使用光纖的滲漏檢測裝置的製作方法

2024-03-19 22:04:05 2

專利名稱：使用光纖的滲漏檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及滲漏檢測，特別是，檢測軟管中的流體滲漏。
背景技術：
水下軟管，例如輸油軟管，將經歷一般的磨損、撕裂、老化以及可能受到其它形式的損壞。這可能導致軟管破裂，引起軟管內物體滲出，或從軟管外面滲入水分。通常，水下軟管包括內部編織層(inner carcass)和外部編織層(outer carcass),兩者都可能在軟管的任一點破裂。外部編織層破損將導致水分滲入，而內部編織層破損將引起流體的滲出。 檢測裝置通常放置在軟管節的終端，一旦有油料從滲漏處到達軟管節的終端就可以檢測到滲漏。很明顯，儘快檢測到滲漏並檢測出滲漏的位置和類型是十分有益的。

發明內容
因此，本發明提供滲漏檢測裝置，其包括設置成用於檢測通過軟管編織層的流體滲漏的光纖傳感器，其中所述傳感器設置成用於檢測沿軟管節的滲漏位置。光纖傳感器可以布置於內部軟管編織層和外部軟管編織層之間，且可以沿軟管長度延伸。優選地，傳感器沿軟管長度為螺旋形。這會最大化滲漏檢測裝置的覆蓋率。沿軟管節長度的連續感應允許小型滲漏在壓力增加到足夠水平以使流體到軟管節終端之前被儘快檢測到。該裝置可以進一步包括設置成用於發射光脈衝到光纖中的發射器；和檢測器， 其設置成用於檢測反射信號並根據該反射信號隨時間推移的強度變化來檢測滲漏位置。光學檢測系統的利用意味著傳感器沒有任何部份具有可能接觸到油料的電流。每個軟管節內部也不需要電源，該電源是潛在的破壞機構和安全隱患。光纖傳感器可以包括光纖以及流體敏感材料，該流體敏感材料一經與特定流體接觸就會經歷體積變化。該流體敏感材料的體積變化可以引起光纖微彎曲。優選地，光纖傳感器包括包覆有流體敏感材料的傳感器芯部，和可以固定到被包覆住的傳感器芯部上的光纖。優選地,光纖是通過線,例如凱夫拉爾線(kevlar thread),固定到流體敏感材料上。該材料的體積變化可以使光纖反抗線，並且可以引起光纖微彎曲。光纖的微彎曲通過衰減導致光損失，降低了膨脹點反向散射光的強度。流體敏感材料可以一經與烴類接觸而膨脹，並且可以包括矽聚合物(silicone polymer) 0替代地，流體敏感材料可以一經與水接觸而膨脹，並且可以包括水凝膠 (hydrogel)材料。優選地，滲漏檢測裝置包括至少兩種設置成用於檢測不同流體的滲漏的光纖傳感器。
傳感器可以放在保護套中。優選地，保護套是能滲透的，以允許流體通過內部軟管編織層或者外部軟管編織層滲漏後接觸到傳感器。保護套可以固定在軟管節的終端，並且可以設置成隨該軟管節的膨脹而膨脹和隨軟管節的收縮而收縮。優選地，傳感器可以在多孔保護套內部自由地移動。傳感器的長度可以延伸超過保護套的長度以適應軟管節的膨脹和收縮。檢測裝置可以進一步包括水密殼體，該水密殼體位於軟管節的終端，並可以設置成用於容納傳感器的附加長度。軟管終端的光纖傳感器的富餘長度為軟管的膨脹和收縮留有餘地。由於傳感器可以在保護套內部自由地移動，如果軟管膨脹傳感器線纜的附加長度就可以從水密殼體進入保護套內。相似地，如果軟管收縮傳感器線纜的富餘長度就可以容納於水密殼體內。檢測裝置可以進一步包括光學跨接線纜(optical jumper cable)，該光學跨接線纜設置成延伸於軟管節的光纖傳感器和與其連接的第二軟管節的光纖傳感器之間，以提供連續光信號。光學穿板式接頭(optical bulkhead adaptor)可以設置成用於提供光纖傳感器和光學跨接線纜之間的防水連接，並且可以貫穿水密殼體的壁面。優選地，光學穿板式連接器(optical bulkhead connector)連接光纖到光學穿板式接頭上,並且跨接線纜連接器連接光學跨接線纜到光學穿板式接頭上。光學跨接線纜可以在軟管外面延伸並且可以被保護性線纜護套保護住。