光学曲率监测装置的校正方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及柔性深海管线的扶强材（１８）的曲率的监测装置的校正方法，所述监测装置设有变形杆（２６），所述变形杆（２６）具有中心轴（Ｃ）和被保持压接于所述杆（２６）的周边的至少三个光学传感器（２９、３０、３１），所述方法针对绕所述中心轴的弯曲面的不同的连续定向包括如下步骤：使杆（２６）根据相同的曲率半径弯曲；测量传感器（２９、３０、３１）在所述弯曲期间的变形；根据弯曲面的定向，使用所测量的变形外推为每个传感器的变形的正弦函数；根据外推出的正弦函数之间的角偏移并且根据外推出的正弦曲线的幅值计算误差校正系数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及以光学方法监测变形的领域，并且特别地，涉及对结构比如深海柔性管或者构造的检测领域。
技术介绍
深海柔性管通常用于输送从离岸源头排出的碳水化合物。在美国石油协会出版的标准文献 API RP 17B "Recommended Practice for Flexible Pipe”中显著地描述了这样的管。柔性竖管将海底设施如托座在海床上的井道钻头连接到海面设施如浮动生产设备。 柔性竖管必须能够承受大的机械应力，显著地必须能够承受由其自身的重量产生的应力， 这些大的机械应力由内部和外部压力、海面设施在涨水和洋流的影响下的运动所造成的曲率或者弯曲半径的变化所引起。一种已知的用于减小这些竖管承受的动态应用斩方案是使用扶强材，所述扶强材形成鞘并且能够绕竖管安装以增强竖管的刚性并限制竖管的在临界区域的曲率，显著地， 限制竖管的与海面设施接近的上部的曲率。根据这些弯曲扶强材到竖管的一个特定应用， 所述弯曲扶强材具有借助于凸缘被固定到海面设施的上端并且沿竖管的长度在可变长度上延伸。柔性管同轴地安装到弯曲扶强材内。由此，与接近海面的涨水和洋流的影响无关地，柔性管保持了显著地高于其最小可接受弯曲半径MBR(表示最小受弯(或弯曲)半径) 的曲率半径，并且由此不会被损坏。这些弯曲扶强材还能够安装到竖管的接近海床的部分上以再次限定它们的曲率。由于这些弯曲扶强材是承受强应力的主要部件，需要确保这些弯曲扶强材在可能超过20年的使用寿命中保持正常状态。由此已经构思了如下思想，即使用嵌入在它们的厚度内的监测装置系统地记录这些弯曲扶强材的变形，以检测它们处正确的运行状态。这些测量还能够用以确定所述竖管或者弯曲扶强材随时间而承受的累积动态应力，用以估计它们的疲劳状态。文献WO 2005-088375公开了监测结构的弯曲的装置。该监测装置包括具有旋转中心轴的可变形刚性杆。所述中心杆典型地由玻璃纤维强化环氧树脂制成。可变形刚性杆绕其外周设有并固定了三个光学变形传感器。光学传感器包括与杆平行的光纤并且设有类似于光学变形测量仪地操作的光刻Bragg光栅。三个Bragg光栅具有若干毫米大小的相同长度。全部三个光学传感器沿杆位于相同的轴向侧，即，它们的三个中心包括在与杆的轴线垂直的一个相同平面中。光纤被收纳在杆的外周处形成的槽中。与这三个传感器连接的光电装置能够用以测量Bragg光栅反射的波长，并根据所述测量的波长推导出三个光纤在所述三个Bragg光栅处所经历的三个轴向变形ε a、eb、ε C。一旦由此测量到三这三个轴向变形，则可以根据这些测量结果通过计算推导出三个未知量变形刚性杆在该三个Bragg 光栅的区域中的曲率半径P ；弯曲面关于变形刚性杆的角度定向Ψ ；和最后地，变形刚性杆所经受的均勻轴向拉伸ε，所述均勻轴向拉伸ε是例如外部张力/压缩应力或者热膨胀现象的结果。在上述文献的第观页上详细说明的该计算还包括假设已知的参数变形刚性杆和传感器的几何尺寸；和显著地，关于三个Bragg光栅关于变形刚性杆的轴线的相对位置的参数。这样的监测装置的设有传感器的变形刚性杆可以嵌入在弯曲扶强材的挠性可靠的部分的厚度内，并且与弯曲扶强材和竖管的轴线平行。由此，当柔性竖管投入使用时，弯曲扶强材的运动使变形刚性杆挠变并且由此传感器提供表示扶强材的曲率的信号。基于这些信号，计算曲率半径和杆的弯曲面的定向。这些数据然后能够被实时处理，例如用以在曲率半径或者受弯半径减小到临界阈值下方时触发报警，或者被记录用于随后的处理例如以评估疲劳损伤和剩余寿命期望。