Устройство для мониторинга напряжения в стальных подъемных трубопроводах, уложенных по цепной линии
Устройство, предназначенное для мониторинга усталости, определения структурного отклика и эксплуатационных пределов стальных подъемных трубопроводов, уложенных по цепной линии, содержащее: основной кабель-носитель, который проложен вдоль длины подъемного трубопровода, до точки ниже точки касания дна подъемного трубопровода; четыре места разводки, в которых в каждом месте установлено четыре отдельных оптических волокна, которые представляют собой отводы от указанного кабеля и которые проложены вокруг подъемного трубопровода под углами 90 градусов, и в которых каждое из указанных оптических волокон содержит множество датчиков деформации; и в котором указанные датчики установлены вдоль оси подъемного трубопровода под углом 90 градусов друг от друга по окружности подъемного трубопровода. Технический результат: обеспечение возможности получения данных о напряжении и деформации трубопровода при помощи световода. 6 з.п. ф-лы, 25 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к устройствам и способам мониторинга усталости, структурного отклика и эксплуатационных пределов в структурных компонентах. Более конкретно настоящее изобретение относится к построенным на основе оптоволоконных датчиков системам мониторинга усталости, отклика и эксплуатационных параметров стальных подъемных трубопроводов, уложенных по цепной линии.
Уровень техники
При добыче нефти и газа на континентальном шельфе на большой и очень большой глубине возникает много проблем, одна из которых состоит в технической разработке экономически обоснованных систем подъемного трубопровода (трубопровода, связывающего морскую платформу с подводным месторождением). Во многих районах на континентальном шельфе с большой глубиной, где были найдены месторождения углеводородов, например в Мексиканском заливе, постоянно воздействуют значительные нагрузки, возникающие из-за течений. Из-за сильного течения могут возникнуть вибрации, индуцированные вихрем (ВИВ, VIV), под воздействием которых с высокой скоростью накапливаются усталостные повреждения подъемного трубопровода. Чем больше глубина, тем больше изменяется конструкция подъемного трубопровода, и его поведение в условиях ВИВ, которое должны учитывать разработчики подъемного трубопровода, становится все более неопределенным.
Основная проблема, возникающая при добыче нефти и газа на шельфе, таким образом, связана с неопределенностью остающегося срока эксплуатации систем подъемных трубопроводов, как буровых, так и эксплуатационных трубопроводов. Неправильные расчеты оставшегося срока эксплуатации могут привести к неожиданным и катастрофическим потерям углеводородов из трубопровода. При этом промышленные компании, занимающиеся эксплуатацией и добычей месторождений, как правило, проявляют консервативность и, например, предпочитают прекратить эксплуатацию скважины с потерей миллионов долларов, лишь бы не возник риск аварии.
В настоящее время не отслеживают напряжение и степень деформации в стальных эксплуатационных подъемных трубопроводах, уложенных по цепной линии (СЦТ, SCR), но вместо этого производят их оценку на основе данных о морских течениях, теоретических моделей, оценок пограничных условий и изменяемых структурных данных. При этом степень доверительности этих расчетов невелика, и к расчетному значению срока службы часто применяют двадцатикратный запас прочности. При прогнозировании возможности продления срока эксплуатации существующих СЦТ применяют методы экспертных оценок и предположений. Неправильная оценка оставшегося срока службы подъемного трубопровода может привести к катастрофическим потерям углеводородов из трубопровода, и полученный в результате ущерб может быть очень серьезным.
В такой же степени не изучено влияние на степень усталости подъемных трубопроводов крупных мета-океанических событий. Мета-океанические события могут включать чрезвычайно высокую скорость ветра или штормовые удары, возникающие в результате ураганов, а также сильные вихревые течения на больших глубинах. Усталость в конструкции подъемного трубопровода в результате воздействия таких событий вводит дополнительный уровень неопределенности. Благодаря мониторингу воздействия на подъемный трубопровод таких крупных мета-океанических событий обеспечивается запись и оценка точного уровня усталости. Эти данные также обеспечивают лучшую по сравнению с предыдущими оценку усталости из-за воздействия крупных мета-океанических событий.
Кроме того, плохо изучено взаимодействие грунт/трубопровод СЦТ в точке его касания грунта (ТКГ, TDP), то есть в точке, в которой подъемный трубопровод входит в контакт с дном на большой глубине. Эта точка расположена в месте, в котором происходят наибольшие изменения нагрузки и возникают деформации СЦТ. Мониторинг деформации в ТКГ позволил бы улучшить понимание этого взаимодействия. Если будет обеспечено лучшее понимание поведения в этом месте, может быть разработана улучшенная конструкция и будет получена информация, требуемая для принятия решений.
Кроме того, движение поддерживающей СЦТ платформы при работе могут привести к значительным перемещениям ТКГ, в результате которых образуются борозды и происходит взаимодействие трубопровода с дном моря. При исследованиях трубопроводов СЦТ наблюдались крупные борозды, в результате чего возникли вопросы о влиянии их на надежность эксплуатации подъемного трубопровода. Оптический мониторинг деформации мог бы существенно уменьшить такую неопределенность, что позволило бы выработать рекомендации по направлению движения платформы. Аналогично мониторинг верхнего конца СЦТ позволил бы выработать рекомендации по направлению рабочих движений платформы путем назначения и отслеживания приемлемых напряжений и деформации (наклона) верхнего конца СЦТ.
На многих месторождениях наблюдаются высокие температуры, в результате чего температура в подъемном трубопроводе может превышать 200°F (93,33°C) (и даже может доходить до 350°F - 176,667°С) при транспортировке углеводородов на поверхность. Температуры такого уровня могут привести к очень значительным механическим напряжениям и циклическому возникновению таких напряжений при изменении температур. Это явление также плохо исследовано в существующих теоретических моделях и представляет собой значительную проблему при обеспечении безопасной эксплуатации эксплуатационных подъемных трубопроводов и трубопроводов, проходящих от нефтедобывающей скважины по дну моря.
Условия эксплуатации в еще большей степени усугубляются тем, что углеводороды часто могут быть "кислыми" и из-за этого образуют чрезвычайно коррозионную среду внутри трубопровода. Хотя некоторые стратегии борьбы с этим явлением включают применение очень дорогостоящих коррозионно-стойких сплавов (КСС, CRA), было бы очень важно проводить мониторинг изменений толщины стенки для обеспечения безопасной работы на шельфе.
В соответствии с этим остается значительная потребность в решении проблемы мониторинга усталости, эксплуатационного поведения и нагрузок на буровые разделительная колонны и эксплуатационные подъемные трубопроводы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание устройства и способов мониторинга усталости в структурных компонентах. Более конкретно настоящее изобретение относится к системам мониторинга усталости с использованием оптоволоконных датчиков в стальных подъемных трубопроводах, уложенных по цепной линии. Как описано более подробно ниже, датчики могут быть заранее установлены на новых подъемных трубопроводах, а также могут быть установлены в последующем в море на существующих подъемных трубопроводах с использованием различных способов.
В одном варианте выполнения устройство содержит множество оптоволоконных датчиков деформации, закрепленных для мониторинга непосредственно на внешней поверхности трубопровода или трубы. В другом варианте выполнения описан способ отслеживания усталости в буровых разделительных колоннах и в эксплуатационных подъемных трубопроводах. Этот способ включает использование устройств или зажимов, оснащенных оптоволоконными инструментами, которые, в свою очередь, закреплены на представляющей интерес трубе или трубопроводе, благодаря чему обеспечивается возможность получения результатов измерений степени напряжения в трубе или трубопроводе, снимаемых с помощью прикрепленного устройства или зажима.
В одном варианте выполнения настоящее изобретение направлено на создание устройства, предназначенного для мониторинга усталости, определения структурного отклика и эксплуатационных пределов на стальных подъемных трубопроводах, уложенных по цепной линии, содержащее:
многоволоконный оптический кабель, который проложен вдоль длины подъемного трубопровода, и
множество оптоволоконных датчиков деформации, закрепленных на внешней поверхности подъемного трубопровода, причем указанные датчики соединены с указанным оптическим кабелем.
