DE602004005078T2 - Instrumentierte röhrenförmige einrichtung zum transport eines unter druck stehenden fluids unter verwendung von bragg-gitter-rosetten - Google Patents

Instrumentierte röhrenförmige einrichtung zum transport eines unter druck stehenden fluids unter verwendung von bragg-gitter-rosetten Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine instrumentierte röhrenförmige Vorrichtung zum Transport eines unter Druck stehenden Fluids insbesondere auf dem Gebiet der Erdölprospektion und dem des Gas- oder Kohlenwasserstofftransports.
  • STAND DER TECHNIK
  • Auf dem Gebiet der Erdölprospektion besteht die Tendenz, dass die Vorkommen seltener werden. Die Ausbeutung neuer Vorkommen erfolgt immer öfter vor der Küste ("off-shore") und sogar auf hoher See und in großer Tiefe ("deep off-shore"). In diesem Kontext ist die Realzeitunterstützung der Produktionsdienste der "Off-shore"- und "Deep Off-shore" Ölfelder ein neues und spezifisches Bedürfnis zur konsequenten Entwicklung einer solchen Ausbeutung.
  • Mit dem Ziel, die Größe und die Kosten zu reduzieren, werden die verwendeten Rohre während des Betriebs bis in die Nähe ihrer Belastungsgrenzen beansprucht. Die Belastungen und folglich die Materialermüdung sind groß.
  • Wie dargestellt in der 1, strömt das Kohlenwasserstofffluid unter Druck (typisch 70 bar oder mehr) und unter hoher Temperatur (typisch 100°C oder mehr) aus einem oder mehreren Speichern bzw. Lagerstätten 10 durch Bohrlöcher 11 in Leitungen 12 und wird dann sogenannten "Risern" bzw. Steigleitungen zugeführt ("Riser-Turm" 13, "Ketten- bzw. Kettenaufhängungs-Riser" 14), um an die Oberfläche gefördert zu werden. Dieses Fluid wird dann in einer Sammelstation 15 vorbehandelt, ehe es über eine sogenannte Exportleitung 16 zu einer Ladestation 17 für Öltanker 18 befördert wird.
  • Bei einer Ausbeutung in großer Tiefe sind die Fluiddrücke niedriger als der durch das Wasser auf das Rohr ausgeübte Außendruck.
  • Die hohen Kosten solcher Anlagen sowie deren Betriebs- und Unterhaltskosten zwingen die Ölgesellschaften, ihrer Verschlechterung und damit Erdölförderungsunterbrechungen vorzugreifen, um einen guten Betriebszustand der gesamten Produktionskette zu garantieren.
  • Insbesondere müssen die Ölgesellschaften der Bildung von Hydratstopfen vorgreifen, die unter sehr genauen thermodynamischen Bedingungen auftreten können, die von der Temperatur und dem Druck in Innern des Fluids abhängig sind. Solche Stopfen, wenn sie entstanden sind, können zu einem Verschluss der Leitung führen und große Kosten verursachen. Es ist daher notwendig, den Innendruck und die Temperatur des Fluids zu überwachen, um das Auftreten solcher Stopfen zu verhindern.
  • Außerdem muss nicht nur die Fluidförderleitung zu Wartungszwecken instrumentiert werden, um an kritischen Punkten längs der Strömung die Temperatur zu kontrollieren, sondern auch die Materialermüdung und die Produktionsoptimierung müssen kontrolliert werden. Diese Notwendigkeit erfordert eine Detektion aller plötzlichen Druckschwankungen.
  • Die Verschiebungsgeschwindigkeit eines Hydratstopfens kann geschätzt werden, indem man die Zeit misst, die eine entsprechende Überdruckfront benötigt, um sich von einem Messpunkt zu einem anderen, in der Nähe (zum Beispiel einige Meter weiter) befindlichen fortzubewegen.
  • Die zur Realisierung der Leitungen verwendeten Rohre haben einen typischen Durchmesser von 12'' (ungefähr 30 cm) und eine Wanddicke von ¾'' (ungefähr 19 mm). Sie bilden Teilstücke von 12 m bis 48 m Länge. Diese Rohre sind wärmegedämmt, um Wärmeverluste durch Leitung nach außen (Wasser mit ungefähr 4°C) maximal zu reduzieren und so das Fluid auf einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, um der Bildung von Hydratstopfen vorzubeugen.
  • Die Ölgesellschaften sind daher für jede Entwicklung neuer Instrumentierungen aufgeschlossen, deren Verlässlichkeit größer ist, die leicht anwendbar und preiswert sind, und die ihnen ermöglichen, die in großer Tiefe auftretenden Phänomene besser kontrollieren zu können und infolgedessen ihre Produktionseinrichtungen und ihre Produktivität zu optimieren.
  • Das durch die Erfindung zu lösende Problem betrifft also die Entwicklung eines kompletten Systems zur Messung der Temperatur, des Drucks und der Druckschwankungen im Innern des Fluids, das im Innern einer Transportleitung fließt, sowie die Verfolgung der Materialermüdung (Zug und Biegung) in einer (mehrere Kilometer) entfernten "Offshore"-Umgebung unter hoher Temperatur (manchmal mehr als 120°C) und hohem Druck (mehrere hundert Bar).
  • Die Lösungen des Stands der Technik, die elektrische Sensoren benutzen (Beschleunigungsmesser, elektrische Verformungsmesser, Thermoelemente), gelten bei Temperaturen über 120°C nicht mehr als zuverlässige Messgeräte. Ihre Lebensdauern sind zu kurz (die Betreiber erwarten gegenwärtig eine garantierte Betriebsdauer von über 20 Jahren) und die Kosten, die beim Ausfall solcher elektrischer Sensoren entstehen können, sind sehr hoch, denn im Falle einer Verstopfung einer Leitung durch einen Hydratstopfen kommt es zu einem Produktionsstillstand. Schließlich erfordern solche elektrischen Sensoren eine Fernversorgung sowie eine lokale elektronische Umwandlung, die einen Transfer des Signals über eine lange Distanz ermöglicht. Die heute verwendeten Messsysteme erfordern aufgrund ihrer Vielfalt verschiedene zugehörige Netze, um die entsprechenden Informationen zu übertragen (die Rückgewinnung der Informationen erfolgt durch ROV ("Remote Operating Vehicle") oder durch zugeordnete Unterwasserkabel (ombilicaux)), was die Verkabelung, die Verarbeitung und die Archivierung der Daten kompliziert und einen Realzeitbetrieb verunmöglicht.
  • Die Ölgesellschaften wollen eine Instrumentierung, die tolerant ist gegenüber dem Montageverfahren und den "Off-shore"-Einsatzsbedingungen, die Fernmessungen (über viele Kilometer), Temperaturverteilung und axiale Verformungen (Zug- und Biegebelastungen) und transversale Verformungen (Drücke) der verwendeten Rohre ermöglicht. Die Sensoren müssen also passiv (ohne elektrische Fernversorgung) und mit der Oberfläche durch ein einziges Kabel verbunden sein, das mehrere optische Fasern enthalten kann. Eine solche Instrumentierung muss fähig sein, in Realzeit die Informationen zu liefern, die notwendig sind für die Aufrechterhaltung der Leitung (Temperatur, Innendruck und Druckveränderungen des Fluids) und um den betriebsfähigen Zustand der Leitungen zu garantieren (Messung der Axialverformung und der Durchbiegung, Orientierung und Amplitude des Biegemoments).
