CN205826920U - 组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束、电力脐带及脐带 - Google Patents

组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束、电力脐带及脐带 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束、电力脐带及脐带。描述一种组合有光纤缆线用于与细长结构集成以使用光纤应变传感器来执行全局应变监测的细长元件的负载承载束(12、13)。负载承载束是由多个单独的细长强度元件(13)构成，该单独的细长强度元件在该束中都以围绕位于中央的光纤缆线传感器(12)的螺旋结构铺设。细长强度元件(13)被铺设成彼此相邻，使得能够实现光纤缆线传感器(12)的保护外壳以及提供在光纤缆线传感器(12)和细长强度元件(13)之间的摩擦结合两者。

Description

组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束、电力脐带及脐带
技术领域
本实用新型涉及一种特殊设计的组合有光纤(FO)缆线的细长元件的负载承载束，其用于与细长结构集成以使用光纤(FO)应变传感器来执行全局应变监测。这种组合的监控和负载承载束是特别旨在用于集成到要从铺设船部署进入深水域的脐带和电力脐带中。而脐带主要设计为能够传送流体，像液压流体，电力脐带主要设计为传送大量的电力。
背景技术
电力脐带可以具有一个或多个位于中央的大尺寸的导体以传送电力。导体可以由铜或铝制成。
电力脐带，有时只是被称为电力缆线，发现除其它外作为DEH缆线(直接电加热)的使用。它们往往是称为电力脐带，而不是电力缆线，当许多来自更传统的“脐带”的元件被包括在截面上时，典型地为PVC填充元件。这样的DEH缆线在大多数情况下是由动态电力缆线从上部电源供电，并且被连接到海底电力缆线。
典型的在脐带中的监测为：
-分布式温度感测(DTS)-提供沿光纤传感器的温度分布，用于探测热点和持续热评估。
-分布式/离散应变及温度传感器(DSTS)-除了可以进行分析以确定机械损坏的应变数据，还提供温度分布(如按照DTS)。
-分布式振动传感器(DVS)-提供关于动态和声学事件的数据。
海底基础设施的完整性管理已经变得越来越重要了，因为对于石油和天然气的追求延伸到深水且/或苛刻的操作条件需要越发昂贵的设备。对于 完整性管理的关键是可靠地监测在这种设备中的负载的能力。监测系统本身也受制于日益恶劣的环境，其都已经导致用于直接应变测量的高可靠性的光纤传感器的使用的显著增加。
尽管光学感测技术已经使用了数年，最近迅速普及的原因是在于，光纤传感器被部署的方式上的突破。现在光纤被嵌入玻璃纤维/环氧树脂复合材料载体内以形成适合于离岸处理的健壮的组件。该载体提供对于在部署期间并且来自极端静水压力的损伤的抵抗。安装过程变成了将该载体捆扎到要监视的结构的简单的事情。迄今为止此类仪器设备已经被部署在甲板上，通过绳索接近团队以及通过潜水员。ROV部署正在计划中。
光纤应变传感器使用能够以最小的损失在远距离上传输光的光纤，使它们非常适合电信。在它们的发明之后不久，然而人们发现在纤维内的光的性质可以受到纤维外的物理条件影响。这意味着，纤维本身可以被用作感测元件和通信路径两者。光纤缆线典型地是采用限制到缆线的中央芯的光传输的250微米直径。大多数光纤传感器通过发射光进入光纤的一端并且分析从光纤反射的光来进行操作。
光纤分布式温度传感器(DTS)已经在井下部署以测量在井筒中已经一段时间的温度廓线。这种系统的测量典型地具有米的空间分辨率并且几分钟被需要以便以可接受的噪声等级进行测量。