Другие варианты выполнения настоящего изобретения включают использование очень большого и плотного массива или покрытия из измерителей деформации на относительно короткой секции трубопровода, например, длиной 1-2 фута (0,305-0,610 м), предназначенных для детектирования небольших изменений толщины стенки или точечной коррозии, вызванной эрозией или коррозией внутренней поверхности.
Еще один вариант применения позволяет использовать множество датчиков на подъемном трубопроводе или на его продолжении (на трубопроводе, проложенном от скважины) на дне моря (расположенных через равные расстояния и промежутки, как в конфигурации ТКГ), который подвержен значительным флуктуациям деформации, возникающей из-за изменений температуры. Значительные механические деформации, из-за воздействия температуры в диапазоне от 200°F до 350°F (93,33°C до 176,67°С), плохо изучены и представляют собой проблему при обеспечении надежной эксплуатации.
Потери или задержки при добыче могут привести к убыткам на сумму миллионы долларов, в случае если будет принято решение о том, что подъемные трубопроводы или трубопроводы, проложенные от скважины, не пригодны для эксплуатации. Такие решения принимались в отношении конфигураций экспортных подъемных трубопроводов на большинстве платформ, установленных на шельфе Мексиканского залива. Конфигурации мониторинга, построенные на основе оптоволоконных датчиков, и приведенное здесь изобретение позволяют исключить значительные потери прибыли, предотвратить возможный ущерб окружающей среде из-за разрыва трубопроводов и возможные потери срока эксплуатации.
Приведенное выше краткое описание представляет собой скорее обобщенное описание свойств и технических преимуществ настоящего изобретения, и ниже приведено подробное описание настоящего изобретения, которое обеспечит лучшее его понимание. Ниже описаны дополнительные свойства и преимущества настоящего изобретения, которые образуют предмет настоящего изобретения. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что описанные концепцию и конкретные варианты выполнения можно непосредственно использовать как основу для модификации или разработки других устройств и способов, предназначенных для выполнения тех же целей, что и настоящее изобретение. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что такие эквивалентные конструкции не отходят от объема и сущности приведенного и заявленного здесь настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые приведены здесь и формируют часть описания, иллюстрируют варианты выполнения настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах:
на фигуре 1 представлено движение точки касания стального подъемного трубопровода, уложенного по цепной линии;
на фигуре 2 показана схема, иллюстрирующая вариант выполнения конфигурации системы в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит компьютер, оптический "черный ящик" и многоволоконный оптический кабель;
на фигуре 3 представлен вариант выполнения компоновки оптоволоконных датчиков на стальном подъемном трубопроводе, уложенном по цепной линии;
на фигуре 4 подробно представлено расположение датчиков и разводка кабеля, показанного на фигуре 3;
на фигуре 5 подробно показан вид в поперечном сечении многоволоконного кабеля в соответствии с настоящим изобретением;
на фигуре 6 показан вид в поперечном сечении зажима в соответствии с настоящим изобретением;
на фигуре 7 показан результат проведения сравнительных испытаний датчиков ВБР и электрических датчиков деформации;
на фигуре 8 представлена структура испытательной установки, предназначенной для оценки рабочих характеристик системы мониторинга усталости, с использованием концепции дополнительной трубы при испытаниях с номерами SCRFT 1-11;
на фигуре 9 представлена структура испытательной установки, предназначенной для оценки механизма крепления хомутами дополнительной трубы при проведении испытаний с поворотом и испытаний хомутов с номерами SCRFT 12-31;
на фигуре 10 показан поворот трубопровода при проведении последовательности испытаний на поворот и испытаний зажимов с номерами SCRFT 12-31;
на фигуре 11 показано расположение датчиков на модели стальной СЦТ и дополнительной трубы;
на фигуре 12 представлен график деформации дополнительной трубы в зависимости от расстояния датчика от центроида композитной секции;
на фигуре 13 показаны полученные результаты измерения деформации дополнительной трубы при повороте на 90°;
на фигуре 14 представлены значения деформаций, измеренные с помощью датчиков, приклеенных эпоксидной смолой непосредственно на трубопроводе;
на фигуре 15 представлено расположение датчиков при проведении испытаний на растяжение с номерами SCRFT 32-35;
на фигуре 16 показана зависимость деформации СЦТ и дополнительной трубы во время испытаний SCRFT 33;
на фигуре 17 показан график зависимости деформации от расстояния момента центроида области;
на фигуре 18 представлены значения деформации, записанные при увеличении силы зажима;
на фигуре 19 показана испытательная установка и расположение измерительных блоков при проведении испытаний с использованием выполненной в масштабе модели системы СЦТ;
на фигуре 20 показана установка отдельных блоков при проведении испытаний с использованием выполненной в масштабе модели;
на фигуре 21 представлен подробный план места проведения испытаний с использованием выполненной в масштабе модели;
на фигуре 22 показаны необработанные данные деформации, записанные во время проведения испытаний с использованием выполненной в масштабе модели;
на фигуре 23 представлены отфильтрованные данные, полученные в результате испытаний с использованием выполненной в масштабе модели;
на фигуре 24 показаны точки реверсирования, рассчитанные по программе расчета дождевого потока; и
на фигуре 25 показан угол от горизонтали для основного направления деформации.
Следует отметить, что на чертежах представлены только типичные варианты выполнения настоящего изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничение его объема, поскольку в настоящем изобретении могут быть использованы другие в равной степени эффективные варианты выполнения.
Подробное описание изобретения
Использование оптоволоконных кабелей для измерения деформации и расчета усталости структурных компонентов имеет множество применений. Конфигурация системы зависит от варианта применения, от отслеживаемого и регистрируемого параметра и от того, была ли система установлена заранее или ее установили в последующем. Для построения элементов всех систем, в общем, используют одни и те же принципы, при этом регулируют место расположения и компоновку датчиков. Здесь описан вариант применения для стальных подъемных трубопроводов, уложенных по цепной линии (СЦТ).
В общем настоящее изобретение обеспечивает мониторинг деформаций СЦТ в области касания дна благодаря использованию множества оптоволоконных датчиков. Аналогичный массив оптоволоконных измерителей можно использовать на верхнем конце подъемного трубопровода или СЦТ, для отслеживания его поведения, степени усталости и воздействия эксплуатационных движений на подъемный трубопровод. Датчики позволяют определять степень усталости трубопровода по измеренным изменениям деформации, отслеживать поведение трубопровода, определять местоположение точки касания СЦТ и отслеживать поведение на дне (например, образование борозд и деформацию под воздействием температуры). В настоящее время мониторинг СЦТ не выполняется, зона касания дна и поведение под действием вибраций, индуцированных вихревыми течениями (ВИВ), исследованы недостаточно хорошо, и такие трубопроводы конструируют на основе теоретических результатов. Данная система позволяет исследовать поведение СЦТ, что обеспечивает возможность принимать основанные на полученной информации решения при строительстве подъемного трубопровода, исключить конструкционные отказы и обеспечить защиту от крупных влияющих на здоровье, безопасность и окружающую среду.
Система мониторинга усталости СЦТ включает два способа установки.
Когда следует обеспечить мониторинг новой СЦТ, датчики могут быть "установлены предварительно", то есть датчики могут быть закреплены на трубопроводе до его установки. Этот способ обеспечивает возможность приклеивания датчиков к СЦТ с использованием эпоксидной смолы или закрепления их с помощью зажимов на трубном участке или на палубе установочного судна. Датчики затем подключают к основному оптическому кабелю при укладке СЦТ, например при выполнении операций J-укладки или S-укладки.