  • Mehrere technische Lösungen verwenden optische Sensoren, die ermöglichen, ein solches Problem zu lösen, nämlich Temperatur, Druck und Druckschwankungen eines Fluids im Innern einer Leitung zu messen sowie ihre Materialermüdung zu verfolgen. Diese Lösungen können verteilte Messsysteme, das heißt Messsysteme längs einer optischen Faser (DTS ("Distributed Temperature Sensor")-Raman und Brillouin-OTDR ("Optical Time Domain Reflectometry"), oder diskrete oder punktuelle Messsysteme (interferometrische Sensoren und Bragggitter-Sensoren) sein.
  • 1. Verteilte Messsysteme
  • Das DTS-System hat nur teilweise mit den angesprochenen Problem zu tun, da es nur die Temperatur misst. Ein solches System muss folglich durch ein oder mehrere andere Verformungsmesssysteme ergänzt werden, was die Kosten des Gesamtsystems erhöht und die Datenverarbeitung komplexer macht. Hingegen ermöglichen die Brillouin-OTDR-Systeme, den Pflichtenheften des Ölsektors vollkommen zu entsprechen, die mit ihnen hat man potentiell Zugriff auf längs einer Faser verteilte Temperatur- und Verformungsmessungen. Jedoch sind solche Systeme selten und sehr teuer, und sie ermöglichen nur statische Messungen (mit Ansprechzeiten zwischen einigen Minuten und einigen Stunden). Sie ermöglichen also nicht, plötzliche Druckschwankungen innerhalb einiger Zehntelsekunden zu detektieren.
  • 2. Diskrete Messsysteme
  • Neben den interferometrischen Sensoren für weißes und kohärentes Licht sind die im Ölsektor am meisten benutzten Sensoren die Bragggitter-Sensoren.
  • Ein Bragggitter besteht in einer periodischen Störung der Brechzahl in einem optischen Leiter, zum Beispiel einer optischen Faser. Es verhält sich wie ein spektral selektiver Spiegel. Wenn also ein optisches Signal mit breitem Spektralband in eine optische Faser eingespeist wird, in deren Innern man ein photoinduziertes Bragggitter erzeugt, wird nur eine dünne Spektrallinie (von ungefähr 200 pm Breite), extrahiert von dem eingespeisten Signal, reflektiert, während das übrige Signal ohne Veränderung übertragen wird. Die optischen Telekommunikationen benutzen vorwiegend die Wellenlängen nahe 1,55 μm (C-Band) und die meisten optischen Bauteile (passive wie aktive) sind für diesen Wellenlängenbereich entwickelt worden.
  • Das Referenzdokument [2] beschreibt Bragggitter-Transducer, angeordnet in Nuten, die in ringförmige Stahlverstärkungen eines "Kabelrisers" eingearbeitet sind. Diese Transducer sind empfindlich für den Innendruck, die Axialverformungen und die Biegungen eines solchen Kabels. Um diese Beiträge zu trennen, sind in jeder Verstärkung zwei diametral entgegengesetzte Gitter befestigt. Dieses Prinzip eignet sich für Rohre von Türmen ("Risern") mit metallischen Armierungen, ist aber völlig ungeeignet für die Metallrohre.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Probleme zu lösen, und dies auf eine globale Weise, indem sie eine instrumentierte röhrenförmige Vorrichtung vorschlägt, die ermöglicht, alle für den Betreiber nützlichen Parameter zu messen, nämlich den statischen Innendruck des Fluids, seine Temperatur, den Innenüberdruck des Fluids, den Fluiddurchsatz, die Längsbelastung des Rohrs, das Biegemoment und die Orientierung, und die dabei eine optimierte Architektur aufweist, das heißt eine minimale Anzahl von Messstellen und Sensoren.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine instrumentierte röhrenförmige Vorrichtung zum Transport eines unter Druck stehenden Fluids, die ein von diesem Fluid durchflossenes Rohr umfasst, dem Messeinrichtungen der hauptsächlichen Verformungen dieses Rohrs und Messeinrichtungen der Temperatur des Fluids in diesem Rohr zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass dieses Rohr mit diesen Messeinrichtungen ausgerüstet ist, die auf seiner Oberfläche befestigt sind und durch wenigstens ein optisches Übertragungskabel in Richtung eines optoelektronischen Messsystems übertragen werden, und dadurch, dass diese Messeinrichtungen wenigstens drei Einheiten von wenigstens zwei optischen Bragg-Gitter-Messeinrichtungen umfassen, in nichtparallelen Richtungen angeordnet, wobei diese wenigstens drei Einheiten an wenigstens drei Messstellen befestigt sind, die längs der Achse des Rohrs auf verschiedene Positionen verteilt und entsprechend mehreren Achsen seines Querschnitts ausgerichtet sind, wobei diese Einheiten durch optische Faserteilstücke miteinander verbunden sind und mit dem optischen Übertragkabel verbunden sind, und dadurch, dass wenigstens eine Einheit außerdem eine Temperaturmesseinrichtung umfasst.
  • Diese Messeinrichtungen können auf einem Träger vormontiert oder direkt an dem Übertragungskabel befestigt werden.
  • Diese Messeinrichtungen können so montiert werden, dass sie mindestens eine Rosette bilden. Vorteilhafterweise bildet jede Rosette einen flexiblen zweidimensionalen Sensor aus zum Beispiel zusammengebauten Polyimidfolien.
  • Vorteilhafterweise umfasst jede Einheit drei Einrichtungen zur Messung der Verformung des Rohrs.
  • Jeder Sensor umfasst einen Verformungsmessteil und einen Temperaturmessteil. Der Verformungsmessteil kann durch eine optische Monomodefaser gebildet werden, in der ein Bragggitter photoinduziert wird und die schleifenförmig zwischen zwei Folien zum Beispiel aus Polyimid oder "Kapton" verläuft und an ihnen festgeklebt ist, wobei die Fasereingänge/-ausgänge durch Kapillaren, zum Beispiel aus Kunststoff, geschützt sind, und die Faserteile, die die Bragggitter umfassen, unbedeckt sind. Der Temperaturmessteil kann ein auf ein Metallplättchen geklebtes Bragggitter umfassen. Vorteilhafterweise ist das Metallplättchen aus dem gleichen Metall wie das Rohr.
  • Bei einer ersten Realisierungsart umfasst die Vorrichtung der Erfindung wenigstens drei Messgehäuse, in denen sich jeweils drei Sensoren befinden, von dem hydrostatischen Außendruck isoliert und durch röhrenförmige Verbindungsstücke miteinander verbunden. Das zentrale Gehäuse jeder Einheit ist durch ein optisches Übertragungskabel mit der Messinstrumentierung verbunden. Die Gehäuse und die Verbindungsstücke sind miteinander verschweißt, um eine steife Einheit zu bilden. Das Übertragungskabel wird gebildet durch ein mit Gel gefülltes und mehrere optische Monomodefasern enthaltendes nichtoxidierbares Stahlrohr und eine Bewehrung aus Stahldrähten, die durch Kunststoffhüllen getrennt sind. Das zentrale Gehäuse umfasst einen Sockel, der dazu dient, das optische Übertragungskabel anzuschließen.
  • Bei einer zweiten Realisierungsart umfasst die Vorrichtung der Erfindung wenigstens drei mit einer Schutzverkleidung versehene Sensoren. Diese Verkleidung kann eine Polymerverkleidung mit einer zwischen 3 und 4 cm enthaltenen Dicke sein. Ein Abzweiggehäuse realisiert die Verbindung zwischen den Sensoren jeder Einheit und einem optischen Hauptkabel, das mit der Messinstrumentierung verbunden ist. Die Belastungsaufnahme im Hauptkabel erfolgt durch Umschlingung des Rohrs mit diesem Kabel. Das Übertragungskabel ist in die Schutzverkleidung eingeschlossen.