光纤传感器的一个全新的领域已经围绕光纤布拉格光栅传感器(Fibre BraggGrating sensor，FBG)的使用而演变出来，因为这些组件克服了许多使用标准的未经处理的光纤作为传感器的局限性。FBG是一系列在光纤的纤芯内约6mm长的交替折射率的条纹。FBG最初被应用作为用于电信系统的过滤器，但已经迅速由感测应用所采用。
FBG反射主要依赖于在光栅中的条纹的间距并且依赖于玻璃的折射率的光的波长。随着纤维被拉动，在光栅中的条纹的间距增大并且所反射的波长增加。监测从FBG反射的波长在光栅位置处提供了局部线性应变的绝对和可重复的测量。不同于应变计，所测量的应变是高度定向的并且未受横向应变影响。由于测量是波长的，任何仪器系统对在系统中的光学功率的变化免疫。光学FBG传感器的另一个优点是将多个传感器放置在处于 单条光纤中的不同位置处的能力，通常被称为多路传输。通过以这种方式来多路传输传感器，百余传感器可以使用在感测纤维和仪器之间的单个连接来从单台仪器进行监测。名为“Insensys纤维光学测量系统”的已知系统是仅消耗3W的功率的小巧的卡片。它可以使用飞行时间来区分在纤维中的不同传感器，并且可以采取超过每秒2000次测量。
此外，电气电阻应变计系统的精度和可靠性取决于到该结构上的结合的完整性。即使这些表面以成功的安装被安装，脆弱的传感器很容易受到特别是在严重的海底和部署操作环境中的物理伤害。
上述公司已经开发了一种容纳光纤并且然后将复合屏障紧固到要进行监测的结构的复合载体的概念。操纵并且安装传感器现在是类似于将列板安装到立管上。该复合载体可以被成形为任何形状以适合要进行监测的结构。光纤传感器被在传感器的制造期间精确地定位在处于载体上的预先确定的位置处。光纤被嵌在载体内部，并且成为载体的组成部分。周围的复合材料确保良好的应变从该结构传递到传感器并且在安装期间提供对海底环境和意外损坏的防御。该载体被设计成与要进行监测的结构弯曲并且它已经是足以将它夹或绑到要进行监测的结构。该复合载体的几何形状可以被为了每个应用进行定制以创建在结构的区域上测量参数廓线的单点传感器或许多传感器的阵列。
在该复合载体内的光纤传感器的位置和取向可以被配置成测量在不同取向上的应变，使能轴向应变、压力和弯曲的测量。它还可以提供实时高速数据结构的健康监测和疲劳分析。
实用新型内容
已经讨论了上述本身已知的嵌入在复合材料或基质中的FO缆线，连带本实用新型的特征的添加，本实用新型的主要目的是来获得：
-集成FO缆线的进一步的保护，
-实现有效的应变测量，
-确保对于脐带截面的影响最小，
-在制造期间使得组装容易，
-能够预先在强度束中组装FO缆线并且然后将该束组装成脐带或电力缆线。
伴随就上述问题进行的充分控制，一种持续监测这样的脐带和/或电力缆线的状态的可靠方法被实现，即能够监测这种脐带的完整性、可能的位移以及位置。
根据本实用新型提供了前言所述类型的负载承载束，该负载承载束是由多个单独的细长强度元件构成，该单独的细长强度元件该负载承载束中以围绕位于中央的光纤缆线的螺旋结构铺设，所述单独的细长强度元件被铺设成彼此相邻，使得能够实现光纤缆线的保护外壳以及提供在光纤缆线和单独的细长强度元件之间的摩擦结合两者。
在一个实施例中每个单独的细长强度元件可以是碳纤维棒。碳纤维棒通常是由嵌入在树脂基质中的碳纤维制成。
在替代实施例中每个单独的细长强度元件可以是金属棒，如钢。
在仍一替代实施例中，单独的细长强度元件可以是至少一个碳纤维棒和至少一个金属棒的组合。
优选地，该光纤缆线包括嵌入在复合载体基质诸如聚氨酯中的至少一条光纤。
此外，各光纤缆线又可以由高温应变传递涂层、应变传递粘合剂和不锈钢外壳包围。
光纤缆线可以包括应变感测纤维长丝和温度感测纤维长丝。
单独的细长强度元件的数量可以是像6、12或18，并且单独的细长强度元件可以可选地被铺设在多于一层中。