Когда требуется обеспечить мониторинг существующей СЦТ, датчики могут быть "установлены впоследствии", то есть датчики могут быть закреплены на трубопроводе под водой с использованием аппарата с дистанционным управлением (АДУ, ROV). Можно использовать несколько способов установки. Один из способов позволяет устанавливать датчики под водой на существующем подъемном трубопроводе с использованием концепции "дополнительной трубы". При использовании концепции дополнительной трубы применяют зажимы, на которых установлены датчики деформации, эти зажимы закрепляют на СЦТ с помощью подводного АДУ. Зажим обеспечивает достаточное усилие для обеспечения условий композитной секции СЦТ. Хотя такая установка является более сложной, она позволяет устанавливать инструменты и обеспечивать мониторинг на существующих СЦТ.
На фигуре 1 показано, как вертикальная качка судна влияет на движение точки касания (ТКГ) СЦТ, точки, в которой подъемный трубопровод контактирует с дном моря. В частности на фигуре 1 показано плавающее эксплуатационное судно 10, на которое воздействует вертикальная качка (вызванная подъемом и падением волн или подъемом уровня моря), в результате которой судно перемещается из позиции А в позицию В. Вертикальная качка судна 10 также приводит к тому, что подъемный трубопровод 12 поднимается или изменяет свое положение, что приводит к перемещению точки 14 касания подъемного трубопровода 12 дна 16 моря. Концентрации напряжения показаны на вставке-графике в позиции 18. Максимальное изменение напряжения приводит к наибольшей усталости. Это происходит в ТКГ 14. При этом настоящее изобретение обеспечивает установку достаточного количества датчиков как перед, так и после области ТКГ для успешного мониторинга ТКГ и изменений нагрузки и деформации.
На фигуре 2 показан вариант выполнения конфигурации системы в соответствии с настоящим изобретением. Такая конфигурация содержит компьютер 20 и оптический "черный ящик" 22, установленные на судне, а также многоволоконный оптический кабель 24, который проложен вдоль длины подъемного трубопровода 12 до области касания дна. Множество датчиков (описаны ниже) подключены к основному несущему кабелю 24, которые предназначены для записи деформации в области касания подъемного трубопровода 12 и которые передают эту информацию в компьютер 20 в режиме реального времени. Величину и направление основной деформации, а также множество циклов напряжения-деформации можно учитывать и суммировать для получения суммарного значения усталости. Суммарное значение усталости можно сравнивать с известными SN кривыми для установленных металлов, для получения процентного значения использованного срока службы из-за усталости.
Компьютер 20 может представлять собой рабочую станцию, установленную вне шельфа или рабочую станцию DAQ (АСД, автоматического сбора данных), в зависимости от объема интерпретируемых данных, манипуляций с информацией или требуемого объема накопителя.
Оптический "черный ящик" 22 может быть специально построен, поставлен или собран такими компаниями, как Astro Tecnology, г.Хьюстон, специализирующейся на оптоволоконных технологиях. Он содержит источник света, проверяет параметры сигнала для получения информации по изменениям частоты, которые можно связать с мельчайшими изменениями в оптоволоконном кабеле (и датчиках деформации), и может компенсировать известное воздействие температуры на сигналы.
Многоволоконный оптический кабель 24 может быть собран из оптоволоконных компонентов и может быть изготовлен в виде армированного кабеля повышенной прочности такими компаниями, как McArtney, г.Хьюстон, что обеспечивает его защиту от предполагаемых воздействий окружающей среды, с величинами диаметра от 1/2 дюйма до 3/4 дюйма (1,27-1,905 см), и длиной 10000 футов (3,048 км), в соответствии с требованиями места установки.
На фигуре 3 показан вариант выполнения компоновки датчика оптоволоконного кабеля СЦТ в соответствии с настоящим изобретением. Здесь основной несущий кабель 24 проложен от судна 10 вдоль длины подъемного трубопровода 12 до точки 40, расположенной после точки 14 касания дна. Оптический кабель 24 содержит четыре точки 31, 32, 33 и 34 разводки, от которых четыре отдельных оптических волокна с датчиками "распределяют" по кабелю и проложены вдоль СЦТ 12 под углом 90 градусов. Например, место 31 разводки содержит оптические волокна 311, 312, 313, 314; место 32 разводки содержит оптические волокна 321, 322, 323, 324, и так далее для других мест разводки кабеля. Как более подробно описано ниже, каждое из этих четырех оптических волокон (в каждом месте разводки) содержит множество датчиков деформации.
На фигуре 4 более подробно показано место 33 разводки, представленное на фигуре 3. На чертеже показан кабель 24, проложенный вдоль длины подъемного трубопровода 12. В месте 33 разводки кабеля четыре отдельных оптических волокна 331, 332, 333, и 334 соединены с помощью разъема 50 с несущим кабелем 24. Одна из основных функций разъема состоит в обеспечении укладки на практике и развертывания системы благодаря возможности быстрого подключения предварительно установленных измерительных блоков с основным несущим кабелем при укладке подъемного трубопровода. Секции трубопровода, оборудованные инструментами, могут быть подготовлены заранее, при этом несущий кабель можно укладывать непрерывно из катушки, расположенной на установочной платформе (баржа J-укладки; рабочее судно; буровое устройство; эксплуатационная платформа и т.д.). Разъемы могут поставляться компаниями, специализирующимися на их производстве, или такими компаниями-консультантами, как Astro Technology, г.Хьюстон. Разъемы имеют длину приблизительно 12 дюймов и 2-3 дюйма (5,08-7,82 см) диаметром в месте максимальной толщины. Разъем 50 позволяет подключать каждое оптическое волокно к основному оптическому кабелю. Оптические волокна 331, 332, 333 и 334 также проложены вдоль подъемного трубопровода 12 под углом 90 градусов. Каждое оптическое волокно содержит множество датчиков, обозначенных на фигуре 4 ромбами. Например, оптическое волокно 331 содержит датчики 331-1, 331-2, 331-3, 331-4, 331-5, 331-6 и т.д., оптическое волокно 332 содержит датчики 332-1, 332-2, 332-3, 332-4, 332-5, 332-6, и т.д., и так далее для других оптических волокон. Датчики установлены вдоль оси подъемного трубопровода и под углом 90 градусов друг от друга по окружности трубопроводы. Интервал 90 градусов для измерений деформации используется, поскольку датчики типа ВБР, с помощью которых измеряют деформацию в точке, оказались наиболее надежным средством измерения для предполагаемого динамического варианта использования.
Количество датчиков на каждом оптическом волокне представляет собой функцию конструктивных требований и требования получения точек данных, представляющих интерес. В настоящем изобретении предпочтительно используют всего 16 датчиков на каждом оптическом волокне. Существенное преимущество такой конфигурации и оптоволоконной технологии состоит в возможности передавать множество сигналов по одному оптическому волокну. На практике используют это количество - 16 датчиков на одно волокно, поскольку такая компоновка обеспечивает достаточный уровень избыточности и конфигурацию, требуемую для СЦТ и в аналогичных вариантах применения. Каждый датчик измеряет направление деформации вдоль окружности или продольно и величину деформации как при растяжении, так и при сжатии трубопровода. Соответствующий интервал между датчиками был определен равным 10 футам (3,048 м), благодаря чему при использовании группы из четырех оптических волокон, можно перекрыть расстояние 160 футов (48,768 м). Значение десять футов (3,048 м) было определено в результате наблюдений на морском дне, расчетов и экспериментов как пригодное для использования на практике значение промежутка, которое является достаточно близким для определения самых сильных изменений деформации в оконечных точках подъемного трубопровода (таких, как СЦТ ТКГ или верхний конец), и в то же время датчики при этом достаточно далеко расположены друг от друга, так что благодаря множеству мест размещения обеспечивается возможность мониторинга на достаточно длинном отрезке подъемного трубопровода для определения изменений как в оконечной точке, так в точке касания морского дна.