在文献FR 2871511, WO 2006-021751和2007年4月30日至5月3日在休斯顿举办的“Offshore Technology Conference (海洋技术会议)”出版的参考为OTC 19051的 "Faigue Monitoring of Flexible Risers,Using Novel Shape-Sensing Technology(使用新型形变感应技术的柔性竖管疲劳监测)”中，显著地说明了这样的装置，这些文献还公开了圆柱状变形刚性杆之外的其它几何形状的变形刚性杆的使用，例如八角形或者三角形的几何形状。在出版物OTC 19051中，变形刚性杆包括Bragg光栅型的四个光学变形传感器，添加第四个光学变形传感器是为产生冗余。该出版物还在第2页公开了根据所测量的四个轴向变形ε 、ε 2, ε3、ε 4计算弯曲面的定向的曲率的方法。该计算方法还包括计算四个 Bragg光栅关于变形刚性杆的轴线的相对位置。施加到弯曲扶强材的弯曲半径在实际中在若干米和无限大之间变化。在实际中， 测量曲率并且安装有这些弯曲扶强材以能够测量的变形刚性杆的受弯半径P需要精确地大于:3m。由于曲率Cu是曲率半径或者受弯半径的倒数(Cu= 1/P)，则虽然使用曲率来处理测量精度的问题更为简单，但能够考虑使用这两个大小中的任一个。曲率的测量范围因此是从0至0. 33m-10本应用所要求的曲率测量精度典型地必须大于士0. 0015ΠΓ1，需要该精度水平以进行疲劳损伤分析。另外，为便于制造、储存、运输和安装这些总体长度可能超过数十米的变形刚性杆，期望这些变形刚性杆能够卷绕成为0. 5m至Im大小的最小曲率半径。现在，设有变形刚性杆的光纤必须不能大于0. 5%的相对拉伸，因为不然，则存在光纤被损伤的危险。这是为什么意图被安装到海洋柔性竖管的弯曲扶强材的变形刚性杆在实际中具有小的直径的原因，所述小的直径的大小典型地为5mm至10mm，使得可以减小光纤在变形刚性杆被弯曲到其最小受弯半径时所经受的最大拉伸(见WO 2005-088375第25页)。但是，该小的直径的缺点在于会减小曲率测量的精度，从而在实际中当变形杆的直径的大小为IOmm以下时，特别地难以实现士0. 0015m-1的精度的目标。就测量精度问题而言的另一个主要因素在于变形刚性杆由玻璃纤维增强树脂制成，这意味着非不显著的伸展被引入到各个几何参数中杆的直径、槽的形状、光纤之间的角偏移、光纤与杆的中心轴之间的距离等。使用环氧树脂将光纤固定以杆的外周也产生了应力。所产生的应力会成为测量误差的根源。这样的组合材料由于它们的制造方面的原因而总体上具有大小在于十分之几毫米右的常见尺寸公差。另外，杆的直径越小，这些常见公差产生的误差更大。由此在实际中，在IOmm直径的变形玻璃纤维刚性杆的情况中，已经发现曲率测量的误差通常能够超过士0. 003ΠΓ1，这是令人不满意的。解决该问题的第一方案是在制造出每个变形刚性杆之后，系统地测试每个变形刚性杆的测量精度，并仅保留实现所要求的精度水平的变形刚性杆。但是，该方案带来了高的报废率并且在经济上不可行。第二方案是用已经被高精度地成形的、具有高的弹性极限的金属分节件(section piece)生产变形刚性杆，例如通过冷拉获得的并且尺寸公差在百分之一毫米内的钛分节件。但是，该方案在经济上并不是非常具有吸引力。解决该问题的第三方案是增大变形刚性杆的直径，如出版物OTC 19051中所教示的，在该文献中提出了 75mm的直径。该方案提高了对于大的受弯直径的测量精度。但是， 其缺点在于增大了在不损伤光纤的情况下变形刚性杆能够兼容的最小受弯半径，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．深海柔性管扶强材（１８）的曲率的监测装置的校正方法，所述监测装置设有变形杆（２６），所述变形杆（２６）具有中心轴（Ｃ）和被保持压接于所述杆（２６）的周边的至少三个光学传感器（２９、３０、３１），所述方法包括如下步骤：针对绕所述中心轴的弯曲面的各种连续定向，使所述杆（２６）弯曲到相同的曲率半径；测量所述传感器（２９、３０、３１）在弯曲期间的变形；根据所测量的变形，将每个传感器的变形的正弦函数外推为弯曲面的定向的函数；计算误差校正系数为外推出的所述正弦函数之间的角偏移的函数和外推出的正弦曲线的幅值的函数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬尼古拉斯，
申请(专利权)人：泰克尼普法国公司，
类型：发明
国别省市：FR