔性软管中的渗透率。

柔性软管环空内气体压力随时间的变化关系如图2所示，从图2中可以看到刚泄压完成时柔性软管气体渗透速率增大，一段时间后，气体渗透速率减缓并逐渐达到稳定。其原因是刚泄压后，内压密封层中溶解的气体因环空压力突然下降而从内压密封层中解吸出来，此时测出来的渗透速率并不是真正的气体渗透速率，一段时间后渗透达到平衡，环空压力随时间稳定增长，此时得到的渗透数据是真实的气体渗透速率，如图2中的虚线所示。

3、柔性软管环空体积测算

图6是柔性软管环空体积测算装置图，参考图6连接实验设备，按照如下步骤进行柔性软管环空剩余体积和环空浸没体积计算，具体步骤如下：

参考SY/T 5922-2012《天然气管道运行规范》等石油行业标准，检测连接管路的严密性是否完好。

①关闭球阀12，打开球阀6，打开氮气瓶27，调节减压阀10至测试压力2bar，逐渐打开阀门8，待压力表7示数为试验压力且稳定不变时关闭氮气瓶阀门；

②观察压力表7的读数，若30分钟后压降率小于1.5％，则说明连接管路严密性良好；

③打开球阀26，释放连接管路压力至大气中，再关闭球阀6、8、26，打开单向阀28，球阀29，释放环空压力后再关闭球阀29，单向阀28；

④打开球阀6、12、29和质量流量计13，记录压力表7的压力作为环空层的初始压力P₁，再关闭球阀6、29；

⑤打开氮气瓶27，调节减压阀10向柔性软管环空注入氮气，氮气注入分为4个阶段，0.5bar、1bar、1.5bar和2bar。调节减压阀10至压力为0.5bar，逐渐打开球阀8，观察压力表9的读数，若压力能维持在0.5bar，则打开球阀6、29，开始向环空层内缓慢注入氮气；

⑥根据氮气注入速率实时调整记录环空压力示数的时间，当压力表7的读数达到0.5bar且稳定不变时，关闭氮气瓶停止注气，记录此时压力表7和质量流量计13的读数；

⑦依次将减压阀压力调至1、1.5、2bar，向环空层缓慢注入氮气，并分别记录压力稳定时对应的压力表7和质量流量计13的读数；

⑧拆卸检测设备，恢复作业区原样；

⑨根据记录压力下注入环空的氮气体积，按照下式计算环空剩余体积和环空浸没体积。

1)不考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V₀为不考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；Z为氮气的压缩因子；

为氮气注入环空的标况体积，Sm³；

为氮气在标况下的摩尔体积，Sm³/mol；R为气体常数；T为环空的平均热力学温度，K；P为环空压力，Pa；V₁为环空出口连接导管的容积，m³；V₂为导管出口与检测设备连接的管线容积，m³。

2)考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V_a为考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；η_p为不同压力下氮气在水中的溶解度系数；V_w为环空被水浸没的体积，m³。

3)环空浸没体积模型

考虑氮气溶解度系数对环空剩余体积计算结果的差异，由式1)、(2)可得某一温度下环空浸没体积的计算模型

式中，V₀₁，V₀₂为不考虑氮气溶解时不同压力下对应的环空剩余体积，m³；

为对应压力下氮气在水中的溶解度系数；

上述过程中，为了得到环空的浸没体积，需要开展不同压力下的多组注氮体积-压力平衡测试，采用由低压向高压的阶梯步进检测方法；上述模型中环空的平均热力学温度T计算过程如下。

4)计算环空平均温度T

已知柔性软管入口温度T₁，出口温度T₂，入口压力P₁，出口压力P₂，不同深度海水的温度T₀，焦耳—汤姆孙系数D，总传热系数K，气液混合物的质量流量M，气相质量分数GX，气体的定压比热容c_pg，混合物比热容c，管径d，管长L

柔性软管内输送的流体是气液混合物，故根据能量守恒定律可得单位质量气体在dl管段向环境的散热量

dq_ge＝c_pgdT-c_pgDdp (4)