  • Die Vorrichtung der Erfindung kann auf dem Gebiet der Offshore-Ölförderung und auf dem Gebiet des Transports von Gas oder Kohlenwasserstoff eingesetzt werden.
  • Die Vorrichtung der Erfindung nutzt die Vorteile einer Bragggitter-Messtechnik, das heißt:
    • – keine elektromagnetischen Interferenzen (optisches Messen),
    • – Multiplexing und Wellenlängenlesen (von den Schwankungen der optischen Leistung unabhängige Spektralsignatur),
    • – große Übertragungsdistanz (Kilometerreichweiten) der Messung und Verkabelungsflexibilität,
    • – zeitliche Stabilität und Haltbarkeit unter schwersten Umgebungsbedingungen,
    • – Messungen in einem üblichen Temperaturbereich (–20°C, +90°C),
    • – keine Notwendigkeit einer permanenten Verbindung (beliebiges Schließen und Öffnen der Instrumentierungsverbindung) aufgrund der Absolutmessung der Wellenlängen,
    • – sehr geringe Einfügungsverluste, was ermöglicht, Sensoren längs einer einzigen Messleitung in Serie zu schalten,
    • – Optimierung der Kosten des Messpunkts aufgrund des Multiplexing durch eine einzige, allen Sensoren gemeinsame Erfassungseinheit,
    • – Multiparameter-Messungen (Temperatur, Verformungen), vereinheitlicht in einer einzigen Erfassungseinheit und einem einzigen Verarbeitungs- und Anzeigeprotokoll (Kohärenz bei der Analyse und Speicherung der Daten).
  • Die verschiedenen durch die Vorrichtung der Erfindung betroffenen Bereiche sind die Öl- und Gasindustrien und generell alle Industrien, bei denen Fluid durch Rohre oder Pipelines über weite Entfernungen zu Lande oder in großer Wassertiefe ("deep off-shore") befördert wird.
  • Bei der Erdölprospektion findet die Erfindung eine unmittelbare Anwendung bei der Überwachung von Materialermüdung, verursacht durch die Belastung und die maritimen Einwirkungen auf die Export- bzw. Förderleitungen ("export lines") und die "Riser" bzw. Steigleitungen ("riser tower", "catenary risers"), insbesondere in der Nähe der Ladebojen und dem Bodenkontaktpunkt ("Touch Down Point").
  • Eine andere wichtige Anwendung der Erfindung betrifft die Produktionskontrolle durch die Verfolgung bzw. Überwachung des Fluidwegs, indem sichergestellt wird, dass die Druck- und Temperaturbedingungen normal sind, um jeder Entstehung eines Stopfens sowie Strömungsstörungen ("slugging") in der Leitung, die zu einer Produktionsunterbrechung führen könnten, zuvorzukommen. Die Verteilung der Messstellen längs des Rohrs ist in der Weise neuartig, dass sie ermöglicht, die Biegungsamplitude und ihre Orientierung festzustellen und simultan mit demselben Schema die zeitliche Autokorrelation der Überdrücke zu erstellen, um davon den Fluiddurchsatz abzuleiten. Diese stellt einen wesentlichen Fortschritt dar, denn die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik wenden getrennte Lösungen an, ja sogar solche, die auf unterschiedlichen Prinzipien und Technologien beruhen, um dieselben Ziele zu erreichen. Die Erfindung ermöglicht die Erfassung aller gesuchten Informationen (Temperatur, Axialbelastung, Biegung und Orientierung, Druck und Innenüberdruck, Fluiddurchsatz) mit eine optimierten Anzahl von Sensoren zu erhalten.
  • Die Erfindung findet auch eine unmittelbare Anwendung bei den Erdtransportnetzen für Gas und Kohlenwasserstoffe. Bestimmte Netze (zum Beispiel in Alaska oder in arktischen oder subarktischen Zonen) werden nicht überwacht und können aufgrund von Korrosionsphänomenen und thermomechanischer Materialermüdung (zum Beispiel der auf Permafrost ruhenden Rohre) Risse bekommen oder brechen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die 1 zeigt ein Typschema einer Tiefseeölgewinnung.
  • Die 2A und 2B zeigen ein instrumentiertes Teilstück – nach Eliminierung der Wärmedämmungszone – der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht und einer Schnittansicht.
  • Die 3A, 3B und 3C zeigen Messeinrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Montage- bzw. Verbindungseinrichtungen von wenigstens zwei nichtparallelen optischen Fasern sind, wobei die 3A ein Beispiel einer Bragggitter- Rosette des "Delta"-Typs darstellt und die 3B und 3C zwei Realisierungsvarianten zeigen.
  • Die 4A und 4B zeigen den Aufbau der Rosetten für die Instrumentierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Draufsicht und in einer A-A-Schnitt-Ansicht.
  • Die 5A und 5B zeigen das Hauptgehäuse und dessen Verbindung mit dem Übertragungskabel bei einer ersten Realisierungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittansicht und einer B-B-Schnitt-Ansicht.
  • Die 6A und 6B zeigen die Verbindung zwischen dem Übertragungskabel und einem Sensor nach einer zweiten Realisierungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittansicht und einer Längsschnittansicht.
  • DETAILLIERTE DARSTELLUNG SPEZIELLER REALISIERUNGSARTEN
  • Die instrumentierte röhrenförmige Vorrichtung (oder "smart pipeline") der Erfindung ist ein traditionelles Rohr, partiell nackt, dann mit seiner Wärmedämmung überzogen, ausgerüstet mit einer Gruppe optischer Messeinrichtungen, vorpositioniert und dann auf seine Oberfläche geklebt und mit einem oder mehreren optischen Unterwasserkabeln mit einem optoelektronischen Messystem verbunden. Dieses Messsystem kann sich an der Oberfläche befinden, an Land oder auf dem Meer.
  • Diese Gruppe von Messeinrichtungen umfasst Rosetten, die Montagen von mehreren Messeinrichtungen sind, die ermöglichen, die Verformungen gemäß verschiedenen Orientierungen des Trägers, hier eines Rohrs, zu bestimmen, an denen sie entsprechend mehreren Richtungen befestigt sind, wie beschrieben in dem Referenzdokument [3]. Dieses Dokument beschreibt ein optisches Mikrosystem des Typs mit planen Dehnungsmessrosetten mit dielektrischen Leitern, dazu bestimmt, ein auf ein Teil einwirkendes Kräftesystem zu messen, bei dem – wobei auf das Teil nur Längskräfte wirken – eine Rosette durch wenigstens zwei Dehnungsmesseinrichtungen mit dielektrischen Leitern gebildet wird, und bei dem eine Rechenschaltung ermöglicht, die genannte Kraft durch Auflösung eines Gleichungssystems zu bestimmen.