由於光學跨接線纜位於軟管外面且只在各個軟管的水密殼體終端之間延伸，所以如果被外力損壞也能夠被輕易地替換或修理。該裝置可以進一步包括設置成用於圖像式地顯示檢測到的信號的顯示器。顯示器可以進一步設置成用於顯示參考軌跡，檢測到的信號可以跟它做比較。因此可以檢測到信號的意外變化，且用於確定滲漏位置。本發明的第一方面公開了一種滲漏檢測裝置，包括設置成用於檢測通過軟管編織層的流體滲漏的光纖傳感器，其中，所述傳感器設置成用於檢測沿軟管節的滲漏位置。滲漏檢測裝置進一步包括設置成用於發射光脈衝到光纖中的發射器；和設置成用於檢測反射信號並記錄該反射信號隨時間推移的強度變化的檢測器。所述光纖傳感器設置於內部軟管編織層和外部軟管編織層之間。所述光纖傳感器沿軟管長度延伸。所述傳感器沿所述軟管長度為螺旋形。所述傳感器進一步包括流體敏感材料,該材料一經與特定流體接觸會經歷體積變化。所述流體敏感材料的體積變化設置成用於引起所述光纖的彎曲。其中，所述光纖傳感器包括傳感器芯部，該傳感器芯部包括所述流體敏感材料，且其中所述光纖被固定在傳感器芯部上。所述光纖被線固定在所述流體敏感材料上，且其中所述材料的體積變化使所述光纖反抗所述線，引起所述光纖的微彎曲。所述流體敏感材料一經與烴類接觸會膨脹。所述流體敏感材料是矽聚合物。所述流體敏感材料一經與水接觸會膨脹。
所述流體敏感材料是水凝膠。滲漏檢測裝置包括設置成用於檢測不同流體的滲漏的兩種光纖傳感器。所述傳感器放在保護套中。所述保護套的終端被固定在所述軟管節的終端。所述保護套設置成隨所述軟管節的膨脹而膨脹。所述保護套設置成隨所述軟管節的收縮而收縮。所述傳感器在所述保護套中能自由地移動，且其中所述傳感器的長度延伸超過所述保護套的終端以適應軟管節長度的任意變化。滲漏檢測裝置進一步包括水密殼體，其位於所述軟管節的終端。所述光纖傳感器的終端容納於所述水密殼體內。所述水密殼體容納光纖傳感器的附加長度，該長度設置成用於適應軟管節長度的任意變化。滲漏檢測裝置進一步包括光學跨接線纜，該線纜設置成用於延伸於所述軟管節的光纖傳感器和與其連接的第二軟管節的光纖傳感器之間，以提供光連續性。滲漏檢測裝置進一步包括光學穿板式接頭，該光學穿板式接頭設置成用於提供所述光纖傳感器和所述光學跨接線纜之間的防水連接。所述光學穿板式接頭貫穿所述水密殼體的壁面。滲漏檢測裝置進一步包括光學穿板式連接器，其設置成用於連接所述光纖到所述光學穿板式接頭上；和跨接線纜連接器，其設置成用於連接所述光學跨接線纜到所述光學穿板式接頭上。所述光學跨接線纜被保護性線纜護套保護著。滲漏檢測裝置進一步包括設置成用於圖像式地顯示檢測到的信號的顯示器。所述顯示器進一步設置成用於顯示參考軌跡。本發明的第二方面公開了一段軟管，包括光纖傳感器，該光纖傳感器沿所述軟管延伸並設置成用於檢測通過軟管編織層的流體的滲漏位置。所述光纖傳感器沿所述軟管的長度延伸，並設於內部軟管編織層和外部軟管編織層之間。所述光纖傳感器包括光纖和流體敏感材料，該流體敏感材料一經與特定流體接觸會經歷體積變化。所述光纖固定在所述流體敏感材料上，藉此，所述材料的體積變化引起所述光纖的彎曲。本發明的第三方面公開了一種檢測軟管中流體滲漏的方法，包括沿光纖傳感器發射光信號，檢測反射信號並且監視所述反射信號的強度隨時間推移的變化。本發明還公開了一種滲漏檢測裝置，大致如任意一個或多個附圖所描述；一段軟管，大致如任意一個或多個附圖所描述；以及一種檢測軟管中流體滲漏的方法，大致如任意一個或多個附圖所描述。


現在將只參考附圖的例子來描述本發明的優選實施例，其中
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圖1根據本發明的一個實施例示意性地表示兩個連接的軟管節和滲漏檢測裝置；圖2示意性地表示用於圖1裝置中的光纖傳感器；圖3表示圖2中光纖傳感器的剖面圖；圖4示意性地表示圖1中軟管終端連接的剖面圖；圖5是表示滲漏檢測的實例軌跡的圖形。