单位质量液体在dl段向环境的散热量

dq_Le＝c_LdT-Igdl (5)

其中，I为两相管路的水力坡降，

则单位质量气液混合物向环境的散热量dq_e为

Mdq_e＝M_gdq_ge+M_Ldq_Le (6)

其中，

联立(4)～(6)，并结合(7)，得

[Kπd(T_Z-T₀)+IgM_L]dl＝McdT-M_gc_pgDdp (8)

近似认为dl段上压降为：

令

对(8)式简化，并对dT、dl求积分得：

已知任意位置管段长度l和海水温度T₀，通过上式可得沿管径长度任意位置处的管内流体温度T_F(i)；

通常来说，温度在材料中的扩散由傅里叶定律决定。本模型为导热问题，无内热源，故S可忽略，则圆柱坐标系下的，二维非稳态导热方程为：

这里k＝1，2，…分别代表内压密封层，抗压层，抗磨层，…，外保护层；ρ为密度，kg/m³；C为定压比热容，J/(kg·K)，λ为导热系数，W/(m·K)。

图1为柔性软管圆柱轴对称坐标的网格系统，采用有限容积的方法对方程(10)进行离散，结合图1对离散后的方程进行积分可得：

扩散项采用隐式结构，等式左右同除Δt，可得：

整理上述结果，可得：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+a_NT_N+a_ST_S+b (13)

式中，

a_P＝a_E+a_W+a_N+a_S+a_P ⁰，

ΔV＝r_pΔxΔr，b＝a_P ⁰T_P ⁰；

左右边界均采用第二类边界条件，把内边界值赋给外边界；上下边界采用第三类边界条件。

对式(9)、(12)～(15)联合求解，得到环空内不同位置处的温度值T(i,j)。对环空所有温度点求平均数，即可得到环空平均温度T

4、柔性软管外保护层泄漏检测

柔性软管外保护层泄漏检测主要由三个部分组成：注氮-保压-泄压，参考图7连接实验设备，按照如下步骤进行柔性软管外保护层泄漏检测，具体步骤如下：

①参考实施例3进行管路严密性检测，若管路严密性良好，则进行第②步；

②打开球阀8、12、29，打开氮气瓶阀门，调节减压阀10缓慢向柔性软管环空内注入氮气，瞬时流量不超过20NL/min，并实时记录累积流量，待压力表7读数为2bar且稳定不变时停止注气；

③关闭氮气阀门，开始环空稳压；

④保压时长24个小时，用精密数字压力表7自动记录不同时刻环空内的气体压力；

⑤观察记录的压力表数据，若24小时内的压降不大于1％试验压力值，且不大于0.1MPa，则说明外保护层没有发生泄漏；

⑥检测完毕后，打开球阀26将环空中气体排到远离人员处，待压力表7示数为常压时再关闭环空球阀29；

⑦拆卸检测设备，恢复作业区原样。

5、柔性软管环空腐蚀防护

参考图8连接实验设备，按照如下步骤将缓蚀剂注入柔性软管环空，具体步骤如下：

①依次打开单向阀28、球阀29，对柔性软管环空泄压，泄压后再关闭球阀29、单向阀28；

②依次打开阀门20、17和球阀12，打开真空泵1对管路抽真空，当压力表4示数低于-0.5bar时停止抽真空，并关闭所有阀门和真空泵1；

③打开氮气瓶27阀门调节减压阀10压力，依次打开球阀8、6、29，用氮气缓慢将储罐32中的缓蚀剂注入到柔性软管环空层内，当压力表31示数为3bar且稳定不变时，关闭所有阀门；

④稳定一段时间后，依次打开阀门17和球阀12、29，利用压差，将环空层中的气体收集到气样收集袋23(气样收集袋若充满气体可随时更换)，待压力表31示数为常压时关闭所有阀门，并更换气样收集袋23；