要指出的是，细长强度元件被以围绕FO缆线的螺旋结构进行铺设。因此，强度元件本身提供FO缆线的保护。此外，细长强度元件都被凭借存在于这样的布置中的绞盘效应而以摩擦方式结合到缆线，类似于围绕棒卷绕绳索若干次并且将它拉紧。因此，在细长强度元件中的张力被转移到 FO缆线。
还值得指出的是，在脐带中的全部元件也都被以螺旋结构铺设，聚合物填充型材(polymer filler profile)也是如此。填充型材分隔每个强度元件并且在填充型材被组装时形成包围单独的元件的导管。由于全部元件都被以螺旋结构以电力脐带为中心进行铺设，它们将在受到张力时向内收缩。这些元件的向内收缩创建在强度元件和填充型材导管之间的法向力和所得的摩擦力。这些力都通过聚合物填充型材基质径向传播以创建在非负载承载和负载承载元件之间的负载分担。
此外，根据本实用新型，提供了一种具有如上文定义的负载承载束的电力脐带，该束被集成到其截面中，该电力脐带包括：
用于大量电力/能源的传递的多条高电力缆线；
以刚性细长聚合物元件的形式的填充材料，其至少部分地围绕所述多条高电力缆线并且在所述多条高电力缆线之间定位，所述多条高电力缆线和刚性细长聚合物元件被以铺设和闭合操作的方式聚集在绞合束中；以及
在电力脐带的截面中的预先确定的位置处的至少一个附加的平坦负载承载元件，
所述多条高电力缆线、刚性细长聚合物元件和至少一个附加的平坦负载承载元件在电力脐带的整个或部分的纵向延伸中被以连续螺旋结构铺设，或者被交替地铺设，即通过连续地交替方向，以形成束。
因此，可以理解的是，通常，负载承载束须在电力脐带闭合之前被预先捆绑。
在一个实施例中，电力脐带包括在其截面中由金属和/或聚合物材料制成的至少一个流体管道。
保护性鞘可以，但不必须，包围所述多条高电力缆线、所述至少一个附加的平坦负载承载元件和填充材料的绞合束。
在一个实施例中，所述至少一个附加附加的平坦负载承载元件是钢丝绳或者钢棒或它们的组合。
在仍另一实施例中，在截面中的至少一个流体管道还包括用于像液压流体的其它流体的输送的管道。
在仍另一实施例中，电力脐带还可以进一步包括常规电力信号线和/或附加的光纤导体。
在仍另一实施例中，电力脐带可以包括至少一个纵向延伸的通道，其用于冷却剂穿过所述电力脐带的强制流动输送以便将所述多条高电力缆线和它们的绝缘材料从临界温度值冷却降温。
电力缆线/脐带的冷却长度可以变化并且可以延伸超过如50-200米的长度，那里关于热积聚的一个关键长度是在从脐带悬挂点到海面的露天部分。
此外，根据本实用新型，提供了一种具有如上文定义的负载承载束的脐带，该束被集成到其截面中，该脐带包括：
用于像液压流体的流体的传送的至少一个流体管道；
以刚性细长聚合物元件的形式的填充材料，其至少部分地围绕所述至少一个流体管道并且在所述至少一个流体管道之间定位，所述至少一个流体管道和刚性细长聚合物元件被以铺设和闭合操作的方式聚集在绞合束中；以及
在该脐带的截面中的预先确定的位置处的至少一个附加的平坦负载承载元件，
所述至少一个流体管道、刚性细长聚合物元件和至少一个附加的平坦负载承载元件在该脐带的整个或部分的纵向延伸中被以连续螺旋结构铺设，或者被交替地铺设，即通过连续地交替方向，以形成束。
在一个实施例中，所述脐带包括由金属和/或聚合物材料制成的至少一个流体管道。
在一个实施例中，保护性鞘包围所述至少一个流体管道、所述至少一个附加的平坦负载承载元件和所述填充材料的所述绞合束。
在一个实施例中，所述至少一个附加的平坦负载承载元件是钢丝绳， 或者钢棒，或者其组合。
在一个实施例中，在所述截面上的所述至少一个流体管道还包括用于输送其它流体的管道。
在一个实施例中，所述其它流体包括甲醇。
在一个实施例中，所述脐带还包括常规电力信号线和/或附加的光纤导体。
基础聚合物填充材料可以是聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)中的任意一个。也可以考虑这样的填充材料的组合。