На фигуре 4 показано множество мест расположения измерительных блоков 61, 62, 63, 64 и так далее, установленных при использовании такого промежутка. (На фигуре 4 показано пять измерительных блоков СЦТ и дополнительный блок слева от трубопровода). В каждом месте установки измерительных блоков расположен один датчик для каждого оптического волокна. Данные четырех датчиков, установленных на одном значении длины СЦТ, комбинируют для получения значений деформации в этом одном месте расположения измерительных блоков. В частности, датчик 331-1 на волокне 331, датчик 332-1 на волокне 332, датчик 333-1 на волокне 333 и датчик 334-1 на волокне 334 комбинируют в местоположении 61 установки измерительного блока. Такая компоновка, конечно, обеспечивает избыточность системы. Кроме того, группируя датчики так, что они формируют местоположение установки измерительного блока, можно легко регулировать для получения дополнительных данных в определенных, представляющих интерес областях.
Таким образом, четыре отдельных группы разводки, такие как 31, 32, 33 и 34, обеспечивают перекрытие длины 640 футов (195,072 м) СЦТ, на которой производится мониторинг, что позволяет выполнить точное измерение местоположения ТКГ с достаточным расстоянием с обеих сторон, с учетом возможного сдвига ТКГ (при колебаниях уровня судна) и при этом обеспечивает возможность съема полезной информации. Как и раньше, значение 640 футов (195,072 м) перекрытия вокруг ТКГ было определено по наблюдениям над условиями морского дна, по расчетам и экспериментам как практическая длина, обеспечивающая определение самых сильных изменений деформации в оконечных точках подъемного трубопровода (таких как ТКГ СЦТ или верхний конец), и позволяет обеспечить измерения при изменении точки касания морского дна.
На фигуре 5 показан вид в поперечном сечении основного многоволоконного оптического кабеля 24. Оптический кабель 24 состоит из центрального силового элемента 26, который может быть выполнен в виде провода из металла или других материалов, имеющих достаточную жесткость и свойства прочности. Последовательность 28а, 28b, 28с, 28d, 28e, 28f, 28g намотанных спирально против часовой стрелки армированных кабелей расположена концентрически вокруг центрального силового элемента 26. Вторая группа намотанных спирально по часовой стрелке армированных кабелей 30а, 30b, 30с, 30d, 30е, 30f, 30g, 30h, 30i, 30j, 30k, 30l, 30m расположена концентрически вокруг внутреннего набора оптических кабелей 28а-28g. Вся эта компоновка защищена водонепроницаемой полиуретановой оболочкой 32. Следует понимать, что возможно использование других материалов для изготовления оболочки. Кроме того, следует понимать, что вся эта компоновка может быть заполнена смолой или другими заполняющими материалами, которые помогают обеспечить прочность и структурную целостность кабеля.
По каждому оптическому волокну могут проходить сигналы от нескольких датчиков обратно в "черный ящик". Кабель разветвляют для его подключения к датчику, установленному на зажиме. Оптоволоконные датчики обладают множеством преимуществ, включая возможность мультиплексирования, стойкость к электромагнитным помехам (ЭМП, EMI) и возможность проведения измерений на больших расстояниях без потери сигнала. Некоторые другие существенные преимущества оптоволоконных датчиков по сравнению с обычными системами датчиков состоят в том, что они: имеют малый вес и небольшие размеры - приблизительно диаметр волоса человека, являются прочными и имеют длительный срок службы - датчики могут работать неопределенно длительное время, являются инертными и стойкими к коррозии, оказывают незначительное влияние или не оказывают влияние на физическую структуру, могут быть внедрены или соединены с внешней поверхностью, позволяют использовать компактные электронные и обслуживающие аппаратные средства, обладают высокой чувствительностью, являются многофункциональными - позволяют измерять деформацию, температуру, давление и вибрации, обеспечивают непрерывный мониторинг в режиме реального времени, не требуют электрического питания, являются безопасными при установке и работают во взрывоопасной или огнеопасной среде.
Как описано выше, в системе мониторинга усталости СЦТ используют два способа установки.
Когда предполагается обеспечить мониторинг новой системы СЦТ, датчики могут быть "установлены предварительно", то есть датчики могут быть закреплены на трубопроводе перед его установкой. Этот способ позволяет приклеивать эпоксидной смолой датчики или устанавливать их с помощью зажимов на СЦТ на в трубном участке или на палубе установочного судна. Датчики затем соединяют с основным оптическим кабелем по мере укладки СЦТ. Для обеспечения требуемого уровня адгезии к поверхности трубопровода в очень агрессивных условиях работы на шельфе в течение периода нескольких десятков лет были проверены специальные составы эпоксидной смолы. "Зажимы", предусматриваемые в такой конфигурации предварительной установки, отличаются от описанных в других местах устанавливаемых впоследствии зажимов. На зажимах, устанавливаемых впоследствии, закреплены датчики и такие зажимы образуют интерфейс с трубой или трубопроводом, представляющим интерес.
Когда требуется обеспечить мониторинг существующей СЦТ, датчики могут быть "установлены впоследствии", то есть, датчики могут быть закреплены на трубопроводе под водой, с использованием аппарата с дистанционным управлением (АДУ). В зависимости от конфигурации СЦТ можно использовать несколько способов установки.
Один из способов установки датчиков на существующей подъемном трубопроводе включает использование изогнутой пластины, с установленными на ней инструментами, которую закрепляют на СЦТ с использованием предназначенной для использования под водой эпоксидной смолы. Пластины размещают вдоль длины подъемного трубопровода, с использованием подводного АДУ. Изогнутая пластина должна быть изготовлена из совместимого материала, такого, как устойчивая к коррозии сталь, и такие пластины устанавливают на тех же расстояниях, через интервал 10 футов. Длина отслеживаемого участка может быть меньше, чем длина предварительной установки - 640 футов (195,072 м), поскольку в этом случае устраняется неопределенность расположения ТКГ в системах с последующей установкой.
Другой способ позволяет устанавливать датчики под водой с использованием концепции "дополнительной трубы". При использовании концепции дополнительной трубы применяют зажимы, на которых установлены датчики деформации, которые закрепляют на существующем СЦТ с использованием подводного АДУ. Зажим обеспечивает достаточную силу сжатия так, что он действует как композитная секция с СЦТ. Таким образом, датчики на зажиме позволяют отслеживать деформации, возникающие в зажиме. Деформации зажима записывают, что обеспечивает возможность расчета амплитуды и количества циклов растяжения-сжатия СЦТ. Амплитуда и количество циклов растяжения-сжатия вместе с SN кривой трубопровода СЦТ позволяют рассчитать степень усталости и остаточный срок эксплуатации подъемного трубопровода. Обычно при оценке степени усталости отслеживают количество (ось "N" в кривой SN) диапазонов напряжения (ось "S" в кривой SN) в течение определенного периода времени для определения накопления повреждения или "усталости". SN кривые обычно представляют собой экспериментально определенные взаимозависимости отказов от усталости между диапазоном нагрузки и количеством циклов. Обычно существует множество типов SN кривых, которые могут представлять собой функцию материала (тип стали) или деталей (например, стенки трубопровода или места расположения сварного шва).
В еще одном, третьем, способе установки датчиков на существующий подъемный трубопровод используют комбинацию зажимов, на которых установлены инструменты, и предназначенной для использования под водой эпоксидной смолы.
Другие способы установки датчиков на стальные подъемные трубопроводы, уложенные по цепной линии, известны специалистам в данной области техники и зависят от конфигурации подъемного трубопровода и наличия защитного покрытия и изоляционного материала на поверхности подъемного трубопровода.