  • In der Folge der Beschreibung sind die beispielartig in Betracht gezogenen Messeinrichtungsmontagen Rosetten, wie dargestellt in der 3A. Aber die Messeinrichtungen der instrumentierten röhrenförmigen Vorrichtung der Erfindung sind allgemeiner ausgedrückt Montagen von wenigstens zwei nichtparallelen optischen Fasern, wie dargestellt in den 3A, 3B und 3C, die auf einem Träger vormontiert oder direkt auf das Übertragungskabel montiert werden können.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jede Rosette in Form eines flexiblen zweidimensionalen Sensors realisiert werden, gebildet zum Beispiel durch zusammengebaute Polyimidfolien. Dieser Sensor umfasst drei Verformungsmesseinrichtungen, die ermöglichen, die beiden Hauptverfomungen zu bestimmen (transversal und axial), unabhängig von der Winkelposition der Rosette auf dem Rohr, wobei dieser Sensor auf diesem Rohr in einer nicht beherrschten bzw. nicht beeinflussbaren industriellen Umgebung (Röhrenfabrikation) ohne besondere Vorkehrungen befestigt, zum Beispiel festgeklebt werden kann. Dieser Sensor kann nur zwei Messeinrichtungen umfassen, die aber genau ausgerichtet sind, nämlich die eine longitudinal und die andere transversal zur Achse. Außerdem kann in diesen Sensor auch eine Temperaturmesseinrichtung integriert werden, um seine Temperatur in nächster Nähe der Verformungsmesseinrichtungen zu messen, und um zu ermöglichen, die Wärmebeiträge von den rein mechanischen Beiträgen (Transversal- und Axialverformungen) zu trennen. In der Folge der Beschreibung bezieht sich der Begriff "Sensor" auf einen solchen Sensor des Rosettentyps.
  • Die Vorrichtung der Erfindung ist mit wenigstens drei Messstellen ausgerüstet, die die Sensoren gegen äußere Stöße schützen, die durch optische Fasern miteinander und mit einem Übertragungskabel (zur Oberfläche) verbunden sind. Diese Stellen sind in verschiedenen Positionen längs der Achse des Rohrs angeordnet und entsprechend mehreren Winkeln seines Querschnitts ausgerichtet (vorteilhafterweise alle 60°).
  • Bei einem Realisierungsbeispiel umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Rohr von 24 m Länge und ungefähr 12'' (30 cm) Durchmesser, ausgerüstet mit verteilten Messstellen. Alle Stellen umfassen einen Sensor. Vorteilhafterweise umfasst die mittlere Messstelle eine Rosette B2 mit vier Messeinrichtungen (drei Verformungsmesseinrichtungen und eine Temperaturmesseinrichtung), während die beiden seitlichen Stellen jede eine Rosette B1 oder B3 mit drei Verformungsmesseinrichtungen umfasst. Das Messen der Temperatur, von der angenommen wird, dass sie über den gesamten Messbereich konstant ist, kann nur durch die mittlere Rosette B2 erfolgen. Die Vorrichtung umfasst in diesem instrumentierten Teilstück also 10 Messeinrichtungen. In dem Fall, wo die Temperatur über den Umfang nicht homogen ist, kann jede Rosette drei Verformungs- und eine Temperaturmesseinrichtungen enthalten, was 12 Messeinrichtungen in diesem instrumentierten Teilstück ergibt.
  • Die Vorrichtung der Erfindung ist dazu bestimmt, direkt am Ort der Ölförderung eingebaut zu werden, ohne spezialisierte Intervention. Sie ermöglicht eine Fernübertragung folgender Messungen via optischer Faser oder Fasern:
    • – Innentemperatur des in dem Rohr fließenden Fluids,
    • – Druck und interne Druckschwankungen des Fluids,
    • – Axialbelastung,
    • – Krümmungsradius der Durchbiegung des Rohrs,
    • – Orientierung dieser Durchbiegung in Bezug auf den Rohrquerschnitt. Sie ermöglicht außerdem eine Durchflussmessung durch dynamische Analyse der Druckwellen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zwei Realisierungsarten, je nach dem, ob die Stellen gegen den Außendruck (Wassertiefe) isoliert sind oder nicht. Bei einer ersten Realisierungsart sind drei gegen den hydrostatischen Außendruck isolierte und durch röhrenförmige Verbindungen verbundene Messgehäuse in Messstellen angeordnet. Bei einer zweiten Realisierungsart sind drei mit einem sie gegen die maritime Umgebung, Stöße und Reibungen schützenden Polymerüberzug von 3 bis 4 cm überzogene Sensoren in diesen Messstellen angeordnet.
  • ERSTE REALISIERUNGSART DER ERFINDUNG
  • Bei dieser ersten Realisierungsart werden die drei Messstellen 22 durch Gehäuse eingenommen, in denen jeweils drei Sensoren angeordnet sind, die gegen den hydrostatischen Außendruck isoliert sind. Jedes instrumentierte Teilstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie dargestellt in der 2 nach Entfernung der Wärmedämmung 21, umfasst ein vormontiertes System, gebildet durch wenigstens ein mittleres Gehäuse B2 und zwei seitliche Gehäuse B1 und B3, wobei dem Rohr entsprechend vorgeformte röhrenförmige Verbindungen 24 die Gehäuse miteinander verbinden und eine optische Übertragungsfaser 23 das mittlere Gehäuse B2 mit der an der Oberfläche befindlichen Messinstrumentierung verbindet. Die Gehäuse sind längs der Rohrachse (zum Beispiel mit Dezimeterabstand) und gemäß verschiedenen Winkelorientierungen montiert. Bei dem Übertragungskabel zur Oberflächeninstrumentierung entspricht folglich eine Gruppe von drei Gehäusen einer optischen Faser.
  • Die 2B zeigt zum Beispiel eine 60°-Verteilung der Gehäuse (θ1 = θ2 = 60°). Aber andere Winkelkonfigurationen sind möglich. Ebenso können die Verteilung und die Art der Verbindung der Gehäuse verschieden sein. Das Übertragungskabel 23 kann zum Beispiel mit dem Gehäuse B2 oder B1 verbunden sein. Diese Gehäuse B1, B2 und B3 mit typischen Abmessungen (Höhe × Länge × Breite = 4 cm × 20 cm × 10 cm) dienen der Vorpositionierung der Sensoren, um ihre Montage bei dem Rohrhersteller und die Einführung eines Abdichtungspolymers zu erleichtern. Sie haben auch eine mechanische Belastungsaufnahmefunktion.
  • Das Montageverfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst dann die folgenden Schritte:
    • – Vorbereitung einer vormontierten Einheit aus Gehäusen und Verbindungen,
    • – Anpassung dieser Einheit an das Rohr durch Schweißung,
    • – Montage der optischen Bauteile am Rohr 20 (bei dem Rohrhersteller) und Verkleidung mit einer Wärmedämmung 21,
    • – Temperatur-, Belastungs- und Biegungseichung vor dem Transport und dem Einbau an der Produktionsstätte.
  • ZWEITE REALISIERUNGSART DER ERFINDUNG
  • Bei dieser zweiten Realisierungsart wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Sensoren instrumentiert, die sich an ähnlichen bzw. gleichen Stellen wie bei der ersten Realisierungsart befinden, jedoch werden diese Sensoren direkt auf das Rohr geklebt, ohne Schutzgehäuse gegen den hydrostatischen Außendruck. Die Sensoren eines selben instrumentieren Teilstücks der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind durch ein optisches Übertragungskabel miteinander verbunden, das in Höhe eines Verzweigungsgehäuses, das sich am Kopf des instrumentierten Teilstücks befindet, mit einem optischen Hauptkabel verbunden ist. Die Sensoren und das optische Übertragungskabel sind eingebettet in einen Überzug, der sie hermetisch abschließt gegenüber der Außenumgebung. Das optische Hauptkabel verbindet das Verzweigungsgehäuse und die an der Oberfläche befindliche Instrumentierung. Dieses Verzweigungsgehäuse ermöglicht, die Dichtheit der optischen Haupt- und Übertragungskabel zu garantieren. Die Verteilung der optischen Fasern längs des Rohrs auf viele instrumentierte Teilstücke ist in der Industrialisierungsphase vorgesehen.