具體實施例方式參考圖1，用於輸油軟管的滲漏檢測系統包括連接到光纖傳感器h、2b的光時域 反射儀單元(Optical Time Domain Reflectometry) 1，所述光纖傳感器以螺旋方式沿軟管 4在內部軟管編織層6和外部軟管編織層8之間延伸。參考圖2和3，傳感器2a、2b具有類似的構造，所以將只描述它們中的一個。傳感 器包括包覆有膨脹性材料5的傳感器芯部3，該膨脹性材料5 —經與烴類產品或者水接觸就 會膨脹。光纖7通過相對不能伸展的固定材料，在本例中為一種線如凱夫拉爾線(Kevlar thread)，固定到帶有包覆層的傳感器芯部3之上。傳感器安放在保護套14內部。在本實 施例中，滲漏檢測裝置系統包括兩個光纖傳感器加和2b，其中加用於檢測烴類產品的存 在，2b用於檢測水的存在。光時域反射儀1發射一系列非常短的高功率光脈衝到光纖7中。光沿光纖7長度 傳播時會被內部反射，少量光被散射回到在源頭處的檢測器。光時域反射儀1收集和處理 數據。如果在內部軟管編織層6或外部軟管編織層8內有滲漏，油料或水將進入兩層之間 的空間。油料或水穿過多孔保護套14並與光纖傳感器2接觸，引起傳感器2兩者之一的包 覆層5膨脹。由於膨脹性材料5的膨脹，它使光纖7反抗固定線9，引起光纖9微彎曲。這 些位置將不再滿足全內反射條件，從光纖9芯部逃逸的光進入外部包層。該光通過衰減而 消失，導致檢測到的反向散射的光損失增大。傳感器2a、2b各自以螺旋方式纏繞在內部軟管編織層6上，以最大化滲漏檢測覆 蓋率從而最小化滲漏被檢測到的時間。保護套14包裹著傳感器h、2b以保護它們不受損 害，但是允許滲漏的油料或水到達傳感器2。烴類傳感器加包括玻璃增強聚合物(glass reinforced polymer)傳感器芯部3， 該芯部3包覆有膨脹性材料5，例如熱固性的矽聚合物(heat cured silicone polymer), 其一經與諸如石油之類的普通烴類燃料接觸就會膨脹。材料5被擠壓或者浸塗到傳感器芯 部5上，並用作約為50微米和100微米的薄覆層。對於檢測重質燃料和油料，其它橡膠化 合物(rubber compounds)，例如丁基橡膠(Butyl rubber)和三元乙丙橡膠(EPDM)，可以替 換矽樹脂(silicone)。這些材料5—旦完全乾透，能夠重新用於檢測相同流體。設置成用於檢測水的存在的光纖傳感器2b包括傳感器芯部5，該芯部包覆有一經 與水接觸就會膨脹的水凝膠。一種適當的水凝膠實例是聚合物(環氧乙烷)_共聚物(環 氧丙烷)(PE0/PP0)嵌段共聚物聚氨酯脲(PUU) [poly(ethylene oxide)-copoly (propylene oxide) (PE0/PP0)block copo-lymer polyurethaneurea (PUU) ]。PEO 與 PPO 的比值改變該 材料的膨脹和物理性質。所以成分的比值被選為用於提供一經與水接觸的最大膨脹而同時 仍然維持最佳機械強度。一旦乾燥後水凝膠會回到未膨脹的狀態，於是能被重新使用。應了解的是任何其它呈現類似物理性質的適當的材料都可以用來檢測烴類或水。還可以通過使用任何適當的材料來檢測其它流體的存在，該材料能夠包覆在傳感器芯部5 上並且當與特定流體接觸會經歷可預測的體積變化。參考圖I和4，單個軟管節4能夠通過包括軟管終端件11的軟管接頭10連在一起以形成連續的軟管。在軟管終端件11的第一終端，內部軟管編織層6的終端被封在終端件 11的外緣。終端件11的第二端包括金屬法蘭盤16，該法蘭盤設置成螺栓連接到相鄰軟管終端件11的金屬法蘭盤上。容納光纖傳感器2a和2b的保護套14沿軟管節4的長度位於內部軟管編織層6 和外部軟管編織層8之間。光纖傳感器2a、2b的長度大於軟管節4的長度，因此傳感器的附加線圈伸出保護套14。使用中，軟管經歷拉伸和收縮，傳感器的這個附加長度就是設置成用於適應這種情況。保護套14由可伸長的材料製成，且其終端附著於軟管終端件11上並相對於它被固定住。所以保護套14跟隨軟管膨脹和收縮。