⑤重复步骤②-④，继续向环空中注入缓蚀剂，直至环空全部充满缓蚀剂；

⑥拆卸检测设备，恢复作业区原样。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置，其特征在于，包括气样收集密封箱、环空压力测试箱、供气装置；

所述气样收集密封箱内有气样收集袋，用于收集柔性软管环空内的气体；

所述环空压力测试箱包括真空泵、气液分离器、流量计、压力表、球阀、减压阀和安全阀；

所述供气装置包括氮气瓶和球阀；

所述氮气瓶通过所述环空压力测试箱内的管路与所述气样收集袋和柔性软管分别连接；

所述真空泵通过气液分离器与所述气样收集袋连接。

2.一种权利要求1所述的海洋油气柔性软管环空无损检测装置实现了海洋油气柔性软管环空检测的方法，其特征在于，包括以下5个项目：

项目1、柔性软管环空气样收集；

项目2、柔性软管气体渗透率测试；

项目3、柔性软管环空体积测算；

项目4、柔性软管外保护层泄漏检测；

项目5、柔性软管环空腐蚀防护。

3.根据权利要求2所述的海洋油气柔性软管环空检测方法，其特征在于，所述项目1包括步骤：

①给气样收集袋和连接管路系统抽真空：通过真空泵对气样收集袋和连接管路系统抽真空，当管路系统压力低于-0.5bar时，停止抽真空并关闭气样收集袋阀门；

②对气样收集密封箱抽真空：通过真空泵对气样收集密封箱抽真空，当压力小于-0.5bar时，停止抽真空；

③柔性软管环空取样：首先用1L气样收集袋进行取样，用于排除连接管内原有的杂质气体，然后再用两个300mL气样收集袋收集柔性软管环空气体；

④两个300mL气样收集袋取样结束后拆卸检测设备，恢复作业区原样；

按照上述步骤对每根柔性软管至少取样三次。

4.根据权利要求2所述的海洋油气柔性软管环空检测方法，其特征在于，所述项目2包括步骤：

①对气样收集袋与柔性软管之间的连接管路抽真空至0bar；

②待柔性软管环空压力达到上限后，进行放空；

③放空后，记录柔性软管连接管路的压力；

④待柔性软管连接管路的压力达到2bar或压力上升速率稳定后，释放环空压力；

⑤拆卸环空气体渗透率测试设备，恢复工作区原样；

⑥根据柔性软管连接管路的压力随时间变化的数据分析气体在柔性软管中的渗透率。

5.根据权利要求2所述的海洋油气柔性软管环空检测方法，其特征在于，所述项目3包括步骤：

①打开氮气瓶，测试连接管路严密性，若30分钟后压降率小于1.5％，则说明连接管路严密性良好，释放连接管路和环空压力至大气中；

②记录环空层初始压力P₁，向柔性软管环空层充入氮气；

③氮气注入分为4个阶段，0.5bar、1bar、1.5bar和2bar；

④根据记录压力下注入环空的氮气体积，按照下式计算环空剩余体积和环空浸没体积：

1)不考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V₀为不考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；Z为氮气的压缩因子；

为氮气注入环空的标况体积，Sm³；

为氮气在标况下的摩尔体积，Sm³/mol；R为气体常数；T为环空的平均热力学温度，K；P为环空压力，Pa；V₁为环空出口连接导管的容积，m³；V₂为导管出口与检测设备连接的管线容积，m³；

2)考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V_a为考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；η_p为不同压力下氮气在水中的溶解度系数；V_w为环空被水浸没的体积，m³；

3)环空浸没体积模型

考虑氮气溶解度系数对环空剩余体积计算结果的差异，由式(1)、(2)得某一温度下环空浸没体积的计算模型

式中，V₀₁，V₀₂为不考虑氮气溶解时不同压力下对应的环空剩余体积，m³；

为对应压力下氮气在水中的溶解度系数；

上述过程中，为了得到环空的浸没体积，需要开展不同压力下的多组注氮体积-压力平衡测试，采用由低压向高压的阶梯步进检测方法；上述模型中环空的平均热力学温度T计算过程如下：4)计算环空平均温度T