  • Das Montageverfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst dann die Vorbereitung bzw. Bereitstellung der Messbauteile. Sobald diese Bauteile angebracht sind, erhält der nackte Teil einen Überzug, um diese Bauteile sowie die Anschlüsse der optischen Kabel zu schützen. Dann wird dieser Überzug mit einer Wärmedämmung verkleidet, um das Ganze gegen Außenstöße zu isolieren und seinen thermischen Schutz zu gewährleisten. Die Belastungsaufnahme in dem optischen Hauptkabel erfolgt durch Umschlingung längs des Rohrs.
  • In der Folge werden die Montageschritte der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei diesen Realisierungsarten detaillierter beschrieben.
  • 1. Vorbereitung der Messbauteile
  • A. Realisierung der Bragggitter-Rosetten
  • Wie dargestellt in den 4A und 4B, wird ein Sensor verwendet, der als erstes Messsystem einen Verformungsmessteil 40 umfasst, gebildet durch eine (ein gleichseitiges Dreieck bildende) Wicklung aus einer Monomodefaser 41, in der durch bekannte Techniken (Phasenmaske und UV-Laser) in genau definierten Positionen Bragggitter 42, 43 und 44 photoinduziert worden sind. Diese Faser 41 wird als Wicklung durch Klebung festgehalten zwischen zwei Folien zum Beispiel aus Polyimid oder auch "Kapton".
  • Die am häufigsten benutzten Konfigurationen dieser Rosetten sind die "Delta"-Rosetten, gebildet durch drei Gitter 31, 32 und 33 oder 42, 43 und 44, um 120° (oder 60°) gegeneinander versetzt, wie dargestellt in den 3A und 4A, und die "rechteckigen" Rosetten weisen einen Winkel von 45° auf.
  • Die Teile der Faser 41, die die Bragggitter 42, 43 und 44 enthalten, sind nackt, um eine Faser-Struktur-Direktklebung zu ermöglichen (ohne "Kapton"-Grenzschicht).
  • Dieser Sensor umfasst als zweites Messsystem einen Temperaturmessteil 45, der ein Gitter 46 umfasst, das auf ein Metallplättchen 47 geklebt ist, zum Beispiel aus dem gleichen Stahl wie das Rohr (zum Beispiel X52-Stähle mit einem Wärmedehnungskoeffizient K ~ 11·10–6K–1).
  • Das Metallplättchen 47 wird in thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Rohrs 50 gehalten, um zu garantieren, dass der Temperaturmessteil 45 dieselbe Temperatur hat wie der Verformungsmessteil 40. Ein Autokompensierungsverfahren ermöglicht, den durch die Temperatur in dem Sensor selbst induzierten Effekt zu unterdrücken.
  • Um ein Abreißen der Faser 41 durch Scherung zu vermeiden, sind die Eingänge/Ausgänge von dieser dank über sie geschobene und in dem Sensor versiegelte Kunststoffröhrchen 51 (Durchmesser ungefähr 900 pm) geschützt.
  • Die Referenzen 52, 53 und 54 bezeichnen jeweils einen Schutzdeckel 52, die Achse des Rohrs 50 und das optische Übertragungskabel 54.
  • B. Realisierung einer vormontierten Einheit aus Gehäuse und Verbindungen (bei der ersten Realisierungsart)
  • Die röhrenförmigen Verbindungen (zum Beispiel aus Inox-Stahl mit einem Durchmesser von 5 bis 6 mm) werden zugeschnitten auf bestimmte Längen, abhängig von dem Durchmesser des Rohrs 60. Für ein Rohr des Durchmessers 30 cm (12'') beträgt die Länge einer Verbindung ungefähr 10 cm. Jede Verbindung wird zwischen zwei Gehäusen so verschweißt, dass das Ganze mechanisch steif ist.
  • Im Unterschied zu den Gehäusen B1 und B3 hat das Hauptgehäuse B2 die zusätzliche Funktion, die Belastungsaufnahme des Übertragungskabels 61 zu gewährleisten. Dazu umfasst es einen Sockel 63, der für den Verbindungsanschluss des optischen Übertragungskabels 61 bestimmt ist, wie dargestellt in den 5A und 5B.
  • Um die Korrosion der Stähle (Kabel, Verbinder, Gehäuse) zu vermeiden, ist für alle metallischen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Schutz mittels selbstverzehrender Elektrode (zum Beispiel aus Zink) vorgesehen.
  • C. Vorbereitung des optischen Übertragungskabels
  • Das optische Übertragungskabel 61 wird durch ein Rohr aus nicht oxidierbarem Stahl 64 (typischer Durchmesser gleich ungefähr 2,8 mm), das mit Gel gefüllt ist und ein Dutzend optischer Monofasern 65 enthalten kann, sowie einer Armierung aus galvanisierten Stahldrähten 67 (typischer Durchmesser gleich ungefähr 1 mm) gebildet, die durch Kunststoffhüllen voneinander getrennt sind.
  • Bei der ersten Realisierungsart kann das Kabel 61 mit dem mittleren Gehäuse B2 durch eine Montage wie dargestellt in den 5A und 5B verbunden werden, die für den Fachmann klassisch ist.
  • Die Fasern lässt man zunächst einmal über eine Länge von ungefähr 50 cm aus diesem Kabel austreten, sie in Röhrchen 64 stecken und optische Schweißoperationen durchführen zu können (wobei die Fasern bei der zweiten Realisierungsart dann in Polymerführungen gesteckt werden).
  • Die zur Armierung dienenden Stahldrähte 67 werden dann entfaltet und mittels einer entsprechenden Einrichtung mechanisch kegelförmig eingespannt, um die Belastungsaufnahme zu gewährleisten. Die Hülle 66 des optischen Kabels 61 wird anschließend mechanisch eingespannt, so dass das Kabel nicht mehr gleiten kann.
  • Anschließend wird ein Polymer auf das Kabel 61 geklebt, um es mit dem Ende dieser Spanneinrichtung zu verbinden, um eine Verbindung zu bilden, die die mechanische Ermüdung des Kabels begrenzt, indem es dieses daran hindert, während der Verlegungsoperationen auf Biegung zu arbeiten.
  • Bei der zweiten Realisierungsart erfolgt die Verbindung zwischen den Sensoren durch ein in den Schutzüberzug der Sensoren eingeschlossenes Übertragungskabel. Dieses Kabel verbindet alle Sensoren eines instrumentierten Teilstücks. Die Belastungsaufnahme und die Dichtheit dieses Kabels wird durch ein Verzweigungsgehäuse gewährleistet, dass sich im Oberteil des instrumentierten Teilstücks befindet. Dieses Verzweigungsgehäuse kann auch dazu dienen, längs der verschiedenen instrumentierten Teilstücke die optischen Fasern des Hauptkabels neu auf die Übertragungskabel zu verteilen. Die Belastungsaufnahme des Hauptkabels erfolgt durch Umschlingung längs des Rohrs. Wie dargestellt in den 6A und 6B erfolgt die Belastungsaufnahme eines Übertragungskabels 70 durch Festkleben dieses letzteren in dem Überzug 73 des Sensors 71 auf der Oberfläche des Rohrs 72. In der 6B sind auch ein Faserschutz 74 und eine Spleißung 75 dargestellt.
  • 2. Anpassung dieser Bauteile an das Rohr
  • Wenn das Rohr schon wärmegedämmt ist, muss die Wärmedämmung lokal an den drei zu instrumentierenden Stellen sowie an den Schweißnahtpassagen entfernt werden. Diese Operation kann durch Drehen über eine Länge von ungefähr 1 bis 2 m erfolgen, oder durch lokales Fräsen erfolgen, um nur die nützlichen Zonen freizumachen. Die so frei gemachte Metalloberfläche wird anschließend vorteilhafterweise geschliffen, um jeden Fehler und jede Oberflächenoxidation zu eliminieren.