На фигуре 6 показан вид в поперечном сечении зажима 70, который используют в настоящем изобретении. Зажим 70 состоит из верхней 72 и нижней 74 секций, скрепленных вместе с помощью стальных болтов 76. Зажим может быть изготовлен из совместимого материала, такого как устойчивый к коррозии металл или сплав инконнел (inconnel сплав на основе никеля с хромом и железом), на предприятии механической обработки, на котором производят оборудование для работы на шельфе. Инструменты на зажиме могут быть установлены на специализирующихся в области оптоволоконной техники фирмах-консультантах, таких как Astro Technology, г.Хьюстон, или квалифицированными инженерами в главной операционной компании, такой как компания Shell. Сила удержания зажима 70 на трубопроводе 12 увеличивается по мере затяжки болтов 76. Как известно специалистам в данной области техники, контакт между трубопроводом 12 и зажимом 70 может быть трудно обеспечить из-за неровностей поверхности, овальности трубопровода и неопределенности размеров трубопровода. В соответствии с этим зажим выполнен с достаточно тонкими стенками, что позволяет ему изгибаться вместе с представляющей интерес секцией трубопровода. Такая гибкость позволяет обеспечить хороший контакт зажима даже в трудных условиях или на неровной поверхности. Резьбовые секции для стальных болтов 76 выполнены более толстыми, что обеспечивает возможность большего напряжения в этих местах. Датчики 331-1, 332-1, 333-1 и 334-1 установлены вдоль оси зажима 70 через интервал 90 градусов друг от друга по окружности подъемного трубопровода 12.
Для облегчения установки с использованием АДУ оптические волокна должны быть настолько гибкими, насколько это возможно. Четыре волокна могут быть приклеены эпоксидной смолой на поверхности зажима и могут быть затем уложены вместе внутри пластикового покрытия до следующего зажима, где они затем разделяются и соединяются с местами установки датчиков. Для хранения и транспортировки зажимы могут быть уложены штабелем друг на друга, и при этом волокна в пластиковом покрытии могут быть уложены петлей от одного зажима к следующему зажиму. После погружения на морское дно АДУ устанавливает зажимы по одному.
Как отмечено выше, другая проблема, связанная с подъемными трубопроводами, состоит в вибрации, индуцированной вихревыми течениями (ВИВ). Один из способов уменьшения ВИВ состоит в увеличении собственной демпфирующей способности подъемного трубопровода. Повышенную демпфирующую способность металлического подъемного трубопровода трудно обеспечить из-за его относительно высокой жесткости/твердости. Установка эластичных втулок на границе перехода между соединениями трубопровода представляет собой одну из возможных технологий, но ее нельзя применять для сварных подъемных трубопровод. В прошлом ВИВ обычно уменьшали путем прерывания потока текучей среды вокруг длинного тонкого подъемного трубопровода путем установки вокруг подъемного трубопровода спиральных поясов, обтекателей или различных компоновок в виде колпаков. Такие устройства называются устройствами подавления вихрей, и их обычно устанавливают на верхнем участке длиной от 500-1000 футов (152,4-304,8 м) подъемного трубопровода.
В настоящем изобретении предусматривается использование системы мониторинга усталости с такими устройствами подавления вихрей, в которых, возможно, канал или паз для укладки кабеля предусмотрен под спиральными поясами или под обтекателями. Эти две системы могут быть скомбинированы, что обеспечивает оптимальные характеристики подавления ВИВ и безопасность для оптического волокна. Например, один из спиральных поясов может быть выполнен с вырезом секции, в которую можно протолкнуть оптический кабель толщиной 1/4 дюйма (0,635 см). Оптический кабель, таким образом, может быть вертикально уложен вдоль подъемного трубопровода, установленного на месте при обеспечении подавления ВИВ.
Описанное выше изобретение будет более конкретно представлено на следующих примерах, которые приведены для дополнительной иллюстрации новизны и возможности использования настоящего изобретения, но не предназначены для излишнего его ограничения. Более конкретно, в следующих примерах описаны некоторые исследования, испытания и попытки оценки, проведенные при разработке оптоволоконной системы мониторинга усталости в соответствии с настоящим изобретением.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
А. Испытания оптоволоконных датчиков
Была исследована возможность применения оптических датчиков деформации двух типов для системы мониторинга усталости в соответствии с настоящим изобретением: датчики типа "Оптический рефлектометр временной области" (ОРВО, Optical Time Domain Reflectometer - OTDR) и датчики типа "Волоконной брэгговской решетки" (ВБР) (Fiber Bragg Grating - FBG). Оба датчика расположены "внутри" оптических волокон и при этом анализируют возвратный свет для получения величины деформации. Датчики типа ОРВО позволяют записывать значение деформации вдоль всей длины оптического волокна. Датчики ВБР позволяют записывать значение деформации на определенном участке длины, обычно длиной 1/2 дюйма (1,27 см), в результате чего требуется применение множества датчиков для охвата длины подъемного трубопровода.
1. Датчики типа оптического рефлектометра временной области (ОРВО).
ОРВО обеспечивает непрерывное измерение деформации вдоль длины подъемного трубопровода, в результате чего исключается потеря критических усталостных точек. Для каждого соединения и секции подъемного трубопровода при этом может быть записана история растяжения-сжатия, что позволяет обеспечить оценку степени усталости.
При использовании датчиков ОРВО производят анализ обратного рассеянного света. Поскольку свет проходит через волокно, некоторая часть света теряется в результате выхода его за пределы волокна или отражения в направлении, обратном направлению распространения света. Такое обратное отражение света в оптическом волокне называется обратным рассеянием. Когда оптическое волокно подвергается деформации, пропорция обратного рассеяния света увеличивается. Такое обратное рассеяние измеряют и преобразуют величину деформации.
Для оценки пригодности использования датчиков типа ОРВО для системы мониторинга усталости были проведены испытания. Приблизительно 3000 футов (0,914 км) одномодового оптоволокна в ПВХ оболочке, армированной волокном типа Kevlar, уложили в виде кривой с большим радиусом на испытательном участке Ellington в г.Пасадена, Штат Техас. Использовали датчики ОРВО, с помощью которых измеряли параметры оптического волокна при применении света с длиной волны порядка 1300-1500 нанометров. Кабель изгибали в виде последовательных кривых с меньшим радиусом, от радиуса 50 футов (15,24 м) до конечного радиуса 0,5 дюйма (1,27 см). При уменьшении радиуса увеличивалась величина деформации оптического волокна. При изгибе кабеля наблюдали поведение оборудования для мониторинга деформации с использованием датчиков ОРВО.
Датчики ОРВО не обеспечили возможность измерения величины деформации волокна при уменьшении радиуса во время испытаний. Когда волокно изгибали до степени, близкой к точке разрыва, был отмечен отраженный сигнал. За пределами такого сильного перегиба не были получены какие-либо сигналы. При устранении сильного изгиба сигналы, измеренные с помощью ОРВО, возвращались к нулю.
Был сделан вывод, что при использовании данной технологии ОРВО и оптоволокна датчик является недостаточно чувствительным для регистрации величин деформации, требуемых для системы мониторинга усталости. Оптическое волокно, обеспечивающее большую величину обратного рассеяния, могло бы обеспечить достаточные данные деформации для системы мониторинга усталости. Оптическое волокно с большей степенью обратного рассеяния не было коммерчески доступным во время проведения испытаний, хотя предполагается, что такая технология будет разработана в течение следующих нескольких лет.
2. Датчик типа волоконной брэгговской решетки (ВБР)
Датчики типа волоконной брэгговской решетки (ВБР) позволяют регистрировать деформацию в конкретных точках на оптическом волокне. На поверхности волокна вырезаны небольшие канавки, в результате чего получают датчик длиной приблизительно 1/2 дюйма. При деформации датчика происходит сдвиг частоты света, проходящего через датчик. Сдвиг частоты пропорционален приложенной величине деформации, свет может быть проанализирован, в результате чего можно рассчитать величину деформации датчика. Каждый датчик имеет чувствительность к определенной полосе частот. При мультиплексировании датчикам назначают различные частоты, что обеспечивает возможность размещения нескольких датчиков на каждом волокне. Благодаря использованию мультиплексирования и множества оптических волокон в каждой системе можно использовать сотни датчиков для регистрации практически непрерывных результатов измерений деформации вдоль подъемного трубопровода.
Для испытаний датчик ВБР закрепили на трубопроводе. К трубопроводу прикладывали нагрузку, при этом происходила деформация трубопровода с датчиком. Значения деформации записывали при нагрузке и без нагрузки трубопровода.