保護套14包括螺旋纏繞的扁帶或線材，且由金屬、足夠硬的塑料材料或其它適當的材料製成。在鬆弛狀態時，螺旋線的各個線圈之間有間隙，用以為軟管收縮時保護套的緊縮留有餘地。傳感器2不能伸展，且在保護套14內可以自由移動。如果軟管節4膨脹，傳感器2的附加長度就被拉入保護套14中， 且足以沿軟管節4的長度延伸。如果軟管節4收縮，從而保護套14也收縮，傳感器2的富餘長度就會延伸超出保護套14的終端。對於每個軟管節4，光纖(即傳感器)的長度是恆定的，以便用從滲漏到光時域反射儀單元的距離表示滲漏位於哪個軟管節4中和沿該軟管節4的滲漏位置。水密殼體20附著於軟管終端件11上，並相對於它被固定住。殼體20的開口 22 連接於內部軟管編織層6和外部軟管編織層8之間，並通過外部軟管編織層8從外面密封住。保護套14延伸進入水密殼體20的開口 22內並相對於它被固定住。傳感器2a、2b富餘的線圈伸出保護套14的終端且容納於水密殼體20內。水密殼體20進一步包括防水光學穿板式接頭26，該接頭安裝於水密殼體20的終端壁面28上。光學穿板式連接器25設置在光纖傳感器2a、2b的終端，且設置成用於連接光纖傳感器到穿板式接頭26上。還設有光學跨接線纜12，其延伸於兩個相鄰軟管節4的光纖傳感器2a和2b之間。在每個光學跨接線纜12的終端設有跨接線纜連接器13，用於連接電纜12到相鄰軟管節4的光學穿板式接頭26上，以從軟管節到軟管節提供連續光信號。 光學跨接線纜12繞過軟管連接器10的外面，且被位於法蘭暴露區域上的堅固線纜護套18 保護著。如果外力損壞了跨接線纜12，連接器13能輕鬆地實現線纜的拆卸和替換。參考圖5，檢測到的反向散射光的能級可以顯示為強度對沿光纖的距離的圖形。光脈衝發射時間是已知的，對於脈衝發射後的一個給定時間反向散射光的能級被記錄下來。 在任一給定時間信號沿光纖7的行程為已知，因此反向散射光的強度可以顯示為沿光纖長度的距離的函數。任何正常的光纖都有光強的固有損耗，一般地光纖沿其整體長度表現出類似的損耗特性。因此對於正常光纖來說，反向散射光的強度作為沿光纖的距離的函數的圖形是線性遞減的。這在屏幕32上顯示為參考軌跡30。正如上述，軟管4中的滲漏34引起在沿光纖7的滲漏34的位置上光損失的增大。 因此導致反向散射光的能級從那個位置上的降低要大於期待值。檢測到的信號36顯示在屏幕32上且與參考軌跡30相比，以確定是否有滲漏發生。強度在相同位置上與參考軌跡 30的強度相比有意外下降的話，就表明在那個位置上有滲漏存在。因此可以檢測到沿軟管的滲漏位置。由於與每個軟管節相聯繫的光纖長度是恆定的，當軟管由多個軟管節組成時，傳感器如上述方式連在一起以沿基本上整個軟管長度形成單個傳感器，就可以確定檢測到的滲漏沿軟管的距離。由此，就可以識別發生滲漏的軟管節。還可以確定滲漏發生在軟管節的哪個位置上，其精度取決於光時域反射儀單元。為了避免監視顯示信號，採取差異軌跡(differential trace)來檢測參考軌跡 30和檢測到的信號36之間的差異。設置一個閾值，當兩個信號之間的任何差異超過該閾值時，就會啟動警報，使操作員警覺到可能存在滲漏。滲漏34的位置記錄為沿軟管長度的距離，或者顯示在所監視的軟管長度的示意圖上。應了解的是所述實施例的滲漏檢測裝置可以改造為用於檢測除烴類產品和水之外的其它流體的存在，並且可以將附加傳感器包括在檢測裝置內以便檢測超過兩種的不同流體。還應了解的是可以以多種不同的方式來警告操作員存在滲漏。例如，可以在檢測裝置的地點發出警報聲音，或者可以將信號發送給遠程設備(remote device) 0
權利要求
1.滲漏檢測裝置，包括包裹在保護護套中的光纖傳感器，所述光纖傳感器設置成用於檢測通過軟管編織層的流體滲漏，其中，所述傳感器設置成用於檢測沿軟管節的滲漏位置。
2.如權利要求I所述的裝置，其中，進一步包括設置成用於發射光脈衝到光纖中的發射器；和設置成用於檢測反射信號並記錄該反射信號隨時間推移的強度變化的檢測器。