  • Bei der ersten Realisierungsart wird die vormontierte Einheit aus drei Gehäusen und den röhrenförmigen Verbindungen auf den freigemachten Zonen angeordnet und die drei Gehäuse werden durch Punktschweißung auf dem Rohr befestigt, um die mechanische Stabilität der Einheit zu gewährleisten und die Belastungsaufnahme des Übertragungskabels zu ermöglichen, wie dargestellt in den 5A und 5B. Das Hauptgehäuse hat eine typische Dicke von ungefähr 40 mm. Die Steifigkeit der befestigten Gehäuse ist vernachlässigbar gegenüber der Steifigkeit des Rohrs. Das thermodynamische Verhalten dieses Rohrs verändert sich also durch die Befestigung dieser Einheiten nicht.
  • Bei der zweiten Realisierungsart werden die Gehäuse auf das Rohr geklebt, ebenso wie die Übertragungsfasern, die durch Polymerröhrchen geschützt werden. Die Übertragungsfaser und die Sensoren sind ganz in einen Schutzüberzug eingebettet. Das Übertragungskabel ist mit einem Verzweigungsgehäuse verbunden, das die Verbindung dieses Kabels mit dem optischen Hauptkabel ermöglicht. Das optische Hauptkabel wird auf dem Rohr durch Umschlingung festgehalten, um die notwendige Belastungsaufnahme zu gewährleisten.
  • 3. Montage des instrumentierten Rohrs
  • Das Übertragungskabel wird zunächst an das Hauptgehäuse angeschlossen, wie dargestellt in den 5A und 5B. Anschließend werden die Fasern in Richtung ihrer verschiedenen Plätze bzw. Stellen verteilt. Die Rosetten werden dann an den Fasern festgeschweißt und der Faserüberschuss (sowie die Schweißschutzhülse) wird aufgewickelt und bei der ersten Realisierungsart in das Innere der Gehäuse geklebt oder bei der zweiten Realisierungsart in den Überzug eingebettet. Die Rosetten können auf der Oberfläche des Rohrs mit einem Epoxidkleber festgeklebt werden, wobei man einen Heizgürtel mit einer hohen Wärmeleistung (typisch 100 kW/m2) benutzt. Ein gerillter Deckel 52, der die Faser ein- und austreten lässt, wird auf die Oberfläche des Rohrs geklebt oder geschweißt, wobei er das Stahlplättchen 47 der 4 überdeckt. Ein Auffüllpolymer, vorzugsweise aus Silikon, wird ins Innere 48 dieses Deckels gespritzt.
  • Das Silikon hat den doppelten Vorteil, hohen Temperaturen auszuhalten (über 150°C) und die Vibrationen zu absorbieren, ohne die mechanischen Kräfte zu übertragen, die auf es einwirken.
  • Das Stahlplättchen 47, das das Temperaturgitter trägt, wird auf diese Weise festgehalten und kann sich trotzdem ausdehnen.
  • Der metallische Schutz des Temperatursensors ist dann in einem Klebstoff des Expoxidtyps enthalten (zum Beispiel Inox-verstärkt), um eine Druckdichtheit zu garantieren.
  • Bei der ersten Realisierungsart werden die Innenseiten der Gehäuse dann mit einem steifen Verkleidungspolymer (zum Beispiel Inox-verstärktem Expidharz) gefüllt. Der obere Teil dieser Gehäuse wird mit diesem Polymer überzogen, um die Dichtheit jedes Gehäuses insgesamt sowie die Innendichtheit mit den Anschlüssen und dem Kabel zu realisieren. Die optischen Teile sind also nicht empfindlich gegenüber dem hydrostatischen Außendruck bzw. sind dem hydrostatischen Außendruck also nicht ausgesetzt, sondern nur der Temperatur und den Verformungen. Die Wärmedämmung wird anschließend von oben wieder in die Gehäuse und die Anschlüsse hineingespritzt, um den thermischen Schutz wiederherzustellen.
  • Bei der zweiten Realisierungsart bedeckt der Überzug bzw. die Verkleidung den Sensor und das optische Übertragungskabel. Die Wärmedämmung wird anschließend wieder auf diesen Überzug gespritzt. Der optische Verformungsmessteil ist dann empfindlich für Verformungen des Rohrs und den hydrostatischen Außendruck.
  • 4. Eichung
  • Die optoelektronischen Erfassungssysteme, die ermöglichen, die Bragg-Wellenlängen der optischen Bragggittersensoren zu messen, sind bekannt.
  • Zum Beispiel benutzt ein erstes System eine optische Breitspektrumquelle, die alle in der Messlinie bzw. -leitung vorhandenen Bragggitter erleuchtet, und ein abgleichbarer interferometrischer Resonator (Fabry-Perot), das ermöglicht, ihre jeweiligen Spektren zu messen. Die Wellenlängenkalibrierung erhält man dank (mechanisch und temperaturbezogen) stabilisierter Referenzgitter, was ermöglicht, eine absolute Wellenlängenmessung zu realisieren.
  • Ein zweites System benutzt ebenfalls eine optische Breitspektrumsquelle, aber mit einem linearen Filter als Wellenlängen-Diskriminierungselement. Das Messen des Übertragungsverhältnisses durch diesen kalibrierten Spektralfilter liefert die gesuchte Wellenlängeninformation.
  • Diese Systeme haben eine Ansprechzeit, die kompatibel ist mit der Detektion einer Druckfront (unter 0,1 s) in dem Rohr, um Fluiddurchsatzmessungen zu ermöglichen.
  • Es kann ein Funktionstest des instrumentierten Rohrs durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die optischen Teile operationell sind (Verbindungsbilanz), und um das Verhalten des Rohrs in Abhängigkeit von der Belastung zu kalibrieren. Man muss das instrumentierte Teilstück des Rohrs in einer mechanischen Versuchsvorrichtung, wie beschrieben in dem Referenzdokument [4], anordnen. Diese Vorrichtung ermöglicht, eine Belastungskraft (die eine axiale Verformung erzeugt) und Biegekräfte auszuüben. Das Messen der Biegungsorientierung kann getestet werden, indem man das in verschiedenen Winkelstellungen, bezogen auf das Messgestell, positioniert.
  • Wenn die verschiedenen Montageschritte der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt worden sind, kann man die Messungen durchführen und die Resultate auswerten wie folgt.
  • 1. Messung der hauptsächlichen Verformungen
  • Jedes Rohr hat wenigstens drei Messstellen, von denen jede einen rosettenartigen Sensor mit drei oder vier Messeinrichtungen umfasst (drei Verformungsmesseinrichtungen und eventuell eine Temperaturmesseinrichtung).
  • Ein Verfahren zur Messung der Hauptverformungen aufgrund der durch jede der eine Rosette bildenden Messeinrichtungen gemessenen Verformungen wird in dem Referenzdokument [3] beschrieben.
  • Eine erste Messeinrichtung kann approximativ entsprechend der Achse des Rohrs festgeklebt werden. In der industriellen Situation werden die Klebebedingungen selten gut kontrolliert. Oft kommt es zu einem kleinen Positionierungsfehler, insbesondere aufgrund des Gleitens während des Klebens bei hoher Temperatur (wenn der Epoxidklebstoff sehr flüssig ist). Es besteht dann generell ein gewisser Winkel zwischen der Achse z des Rohrs und der endgültigen Position des Sensors nach der Klebung. Dieser Winkel zwischen der Hauptrichtung gemäß der Achse des Rohrs und dieser ersten Messeinrichtung sei α.