附图说明
其它和进一步的目的、特征和优点将从本实用新型的优选实施例的以下描述中变得明显，这是为描述的目的而给出，并且在结合附图的上下文中给出，其中：
图1显示具有三个电力导体的电力脐带(缆线)的典型的横截面视图，
图2显示集成FO缆线的放大视图，
图3在透视图中显示根据本实用新型的负载承载束，从电力脐带的横截面延伸出。
图4显示具有FO缆线集成的示例性现有技术的脐带的透视图，
图5显示具有FO缆线集成的示例性现有技术的电力脐带的透视图。
具体实施方式
首先参照图1，显示了电力脐带15，也由本领域中技术人员称为电力缆线。然而，它被标记为“电力脐带”，因为在截面上的许多元件是从基本上设计成将流体传送到海床的更传统的“脐带”中拾取。电力脐带15具有被设计成传送大量电力的相当大的横截面的三个电力导体芯10。三个电力导 体芯10通常由铜制成，但铝和其它导电材料也是可想到的。电力脐带通常是省略任何流体管道，但是当然可以被添加，如果需要用于某些项目的话。仅作为一个例子，示出的电力脐带的OD为近似250mm。
在截面上的进一步的元件是多个细长负载承载元件13和细长配重元件14，除了常规的光纤缆线或导体11之外。负载承载元件13典型地是由被嵌入在树脂的基体中并且被形成为具有约6.50mm的外径的棒的碳纤维制成的碳纤维棒13。在这个横截面上，碳纤维棒13被计算多达165。
配重元件14典型地是钢棒14，其进而为防腐的目的而被镀锌。钢棒14可以作为具有约15.88mm的外径的例子。其它材料是可想到的，像铅或其它配重重金属(heavy weightmetal)。在所示的实施例中，十二个这样的钢棒14被包括在截面上。
另外，PVC填充元件24可以被包括在截面上。
最后，有填充元件2-9的束。填充元件2-9典型地是硬细长聚合物元件，也被称为通道元件，或型材，其定位成至少部分地围绕电力导体10、负载承载元件13、配重元件14和光纤导体11并且在电力导体10、负载承载元件13、配重元件14和光纤导体11之间。在所描绘的版本中，有三个内通道元件9、三个紧随的内部和中间通道元件8、六个紧随的外部和中间通道元件7、6、三个紧随的外部元件5和六个外通道元件4、3、2。一个元件2被着色成黑色以在脐带的组装期间保持追踪。否则它们具有与填充元件3相同的截面，而填充元件3又是与填充元件4稍有不同。
这些硬细长填充元件中的每个都可以，如上所述，由聚合物材料制造。这样的基础聚合物填充材料典型地是聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)中的任意一个。
仅作为示例，电力缆线15可以是DEH缆线，其具有三个大尺寸的导体10，每个具有630mm2的横截面面积、73.8mm的外径和36kV的容量。
不同的通道元件2-9可以具有在它们的型材中提供的冷却流体通道。
非常新的元件，这里称为负载承载束，是另一种FO缆线和至少六个负载承载元件13的组合。该FO缆线充当FO缆线传感器并且被赋予参考 号12。每个负载承载元件13通常是碳纤维棒13。棒13被以围绕位于中央的FO缆线传感器12的螺旋结构进行铺设。传感器12和元件13的这个束被参照图2和图3进行详细描述。
整个电力脐带的全部元件被以本身已知的方式聚集在通过铺设和闭合操作的方式制成的绞合束中。保护性鞘1，通常由MDPE制成，被挤出到上述所列元件的整个束上并且包括该整个束。外鞘1还稳定了整个脐带并且将各元件保持在一起。然而，外鞘1可以被省略并且通过沿该束的延伸以一定间隔捆扎各带来替换，如果需要的话。
现在参照显示了FO缆线传感器12的截面视图的图2。FO缆线传感器12包括一个应变传感纤维长丝A和温度传感光纤元件E，两者都被嵌入在聚氨酯H的护套中。护套的典型OD为6.7mm+/-0.2mm。如已经指出的那样，FO缆线传感器12又由以围绕缆线传感器12的螺旋结构铺设的六个碳纤维棒13包围。碳纤维棒的典型OD为6.5mm。