Сначала провели сравнительные испытания ВБР и электрических измерителей деформации. Результаты доказали, что ВБР обеспечивает, по меньшей мере, такую же точность, что и электрический измеритель деформации. Результаты испытаний представлены на фигуре 7.
Величины деформации, записываемые с помощью датчика ВБР, имели сильную корреляцию с расчетными значениями изгибающего момента в одиночной точке. При приложении к трубопроводу быстроизменяющейся нагрузки устройство измерения деформации реагировало быстро и обеспечивало правильную запись величины деформации. При сравнительном испытании с электрическим измерителем деформации было доказано, что ВБР представляет собой надежный датчик.
Был сделан вывод, что датчики ВБР имеют достаточную точность, обеспечивают соответствие и скорость реагирования, требуемые для системы мониторинга усталости. При использовании мультиплексирования и множества оптических волокон достаточное количество датчиков может быть установлено на трубопроводе для получения точных измерений величины деформации подъемного трубопровода. Датчики обеспечивают возможность записи данных в режиме реального времени, что позволяет записывать циклы растяжения-сжатия. Такие датчики пригодны для использования в системе мониторинга усталости.
В. Испытание концепции мониторинга усталости
Для проверки концепций и для оценки рабочих характеристик системы мониторинга усталости были проведены три серии испытаний. Каждую серию проводили на определенном этапе строительства системы, причем последующие серии испытаний были основаны на результатах предыдущих испытаний. В каждой серии проводили ряд испытаний для оценки различных концепций.
1. Первые серии испытаний
Первые серии испытаний разделили на три набора испытаний. В первом наборе провели испытание концепции "дополнительной трубы". При использовании концепции дополнительной трубы используют трубу, на которой установлены датчики деформации, закрепленную хомутом на существующем стальном трубопроводе, уложенном по цепной линии (СЦТ). Хомуты обеспечивают достаточную силу прижима дополнительной трубы к СЦТ так, что они взаимодействуют как композитная секция. Величины деформации записывают на дополнительной трубе, что позволяет рассчитывать амплитуду и количество циклов сжатия-растяжения СЦТ. Это обеспечивает достаточное количество данных для расчета степени усталости СЦТ. Второе и третье испытания позволили сделать оценку пригодности пластика АБС (ABS - сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола) и стекловолокна для модели СЦТ в следующих испытаниях.
При испытаниях концепции установки дополнительной трубы использовали секцию установленной дополнительно трубы в виде стальной коробки, которую закрепили на стальной модели СЦТ длиной 20 футов (6,096 м) с помощью хомутов. Установка для проведения испытаний показана на фигуре 8. На дополнительной трубе и на модели СЦТ были установлены инструменты в виде двух датчиков деформации. К СЦТ прикладывали вертикальную нагрузку в двух точках, в результате чего возникали отклонения и деформации в трубопроводах. Записывали величины деформации в модели СЦТ и в дополнительной трубе. Провели одиннадцать испытаний, которые обозначили как SCRFT 1-11. Компоновку приложения нагрузки регулировали и СЦТ и дополнительную трубу поворачивали для получения данных под различными углами. Концепцию испытали путем прогнозирования величины деформации СЦТ по величине деформаций, записанных на дополнительной трубе.
Для испытаний концепции установки дополнительной трубы ВБР приклеили к модели стального трубопровода СЦТ. Для проведения запланированных испытаний в большем масштабе при использовании стали потребовалось бы приложение чрезмерного усилия для обеспечения требуемых величин деформации, и использование в большей степени пригодного для работы материала могло бы существенно упростить процесс. Было принято решение провести испытания пластика АБС для оценки возможности его использования для моделирования СЦТ и дополнительной трубы. Использование пластика АБС обеспечивало ряд преимуществ по сравнению со сталью - его проще обрабатывать и с ним легче работать, для получения заданной величины деформации требуется меньшая величина нагрузки и обеспечивается возможность использования трубопровода с большим диаметром для проведения испытаний в более крупном масштабе.
Основная проблема при использовании пластика АБС состояла в том, что этот материал мог проявлять пластичное поведение или поведение ползучести. Для стали не характерен ни один из видов такого поведения. Путем сравнения максимальной деформации при изгибе с величиной предела текучести АБС было определено, что материал не должен проявлять пластичное поведение. Ползучесть в некоторой степени проявляется во всех пластмассах и представляет собой величину изменения длины при постоянной нагрузке. Для оценки величины ползучести, которая могла проявляться в трубопроводе из АБС, датчик ВБР приклеили эпоксидной смолой в точке наружного диаметра трубопровода АБС длиной 1 дюйм (2,54 см). К центру трубопровода несколько раз приложили нагрузку, в результате чего произошло смещение и деформация. К трубопроводу прикладывали статические нагрузки в течение одного часа, а также циклы нагрузки/разгрузки.
Незначительную величину ползучести наблюдали при наибольшей статической нагрузке за самый длинный период ее приложения. В циклах нагрузки/разгрузки ползучести не наблюдали.
Был сделан вывод, что ползучесть может проявляться в трубопроводе АБС, если его подвергать значительным статическим деформациям в течение длительных периодов времени. Предложенная процедура испытаний была изменена для уменьшения периода статической нагрузки. Был сделан вывод, что предложенные испытания в крупном масштабе с использованием пластикового трубопровода АБС могли быть приемлемыми. При динамической нагрузке трубопровода АБС признаки ползучести не проявлялись.
Стекловолокно испытали, чтобы проверить, является ли оно приемлемым материалом для моделирования СЦТ и дополнительной трубы. При использовании стекловолокна можно было обеспечить ряд преимуществ по сравнению со сталью, поскольку его более просто обрабатывать и с ним проще работать, этот материал требует использования меньших нагрузок для получения заданной величины деформации и позволяет использовать трубопровод с большим диаметром для проведения испытаний в большем масштабе. Стекловолокно предполагалось использовать в качестве альтернативы АБС, если бы было определено, что пластик АБС неприемлем. При центральной нагрузке трубопровода из стекловолокна были получены определенные значения деформации. Трубопровод подвергали статической нагрузке в течение одного часа, а также воздействию циклов нагрузки/разгрузки с периодом 1 минута. Ползучести не наблюдали.
Испытания концепции установки дополнительной трубы обеспечили возможность получения достаточного количества данных для сравнения деформации дополнительной трубы с деформациями модели СЦТ. Величины деформации дополнительной трубы находились в пределах прогнозируемых величин деформации на примере трубопровода СЦТ. Движение между дополнительной трубой и моделью СЦТ привело к тому, что трубы не действовали как композитная секция. Сила, препятствующая независимому движению двух тру6, оказалась недостаточной. Усилие со стороны хомутов, удерживающих дополнительную трубу на модели СЦТ, следовало увеличить. Потребовалось провести дополнительное испытание для оценки наиболее приемлемого способа крепления дополнительной трубы.
Был сделан вывод, что пластик АБС пригоден для проведения испытаний СЦТ в крупном масштабе, поскольку он проявляет эластичное поведение в условиях нагрузки, является легко обрабатываемым материалом, позволяет изготовлять трубопровод с наружным диаметром 2½ дюйма (6,35 см), и не проявляет ползучесть в пределах динамической нагрузки в условиях испытаний. При использовании стекловолокна не было получено каких-либо преимуществ по сравнению с пластиком АБС.
2. Вторые серии испытаний
Вторые серии испытаний проводили для оценки механизма крепления хомутами дополнительной трубы. Ряд испытаний были проведены с механизмом крепления хомутами и с изменением ориентации трубы. Отдельный набор испытаний проводили с датчиком, установленным на дополнительной трубе, расположенной под СЦТ, для исследования влияния дополнительной трубы при растяжении.