  • Die Hauptverformungen werden – unabhängig von diesem Winkel α – bestimmt, indem man das folgende Gleichungssystem auflöst:
    Figure 00170001
  • Die Parameter d und r, jeweils "sphärischer Teil" und "Deviator" genannt, sind in der nachfolgenden Tabelle für die beiden häufigsten Rosettenkonfigurationen (45° und 120°) angegeben. Diese Messstellen liefern drei Verformungen εa, εb, εc. Für jede Messstelle leitet man daraus εt und εz ab. In der Folge bezeichnet man die drei axialen Verformungskomponenten mit ε1 = εz1, ε2 = εz2 und ε3 = εz3.
    Figure 00170002
  • 2. Berechnung des statischen Fluiddrucks und der Axialverformung aufgrund der Hauptverformungen der verschiedenen Sensoren
  • Die in der Erdölförderung verwendeten Rohre sind durch ein kleines Dicke-zu-Radius-Verhältnis mit einem typischen Minimalwert von 1/20 gekennzeichnet. Die Axialbelastung oder die Durchbiegung drückt sich prinzipiell durch eine axiale Verformung aus, begleitet von einer transversalen Verformung (Poisson-Gesetz). Ebenso verursachen die Innen- und Außendruckveränderungen prinzipiell eine transversale Verformung, begleitet von einer axialen Verformung.
  • Pf sei der Innendruck des Fluids. Der Druckunterschied zwischen der Innen- und der Außenseite des an seinen beiden Enden eingespannten Rohrs wird P = Pf – Pe geschrieben. Die transversale Verformung des Rohrs, erzeugt durch diesen Druckunterschied P, schreibt sich dann:
    Figure 00180001
    wo R der mittlere Radius des Rohrs ist und t seine Dicke,
    wo E der Young-Modul des Stahls des Rohrs ist (ungefähr 193 GPa) und ν sein Poission-Koeffizient (ν ~ 0,29), wobei dieses Gesetz unverbindlich angegeben wird.
  • In der Praxis wird eine Druckeichung realisiert, um den experimentellen Wert des Koeffizienten K zu bestimmen, dem man Rechnung tragen muss.
  • Im Folgenden wird die erste Realisierungsart betrachtet. Um die Berechnung der thermischen Autokompensation zu vereinfachen, werden die Hauptverformungen εt und εz konvertiert in Wellenlängenverschiebungen Δλt und Δλz gemäß Δλt = (1 – pe)·εt·λt und Δλz = (1 – pe)·εz·λz. Diese Verschiebungen sind keine physikalische Realität, sondern dienen nur als Rechenbasis. Das thermomechanische Verhalten eines an seinen beiden Enden eingespannten Rohrs von kleiner Dicke, das gleichzeitig einer Durckdifferenz (innen-außen) P, einer Axialverformung ε und einer auf eine Referenztemperatur bezogenen Temperaturveränderung ΔT ausgesetzt ist, drückt sich durch folgendes Gleichungssystem aus:
    Figure 00180002
    in das man den zweiten Parameter einfügt:
    Figure 00190001
  • Eine zusätzliche Messung der Temperatur erhält man durch das auf einen Stahlträger geklebte Temperaturmessgitter (thermischer Autokompensationsmodus). Die Wellenlänge dieses Gitters entwickelt sich entsprechend der Relation: ΔλT = λT·[(1 – pe)·α + ξ]·ΔT (5)wo pe der photoelastische Koeffizient des Siliciumdioxids ist 0,(22), α der Wärmedehnungskoeffizient des Stahls ist (11·10–6/°C für den Stahl X52) und ξ der thermooptische Koeffizient des Siliciumdioxids ist (ungefähr 7·10–6/°C). Eine solche Realisierung hat den Vorteil einer höheren Temperaturempfindlichkeit als ein freies (nichtgeklebtes) Bragggitter, was die Genauigkeit der Temperaturmessung in Bezug auf die Korrekturmethode erhöht.
  • Die Gleichung (3) zeigt, dass der Druck und die Verformung durch ein Matrix-System (der Matrix M) mit den gemessenen Wellenlängen verknüpft sind, gemäß dem Gesetz:
    Figure 00190002
  • Die Bestimmung der Parameter P und ε erfordert also die Umkehrung der Relation (6).
  • Im Falle der thermischen Autokompensation wird die Wellenlänge des Temperaturmessgitters als neue Spektralreferenz genommen, wobei die Temperaturmessung selbst Referenzen in Bezug auf ein thermalisiertes Referenzgitter aufweist, das sich in der an der Oberfläche befindliche Erfassungseinheit befindet. In der Praxis sind die Terme λt/λT und λz/λT generell annähernd 1 (bis auf ± 2%). Man bekommt dann folgende Variablenänderung:
    Figure 00190003
  • Die Umkehrung dieser 2×2-Matrix liefert folgende experimentelle Kalibrierungsmatrix Ci:
    Figure 00200001
  • Für die die Koeffizienten geliefert werden
    Figure 00200002
  • Jedes Gehäuse ist gekennzeichnet durch seine Kalibrierungsmatrix. Die Auflösung dieser Systeme ermöglicht, die Druck- und Temperaturdifferenzwerte des Fluids zu erhalten, sowie die axialen Verformungen ε1, ε2 und ε3, unabhängig von der Orientierung der Sensoren auf dem Rohr. Da die Wassertiefe h bekannt ist, leitet sich davon der Außendruck durch die Relation Pe (bar) ~ 0,1·h (m) her. Der Innendruck des Fluids Pf wird dann gemäß der Relation Pf = P + Pe abgeleitet.
  • Bei der zweiten Realisierungsart sind die Sensoren für die Verformungen, die durch die Innen-außen-Druckdifferenz verursacht werden, aber auch für den hydrostatischen Außendruck empfindlich. Ihr Verhalten kann dann durch eine Matrix-Relation wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00200003
  • Diese Relation führt die gleiche Matrix wie die Relation (6) ein, wobei die Wirkung des hydrostatischen Drucks auf die beiden Messkomponenten λt und λz identisch ist. Bei dieser zweiten Realisierungsart ist es also notwendig, den hydrostatischen Außendruck zu kennen, entweder indem man die Wassertiefe kennt oder dank eines zusätzlichen Drucksensors, um seine Wirkung auf die Messung der Parameter P und ε abzuziehen. Die Auflösung des Systems erfolgt ebenfalls gemäß der Relation (8):
    Die Kalibrierungsmatrix Ci ist als Beispiel für eine Einbaukonfiguration des Rohrs angegeben (Grenzbedingungen). In Wirklichkeit findet die Eichung nach der Installation des Rohrs mit etwas anderen Parametern statt.
  • 3. Berechnung der Belastung und der Durchbiegung
  • Das Messen der drei axialen Verformungen ε1, ε2 und ε3 ermöglicht, den Verformungsbeitrag ε, verursacht durch die Belastung, von der Biegung des Rohrs zu trennen. Diese Biegung ist gekennzeichnet durch einen Krümmungsradius ρ und durch ihre Winkelausrichtung ψ in Bezug auf das Zentralgehäuse. Man geht zum Beispiel von einer 60°-Verteilung der Gehäuse aus, wie dargestellt in der 2. die drei Parameter ε, ρ und ψ sind durch folgendes Gleichungssystem verknüpft:
    Figure 00210001
    wo Φ der Außendurchmesser des Rohrs ist.
  • Dieses Gleichungssystem ist dem der "Delta"-Rosetten ähnlich, mit drei Messeinrichtungen zur Analyse von Verformungen bei flachen Strukturen.