3.如權利要求I或2所述的裝置，其中，所述光纖傳感器設置於內部軟管編織層和外部軟管編織層之間。
4.如權利要求I或2所述的裝置，其中，所述光纖傳感器沿軟管長度延伸。
5.如權利要求4所述的裝置，其中，所述傳感器沿所述軟管長度為螺旋形。
6.如權利要求1、2和5所述的裝置，其中，所述傳感器進一步包括流體敏感材料，該材料一經與特定流體接觸會經歷體積變化。
7.如權利要求6所述的裝置，其中，所述流體敏感材料的體積變化設置成用於引起所述光纖的彎曲。
8.如權利要求7所述的裝置，其中，所述光纖傳感器包括傳感器芯部，該傳感器芯部包括所述流體敏感材料，且其中所述光纖被固定在傳感器芯部上。
9.如權利要求8所述的裝置，其中，所述光纖被線固定在所述流體敏感材料上，且其中所述材料的體積變化使所述光纖反抗所述線，引起所述光纖的微彎曲。
10.如權利要求7到9中任一項所述的裝置，其中，所述流體敏感材料一經與烴類接觸會膨脹。
11.如權利要求10所述的裝置，其中，所述流體敏感材料是矽聚合物。
12.如權利要求7到9中任一項所述的裝置，其中，所述流體敏感材料一經與水接觸會膨脹。
13.如權利要求12所述的裝置，其中，所述流體敏感材料是水凝膠。
14.如權利要求7-11中任一項所述的裝置，其中，包括設置成用於檢測一不同流體的滲漏的另一光纖傳感器。
15.如權利要求I所述的裝置，其中，所述保護套的終端被固定在所述軟管節的終端。
16.如權利要求15所述的裝置，其中，所述保護套設置成隨所述軟管節的膨脹而膨脹， 且/或設置成隨所述軟管節的收縮而收縮。
17.如權利要求15或16所述的裝置，其中，所述傳感器在所述保護套中能自由地移動， 且其中所述傳感器的長度延伸超過所述保護套的終端以適應軟管節長度的任意變化。
18.如權利要求1、2、15和16中任一項所述的裝置，其中，進一步包括水密殼體，其位於所述軟管節的終端。
19.如權利要求18所述的裝置，其中，所述光纖傳感器的終端容納於所述水密殼體內。
20.如權利要求19所述的裝置，其中，所述水密殼體容納光纖傳感器的附加長度，該長度設置成用於適應軟管節長度的任意變化。
21.如權利要求18所述的裝置，其中，進一步包括光學跨接線纜，該線纜設置成用於延伸於所述軟管節的光纖傳感器和與其連接的第二軟管節的光纖傳感器之間，以提供光連續性。
22.如權利要求21所述的裝置，其中，所述光學跨接線纜被保護性線纜護套保護著。
23.如權利要求21或22所述的裝置，其中，進一步包括光學穿板式接頭，該光學穿板式接頭設置成用於提供所述光纖傳感器和所述光學跨接線纜之間的防水連接。
24.如權利要求23所述的裝置，其中，所述光學穿板式接頭貫穿所述水密殼體的壁面。
25.如權利要求22或23所述的裝置，其中，進一步包括光學穿板式連接器，其設置成用於連接所述光纖到所述光學穿板式接頭上；和跨接線纜連接器，其設置成用於連接所述光學跨接線纜到所述光學穿板式接頭上。
26.如權利要求I或2所述的裝置，其中，當引用權利要求2時，進一步包括設置成用於圖像式地顯示檢測到的信號的顯示器。
27.如權利要求26所述的裝置，其中，所述顯示器進一步設置成用於顯示參考軌跡。
28.一段軟管，其包括根據權利要求I或2所述的滲漏檢測裝置，其中，所述光纖傳感器沿所述軟管的長度延伸，並設於內部軟管編織層和外部軟管編織層之間。
29.如權利要求28所述的一段軟管，其中，所述光纖傳感器包括光纖和流體敏感材料， 該流體敏感材料一經與特定流體接觸會經歷體積變化。
全文摘要
一種滲漏檢測裝置，包括包裹在保護護套中的光纖傳感器，所述光纖傳感器設置成用於檢測通過軟管編織層的流體滲漏，其中，所述傳感器設置成用於檢測沿軟管節的滲漏位置。
文檔編號G01M3/04GK102607773SQ20121002478
公開日2012年7月25日 申請日期2007年4月18日 優先權日2006年4月18日
發明者保羅.斯塔頓, 阿里.R.K.贊迪耶 申請人:鄧錄普石油與海洋有限公司