В качестве продолжения испытаний концепции дополнительной трубы, которые были проведены в первых сериях, провели испытания с поворотом и испытания крепления хомутами, при этом использовали ту же стальную трубу длиной 20 футов (6,096 м), и стальную дополнительную трубу в виде секции коробки. Два датчика деформации были установлены на модели трубопровода СЦТ, и два датчика деформации были установлены на дополнительной трубе. Вертикальную нагрузку в двух точках прикладывали к модели СЦТ, в результате чего получили отклонение и деформацию трубы. Установка для испытаний показана на фигуре 9. Компоновку крепления хомутами регулировали для:
- Определения наиболее эффективного способа крепления секции дополнительной коробки на модели трубопровода СЦТ.
- Расчета деформации СЦТ при испытаниях на основе данных, полученных на дополнительной трубе.
Трубопровод и секцию дополнительной коробки поворачивали для испытаний:
- Способности систем определять основное направление деформации.
- Способности систем определять величину основной деформации.
- Влияния дополнительной трубы на осевой момент области, а также для проверки возможности взаимодействия двух труб в качестве композитной секции.
Поворот трубы показан на фигуре 10. Угол поворота измеряли от вертикального положения. Последовательности испытаний с поворотом и испытаний крепления хомутами были пронумерованы как SCRFT 12 - SCRFT 31.
На фигуре 11 показано расположение датчиков на стальной модели СЦТ длиной 20 футов и дополнительной трубе. Здесь также показаны расстояние от центроида и полученная деформация. При изгибе композитной секции расстояние от центроида до элемента пропорционально величине деформации этого элемента. В точке центроида деформации не происходит, хотя точка, находящаяся дальше всего от центроида в направлении изгиба, подвергается наибольшей деформации. Красной, коричневой, голубой и зеленой точками представлены датчики деформации ВБР. Черной точкой представлен осевой момент области модели трубопровода СЦТ; оранжевой точкой представлен осевой момент области композитной модели СЦТ и установленной дополнительной трубы. Пунктирными линиями обозначено соответствие места расположения датчика индуцированной величине деформации. Добавление дополнительной трубы приводит к смещению центроида вверх и к сдвигу секции трубопровода, в результате чего график деформации сдвигается от черного к оранжевому.
Зеленый и голубой датчики установлены непосредственно на стальной трубе. Красный и коричневый датчики расположены на дополнительной трубе. Поскольку датчики на дополнительной трубе находятся дальше от центроида, величины деформации здесь должны быть больше.
На фигуре 12 представлены графики зависимости величины деформации на дополнительной трубе от расстояния датчика от центроида композитной секции. Теоретические величины представлены черной прямой линией, указывающей, что величина деформация пропорциональна расстоянию от центроида. Если результаты испытаний соответствуют теоретическим величинам, величину деформации дополнительной трубы можно использовать для определения величины деформации СЦТ. Типы использовавшихся хомутов представлены разными цветами. Можно видеть, что тип крепления хомутами влиял на полученные величины деформации. Наиболее удачная компоновка крепления хомутами показана коричневым цветом, и при этом результаты испытаний составили приблизительно 90% от теоретических значений. Был сделан вывод, что установленная дополнительной трубы и модель трубопровода СЦТ все еще не действовали как композитная трубопровода, хотя добавление дополнительных хомутов позволило улучшить величину полученных значений деформации.
На фигуре 13 представлены полученные в результате испытаний величины деформации дополнительной трубы при повороте трубопровода на 90°. Теоретические значения показаны черным цветом, которые были рассчитаны, как если бы две трубы действовали как композитная секция. При углах, близких к горизонтальным (дополнительная труба 60 и дополнительная труба 90), величины деформации были близки к теоретическим. В этом случае величины деформации являются относительно малыми и сила сопротивления хомутов меньше. Сделан вывод, что хомуты позволяют оказывать сопротивление силе, стремящейся передвигать трубы независимо друг от друга, и позволяют с помощью крепления дополнительной трубы хомутами точно прогнозировать деформацию модели СЦТ.
Для углов, близких к вертикальному положению, величины деформации и силы, действующие для независимого перемещения двух труб, увеличиваются. Удерживающая сила, обеспечиваемая хомутами, была превышена, и трубы не действовали как композитная секция.
При углах от 0° до 30° (голубые и красные точки) были получены аналогичные значения деформации. Теоретически, деформация при 0° (голубые) должна быть больше, поскольку датчик расположен дальше от центроида. Был сделан вывод: сила, приводящая к независимому движению, превышает максимальную сдерживающую силу при 30° от вертикали (красные точки). Дополнительная деформация, приложенная к модели СЦТ, не передавалась на дополнительную трубу. В этих испытаниях сила, оказывающая сопротивление независимому движению, была недостаточной для получения надежной композитной секции при всех углах поворота.
На фигуре 14 показаны величины деформации, измеренные с помощью датчиков, приклеенных непосредственно на трубе. Можно видеть, что величины деформации, записанные для 60, 90 и 120°, хорошо коррелируют с теоретическими значениями. Это показывает, что труба проявляет поведение композитной секции.
Датчики, установленные под углами 0 и 30° от вертикали (голубой и красный) показали несколько большую величину деформации, чем теоретические значения для композитный секции. Эти величины оказались большими, поскольку две трубы не действовали как композитная секция. Расстояние от датчиков, установленных под углами 0 и 30°, до центроида СЦТ, несколько больше, чем до центроида композитной секции. Когда СЦТ действует независимо, было отмечено небольшое увеличение записанных величин деформации.
Для испытаний системы с дополнительной трубой в условиях поведения испытаний, модель трубопровода СЦТ и установленной дополнительной трубы поворачивали так, что установленная дополнительная труба была расположена по вертикали под моделью СЦТ. Нагрузку в двух точках приложили к трубе, в результате чего происходил изгиб модели СЦТ. Испытания деформации были пронумерованы, как SCRFT 32 - SCRFT 35. Датчики были расположены, как показано на фигуре 15.
На фигуре 16 показаны величины деформации СЦТ и установленной дополнительной трубы во время испытаний SCRFT 33. При приложении/удалении нагрузки датчики, расположенные на дополнительной трубе и на трубопроводе СЦТ, реагировали совместно. Строгое соответствие циклов нагрузки/разгрузки позволяет легко регистрировать циклы усталости. Аналогичные результаты были получены для испытаний для проверки хомутов с поворотом, но при отрицательных сжимающих деформациях.
Для правильного расчета величины усталости в СЦТ требуется определять амплитуду деформации. На фигуре 17 представлен график зависимости величины деформации от расстояния от осевого момента области. Величины деформации для установленной дополнительной трубы (красные и коричневые) оказались меньшими, чем теоретические величины для композитной секции. При использовании величин деформации установленной дополнительной трубы для прогнозирования величин деформации СЦТ была бы получена недооценка амплитуды циклов усталости. Эти результаты аналогичны результатам, полученным при сжатии установленной дополнительной трубы.
Был сделан вывод, что сила, препятствующая независимому движению установленной дополнительной трубы и модели трубопровода СЦТ, недостаточна для получения композитной секции. При повороте установленной дополнительной трубы на углы, близкие к горизонтальным, величины деформации уменьшались, и хомуты обеспечивали достаточную силу для действия труб в виде композитной секции. Была проверена концепция дополнительной трубы, хотя потребовалось использовать большую силу крепления хомутами для поддержания состояния композитной секции при всех углах поворота.
3. Третьи серии испытаний
После окончания вторых серий испытаний были выполнены дополнительные работы по увеличению сил, оказывающих сопротивление независимому движению дополнительной трубы. Анализ конечного количества элементов в отношении результатов испытаний позволил сделать оценку теоретического предела, при котором сила, оказывающая сопротивление, должна быть достаточной.
Кроме того, для датчиков, устанавливаемых на дополнительной трубе, были разработаны три новые концепции;
- вместо установленной дополнительной трубы можно использовать зажим. Два датчика могут быть расположены на зажиме; зажим может быть закреплен на СЦТ с помощью винтовой резьбы. Винтовая резьба могла обеспечить большую силу зажима, прикладываемую к трубе. Зажим имеет преимущество, так как действует как при растяжении, так и при сжатии трубопровода.