  • Diese Systeme mit drei Gleichungen ermöglichen, die drei Unekannten (ε, ρ und ψ) zu bestimmen. Die axiale Verformung schreibt sich: ε = ε2 + ε3 – ε1 (12)
  • Der Winkel ψ kann bestimmt werden durch die Relation:
    Figure 00210002
  • Wenn man ψ und ε kennt, kann man den lokalen Krümmungsradius ρ dank der ersten Gleichung des Systems (11) ableiten, indem man folgende bekannte trigonometrische Funktion anwendet:
    Figure 00220001
  • Wenn man die Belastungsverformung ε kennt, kann man die Belastungsbedingung des Rohrs nach der Hooke-Relation ableiten, angewandt auf den lokalen Querschnitt des Rohrs:
    Figure 00220002
  • Für ein Stahlrohr mit 300 mm Durchmesser und 19 mm Dicke beträgt die Relation zwischen der Kraft F und der Verformung ungefähr 177 kg/Mikroverformung.
  • 4. Bestimmung des Durchsatzes mittels Detektion des Druckprofils
  • Im Gegensatz zu einer statischen Druckmessung erfordert eine Messung der Druckveränderungen weder eine thermische Kompensation noch eine Kompensation der Belastungswirkung (Umkehrung der Kalibrierungsmatrix Ci). Die Temperatur und die Axialbelastung entwickeln sich nämlich aufgrund der Trägheit der Struktur langsam, so dass die Messung der Überdrücke sich direkt auswirken kann, indem man vorzugsweise die transversal festgeklebten Messeinrichtungen betrachtet (bei denen die Druckempfindlichkeitskoeffizienten die höchsten sind).
  • Die Verteilung der auf verschiedene Positionen längs der Achse des Rohrs ermöglicht, einen "optischen Durchflussmesser" zu realisieren, der die Autokorrelation ("cross-correlation") der zeitabhängigen Druckveränderungsmessungen nutzt, wie beschrieben in dem Referenzdokument [5]. Dieses Dokument beschreibt nämlich das Prinzip einer Durchflussmessung mittels Autokorrelation, indem man wenigstens drei Drucksensoren P1, P2 und P3 in verschiedenen Abszissen längs eines Rohrs platziert und indem man die Entwicklung der Druckunterschiede P1-P2 und P2-P3 in Abhängigkeit von der Zeit beobachtet. Man berechnet dann die Autokorrelationsfunktion zwischen diesen beiden Druckunterschieden (in einem typischen Zeitfenster von 2 Sekunden), um davon die Ausbreitungsdauer des Wirbel- bzw. Hohlwirbel-Überdrucks im Innern des Fluids abzuleiten. Die derart realisierte Autokorrelation ermöglicht, sich freizumachen von den Schalldruckstörungen mit größeren Wellenlängen als dem Intervall zwischen Gehäusen (räumlicher Filtereffekt). Wenn man den mittleren Abstand zwischen den beiden Drucknahmestellen kennt, kann man davon den Fluiddurchsatz auf nicht-intrusive Weise ableiten (ohne den Venturi-Effekt erzeugen zu müssen).
  • REFERENZEN
    • [1] US 5,218,197
    • [2] "Developement of an optical monitoring system for flexible risers" von M. Andersen, A. Berg und S. Saevik (Offshore Technology Conference (OTC), 13201, Houston (TX), 30. April – 3. Mai 2001)
    • [3] US 5,726,744
    • [4] "Intelligent pipelines using fiber optics sensors" von RC. Tennyson, W. D. Morison, und G. Manuelpillai (SPIE, Smart structures and materials, San Diego, 2.–6. März 2003, Band 5050, Seiten 295–304)
    • [5] US 6,536,291

Claims (22)

  1. Instrumentierte röhrenförmige Vorrichtung zum Transport eines unter Druck stehenden Fluids, die ein von diesem Fluid durchflossenes Rohr (20) umfasst, dem Messeinrichtungen der hauptsächlichen Verformungen dieses Rohrs und Messeinrichtungen der Temperatur des Fluids in diesem Rohr zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Rohr mit diesen Messeinrichtungen ausgerüstet ist, die auf seiner Oberfläche befestigt sind und durch wenigstens ein optisches Übertragungskabel (23) in Richtung eines optoelektronischen Messsystems übertragen werden, dadurch dass diese Messeinrichtungen wenigstens drei Einheiten (B1, B2 und B3) von wenigstens zwei optischen Bragg-Gitter-Messeinrichtungen umfassen, in nichtparallelen Richtungen angeordnet, wobei diese wenigstens drei Einheiten an wenigstens drei Messstellen (22) befestigt sind, die längs der Achse des Rohrs auf verschiedene Positionen verteilt und entsprechend mehreren Achsen seines Querschnitts ausgerichtet sind, wobei diese Einheiten (B1, B2, B3) durch optische Faserteilstücke miteinander verbunden sind (24) und mit dem optischen Übertragkabel (23) verbunden sind, und dadurch, dass wenigstens eine Einheit außerdem eine Temperaturmesseinrichtung umfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtungen auf einem Träger vormontiert sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtungen direkt an dem Übertragungskabel (23) befestigt sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Messeinrichtungen so montiert sind, dass sie eine Rosette bilden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der jede Rosette einen flexiblen zweidimensionalen Sensor bildet.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der jede Einheit drei Verformungsmesseinrichtungen des Rohrs umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der jeder Sensor einen Verformungsmessteil (40) und einen Temperaturmessteil (45) umfasst.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Verformungsmessteil (40) durch eine optische Monomodefaser (41) mit photoinduzierten Bragg-Gittern (42, 43 und 44) gebildet wird, die schleifenförmig zwischen zwei Folien verläuft und an ihnen festgeklebt ist, wobei die Fasereingänge/-ausgänge durch Kapillaren (51) geschützt sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Teile der Faser, die Bragg-Gitter (42, 43 und 44) aufweisen, unbedeckt sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Temperaturmessteil (45) ein Bragg-Gitter (46) umfasst, das auf ein Metallplättchen (47) geklebt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der das Metallplättchen von derselben Art wie das Metall des Rohrs ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 5, die wenigstens drei Messgehäuse (B1, B2, B3) umfasst, in denen sich jeweils drei Sensoren befinden, von dem hydrostatischen Außendruck isoliert und durch röhrenförmige Verbindungsstücke (24) miteinander verbunden.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das zentrale Gehäuse (B2) durch ein optisches Übertragungskabel (23) mit der Messinstrumentierung verbunden ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Gehäuse und die Verbindungsstücke miteinander verschweißt sind, um eine steife Einheit zu bilden.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Übertragungskabel (61) ein mit Gel gefülltes und mehrere optische Monomodefasern (65) enthaltendes nichtoxidierbares Stahlrohr (64) und eine Bewehrung aus Stahldrähten (67) umfasst, die durch Kunststoffhüllen getrennt sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das zentrale Gehäuse (B2) einen Sockel (63) umfasst, der dazu dient, das optische Übertragungskabel anzuschließen.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 5, die insgesamt wenigstens drei mit einer Schutzverkleidung (73) versehene Sensoren (71) umfasst.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Verkleidung (73) eine Polymerverkleidung mit einer zwischen 3 und 4 cm enthaltenen Dicke ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der ein Abzweiggehäuse die Verbindung zwischen den Sensoren jeder Einheit und einem optischen Hauptkabel realisiert, das mit der Messinstrumentierung verbunden ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Kraftaufnahme im Hauptkabel durch Umschnürung des Rohrs mit diesem Kabel erfolgt.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der das Übertragungskabel in die Schutzverkleidung eingeschlossen ist.
  22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das transportierte Fluid ein Gas oder ein Kohlenwasserstoff bzw. Mineralöl ist.
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