应变传感纤维长丝A可以，作为一个例子，是具有150℃应变传递涂层的层的德拉卡弯曲不敏感的单模BendBright光纤(Draka Bend insensitive single modeBendBright fibre,G.657)。应变传感纤维元件A由具有以下OD的高温应变传递涂层B包围：900μm。这又由应变敏感粘合剂C包围。全部元件A、B和C都由304SS不锈钢FIMT封闭；OD×ID：1.42mm x 1.12mm。
温度传感纤维长丝E可以，作为一个例子，是具有嵌入在凝胶F中的150℃温度传递涂层的层的德拉卡单模光纤(G.652.D)，像Unigel。元件E和F二者都由304SS不锈钢FIMT，EFL 0.45％+/-0.05％进行封闭；OD×ID：2.7mm x 2.3mm。
图3在透视图中显示根据本实用新型的负载承载束12，13，从在图1中的横截面视图中示出的电力脐带的横截面延伸出。可以理解的是，棒13以螺旋结构延伸，尽管在图中不是很可见或很明显。然而，铺设长度或间距长度为，仅作为示例，约9米，即对于那些直径仅6.5mm的元件，每九米旋转一周。因此，将难以说明并且显示在图上。
负载承载束中的一个具有位于中央的FO缆线传感器12，其从碳纤维 棒13的束中延伸出，仅为了说明目的。
图4显示具有集成到截面上的FO缆线的示例性脐带的透视图。这是光纤在被认为本身已知的脐带中的使用的一个例子。
图5显示具有集成到截面上的FO缆线的示例性电力脐带的透视图。这是也被认为本身已知的光纤的使用的另一个例子。

Claims (27)

1.一种组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，用于与细长结构集成以使用光纤应变传感器来执行全局应变监测，所述负载承载束是由多个单独的细长强度元件构成，所述单独的细长强度元件在所述负载承载束中以围绕位于中央的光纤缆线的螺旋结构铺设，所述单独的细长强度元件被铺设成彼此相邻，使得能够实现所述光纤缆线的保护外壳以及提供在所述光纤缆线和所述单独的细长强度元件之间的摩擦结合两者。
2.根据权利要求1所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，每个单独的细长强度元件为碳纤维棒，所述碳纤维棒由嵌入在树脂基质中的碳纤维制成。
3.根据权利要求1所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，每个单独的细长强度元件为金属棒。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，所述单独的细长强度元件是至少一个碳纤维棒和至少一个金属棒的组合。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，所述光纤缆线包括嵌入在复合载体基质中的至少一条光纤。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，所述光纤缆线包括嵌入在聚氨酯中的至少一条光纤。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，每条光纤缆线由高温应变传递涂层、应变传递粘合剂和不锈钢外壳包围。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，所述光纤缆线包括应变感测纤维长丝和温度感测 纤维长丝。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的组合有光纤缆线的细长元件的负载承载束，其特征在于，所述单独的细长强度元件的数目是6、12或18，所述单独的细长强度元件能够被铺设在多于一层中。