已知柔性软管入口温度T₁，出口温度T₂，入口压力P₁，出口压力P₂，不同深度海水的温度T₀，焦耳—汤姆孙系数D，总传热系数K，气液混合物的质量流量M，气相质量分数GX，气体的定压比热容c_pg，混合物比热容c，管径d，管长L；

柔性软管内输送的流体是气液混合物，故根据能量守恒定律得单位质量气体在dl管段向环境的散热量

dq_ge＝c_pgdT-c_pgDdp (4)

单位质量液体在dl段向环境的散热量

dq_Le＝c_LdT-Igdl (5)

其中，I为两相管路的水力坡降，

则单位质量气液混合物向环境的散热量dq_e为

Mdq_e＝M_gdq_ge+M_Ldq_Le (6)

其中，

联立(4)～(6)，并结合(7)，得

[Kπd(T_Z-T₀)+IgM_L]dl＝McdT-M_gc_pgDdp (8)

近似认为dl段上压降为：

令

对(8)式简化，并对dT、dl求积分得：

已知任意位置管段长度l和海水温度T₀，通过上式得沿管径长度任意位置处的管内流体温度T_F(i)；

通常来说，温度在材料中的扩散由傅里叶定律决定，本模型为导热问题，无内热源，故将S忽略，则圆柱坐标系下的，二维非稳态导热方程为：

这里k＝1，2，…分别代表内压密封层，抗压层，抗磨层，…，外保护层；ρ为密度，kg/m³；C为定压比热容，J/(kg·K)，λ为导热系数，W/(m·K)；

采用有限容积的方法对方程(10)进行离散，对离散后的方程进行积分得：

扩散项采用隐式结构，等式左右同除Δt，得：

整理上述结果，得：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+a_NT_N+a_ST_S+b (13)

式中，

a_P＝a_E+a_W+a_N+a_S+a_P ⁰，

ΔV＝r_pΔxΔr，b＝a_P ⁰T_P ⁰；

左右边界均采用第二类边界条件，把内边界值赋给外边界，上下边界采用第三类边界条件：

对式(9)、(12)～(15)联合求解，得到环空内不同位置处的温度值T(i,j)，对所有环空温度点求平均数，即得到环空平均温度T

6.根据权利要求2所述的海洋油气柔性软管环空检测方法，其特征在于，所述项目4包括三个部分：注氮、保压和泄压，具体步骤如下：

①进行管路严密性检测，若管路严密性良好，则进行第②步；

②打开氮气瓶，缓慢向柔性软管环空内注入氮气，瞬时流量不超过20NL/min，并实时记录累积流量，待压力为2bar且稳定不变时停止注气；

③关闭氮气阀门，开始环空稳压；

④保压时长24个小时，记录不同时刻环空内的气体压力；

⑤观察记录的压力表数据，若24小时内的压降不大于1％试验压力值，且不大于0.1MPa，则说明外保护层没有发生泄漏；

⑥检测完毕后，将环空中气体排到远离人员处；

⑦拆卸检测设备，恢复作业区原样。

7.根据权利要求2所述的海洋油气柔性软管环空检测方法，其特征在于，所述项目5包括：

按照如下步骤将缓蚀剂注入柔性软管环空，具体步骤如下：

①对柔性软管环空泄压；

②打开真空泵对管路抽真空至压力低于-0.5bar；

③打开氮气瓶，用氮气将储罐中的缓蚀剂注入到柔性软管环空层内，当环空压力为3bar且稳定不变时，关闭所有阀门；

④稳定一段时间后，将环空层中的气体收集到1L气样收集袋，收集袋若充满气体随时更换，待压力为常压时关闭所有阀门，并更换1L气样收集袋；

⑤重复步骤②-④，继续向环空中注入缓蚀剂，直至环空全部充满缓蚀剂；

⑥拆卸检测设备，恢复作业区原样。

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