10.一种电力脐带，具有集成到其截面中的如权利要求1-9中任一项所述的负载承载束，所述电力脐带包括：
多条高电力缆线，其用于大量电力/能源的传递；
填充材料，其呈刚性细长聚合物元件的形式，所述填充材料至少部分地围绕所述多条高电力缆线并且在所述多条高电力缆线之间定位，所述多条高电力缆线和所述刚性细长聚合物元件通过铺设和闭合操作的方式被聚集在绞合束中；以及
至少一个附加的平坦负载承载元件，其在所述电力脐带的截面上的预先确定的位置处，
所述多条高电力缆线、所述刚性细长聚合物元件和所述至少一个附加的平坦负载承载元件在所述电力脐带的整个或部分的纵向延伸中被以连续螺旋结构铺设，或者被交替地铺设，以形成束。
11.根据权利要求10所述的电力脐带，其中，所述交替地铺设是通过连续地交替方向铺设的。
12.根据权利要求10所述的电力脐带，其中，所述电力脐带包括在所述截面中的由金属和/或聚合物材料制成的至少一个流体管道。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的电力脐带，其中，保护性鞘包围所述多条高电力缆线、所述至少一个附加的平坦负载承载元件和所述填充材料的所述绞合束。
14.根据权利要求10-12中任一项所述的电力脐带，其中，所述至少一个附加的平坦负载承载元件是钢丝绳，或者钢棒，或者其组合。
15.根据权利要求12所述的电力脐带，其中，在所述截面中的所述至少一个流体管道还包括用于输送其它流体的管道。
16.根据权利要求15所述的电力脐带，其中，所述其它流体包括液压流体。
17.根据权利要求10-12中任一项所述的电力脐带，其中，所述电力脐带还包括常规电力信号线和/或附加的光纤导体。
18.根据权利要求10-12中任一项所述的电力脐带，其中，所述电力脐带还包括至少一个纵向延伸的通道，用于冷却剂穿过所述电力脐带的强制流动输送，以便将所述多条高电力缆线和其绝缘材料从临界温度值冷却降温。
19.一种脐带，具有集成到其截面中的如权利要求1-9中任一项所述的负载承载束，所述脐带包括：
至少一个流体管道，其用于传送流体；
填充材料，其呈刚性细长聚合物元件的形式，所述填充材料至少部分地围绕所述至少一个流体管道并且在所述至少一个流体管道之间定位，所述至少一个流体管道和所述刚性细长聚合物元件通过铺设和闭合操作的方式被聚集在绞合束中；以及
至少一个附加的平坦负载承载元件，其在所述脐带的截面上的预先确定的位置处，
所述至少一个流体管道、所述刚性细长聚合物元件和所述至少一个附加的平坦负载承载元件在所述脐带的整个或部分的纵向延伸中被以连续螺旋结构铺设，或者被交替地铺设，以形成束。
20.根据权利要求19所述的脐带，其中，所述交替地铺设是通过连续地交替方向铺设的。
21.根据权利要求19所述的脐带，其中，所述流体包括液压流体。
22.根据权利要求19所述的脐带，其中，所述脐带包括由金属和/或聚合物材料制成的至少一个流体管道。
23.根据权利要求19-22中任一项所述的脐带，其中，保护性鞘包围所述至少一个流体管道、所述至少一个附加的平坦负载承载元件和所述填 充材料的所述绞合束。
24.根据权利要求19-22中任一项所述的脐带，其中，所述至少一个附加的平坦负载承载元件是钢丝绳，或者钢棒，或者其组合。
25.根据权利要求19-22中任一项所述的脐带，其中，在所述截面上的所述至少一个流体管道还包括用于输送其它流体的管道。
26.根据权利要求25所述的脐带，其中所述其它流体包括甲醇。
27.根据权利要求19-22中任一项所述的脐带，其中，所述脐带还包括常规电力信号线和/或附加的光纤导体。
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