- дополнительную трубу или зажим можно приклеивать к СЦТ с помощью предназначенной для использования под водой эпоксидной смолы. Датчики, приклеенные эпоксидной смолой к модели СЦТ, позволили получать очень надежные и точные данные, при использовании эпоксидной смолы обеспечивались условия композитной секции.
- дополнительная труба может быть расположена со смещением от СЦТ. Если 100% теоретических величин деформаций не могли быть получены на дополнительной трубе, установленной с помощью хомутов, силу можно было уменьшить до нуля и рассчитать величины деформации для новых известных условий.
Расчет конечного количества элементов позволил сделать вывод, что конструкция с использованием хомутов не позволяет обеспечить достаточную силу, предотвращающую скольжение дополнительной трубы. Деформация дополнительной трубы значительно меньше, чем теоретические величины даже при незначительном движении установленной дополнительной трубы.
На фигуре 18 показаны величины деформации, полученные при увеличении силы зажима. Сила зажима величиной приблизительно 460 фунтов силы (208,65 кг) позволяет обеспечить условие композитной секции. Величины деформации дополнительной трубы увеличиваются от нуля, когда отсутствует деформация зажима, до теоретических значений при получении условий композитной секции. Результаты второй последовательности испытаний с поворотом и испытаний крепления хомутами показывают, что могла быть получена сила зажима приблизительно 160 фунтов силы (72,57 кг). Расчетные значения соответствуют результатам испытаний и определяют требуемую силу для получения условий композитной секции.
Был сделан вывод, что при использовании дополнительных хомутов не обеспечивается гарантия действия дополнительной трубы в условиях композитной секции. Дополнительные расчеты были проведены на твердотельном зажиме, и был сделан вывод, что он является достаточно прочным для удержания СЦТ без движения. Было принято решение сконструировать твердотельный зажим для использования при испытаниях в большом масштабе.
Провели два испытания; в первом исследовали приклеенный эпоксидной смолой зажим или пластину, во втором исследовали дополнительную трубу, установленную со смещением. Приклеиваемый эпоксидной смолой зажим представляет собой модель с использованием пластика АБС. Секцию трубопровода АБС приклеили эпоксидной смолой к модели СЦТ из пластика АБС. Нагрузки прикладывали к трубе, как и в предыдущих испытаниях, и записывали величины деформации. Величины деформации на зажиме приклеенном эпоксидной смолой обеспечивали возможность точного прогнозирования величин деформаций СЦТ. В результате были получены дополнительные свидетельства в поддержку концепции дополнительной трубы.
Концепция дополнительной трубы, установленной со смещением, позволяет изгибать дополнительную трубу с тем же радиусом кривизны, что и СЦТ. Величины деформации, записанные на дополнительной трубе, установленной со смещением, можно использовать для расчета величин деформации СЦТ. Устройство датчика можно было закреплять на СЦТ с использованием двух зажимов, по одному с обоих концов дополнительной трубы, установленной со смещением. Дополнительная труба, установленная со смещением, не должна находиться в контакте с СЦТ.
С помощью датчиков, установленных на дополнительной трубе, установленной со смещением, были получены величины деформации, большие, чем деформация СЦТ. При изгибе СЦТ зажимы перемещались внутрь, в результате чего возникали большие величины деформации сжатия на дополнительной трубе, установленной со смещением. В результате этих испытаний были получены результаты, аналогичные ожидаемым результатам. Подробный анализ этих результатов не был закончен, поскольку было принято решение продолжить разработку способов с использованием зажимов и эпоксидной смолы.
Для обеспечения успешной работы концепции дополнительной трубы дополнительная труба и СЦТ должны составлять композитную секцию. Требуется использовать достаточное усилие, прикладываемое с помощью хомутов или зажимов, для исключения независимого движения двух трубопровод. При испытаниях SCRFT 12-31 сила, прикладываемая хомутом, была недостаточной для сопротивления движению при высоких величинах деформаций. При расчетах зажим мог обеспечить более высокую силу сопротивления и позволил бы обеспечить работу концепции дополнительной трубы.
Концепция установки дополнительной трубы также одинаково работает как на сжатие, так и на растяжение. Изогнутая пластина, приклеенная к СЦТ, обеспечивает получение достаточных данных, что позволяет проводить мониторинг усталости СЦТ. При испытаниях SCRFT 32-35 сдерживающие силы, оказывающие сопротивление независимому движению двух труб, были недостаточными для предотвращения движения.
С. Испытания на модели, выполненной в масштабе
После окончания испытаний концепции были проведены испытания системы СЦТ с использованием испытаний модели, выполненной в масштабе. Трубу из пластика АБС подвесили с башни высотой 30 футов (9,14 м) в резервуаре высокой волны с приданием ей цепной формы. На трубе АБС закрепили датчики ВБР. Для имитации вертикальной качки судна управляемый компьютером гидравлический цилиндр динамически встряхивал трубу. Величины деформации в зоне касания (TDZ) записывали. Испытания были проведены для оценки способности системы учитывать циклы растяжения/сжатия для оценки, насколько хорошо система позволяла идентифицировать точку касания (ТКГ), и для оценки точности измерений деформации.
Цели испытаний с использованием модели, выполненной в масштабе состояли в следующем:
- Моделирование СЦТ для испытаний системы мониторинга усталости перед ее разворачиванием,
- Оценка возможности системы определять местоположение и отслеживать ТКГ,
- Оценка возможности системы подсчитывать циклы сжатия-растяжения,
- Оценка точности системы зажима при измерении записываемой величины деформации,
- Обеспечение возможности оценки расстояния между датчиками для полевой системы,
- Испытание компьютерной программы для определения ошибок работы, представления результатов и записи данных,
- Получить реальные данные испытаний,
- Обеспечить измерение динамических деформаций,
- Использовать увеличенное количество датчиков для испытаний системы получения данных.
Установка для испытаний была простроена в следующем виде. Трубу из пластика АБС длиной 90 футов подвесили на башне высотой 30 футов (9,14 м) в резервуаре с высокой волной. Труба была уложена по цепной линии под действием собственного веса. ТКГ и конец трубопровода располагались на расстоянии приблизительно 25 футов (7,62 м) и 60 футов (18,28 м) от башни. Установка при испытаниях и расположение измерительных блоков показаны на фигуре 19, расположение каждого из измерительных блоков показаны на фигуре 20, и подробный план места проведения испытаний показан на фигуре 21.
Расположение датчика и установка
Датчики измерения деформации были приклеены к модели трубопровода СЦТ из пластика АБС в 5 положениях вдоль трубопровода, показанных на фигуре 19. Положение было определено как местоположение вдоль трубопровода, в котором требовалось обеспечить мониторинг деформации. Несколько датчиков были размещены на окружности трубопровода в каждом месте установки измерительных блоков. Для проведения исходных испытаний два датчика были установлены под углом 90° в каждом месте установки измерительных блоков. Дополнительные третий и четвертый датчики в каждом месте установки измерительных блоков были добавлены позже. Дополнительные датчики позволили дифференцировать компоненты деформации СЦТ. Растяжение, изгибающий момент и основное направление деформации можно было получить с использованием четырех датчиков, установленных по окружности.
Модель трубы СЦТ подвесили в положении для проведения испытаний. Отметили диапазон движения ТКГ. Приняли решение установить пять положений вокруг ТКГ. Эти положения представлены ниже относительно позиции ТКГ:
| Номер положения | Местоположение |
| 1 | 9 футов (2,74 м) перед ТКГ (местоположение максимальной кривизны) |
| 2 | 3 фута (0,914 м) перед ТКГ |
| 3 | 1 фут (0,305 м) перед ТКГ |
| 4 | Местоположение ТКГ |
| 5 | 1 фут (0,305 м) позади ТКГ |
Эти места расположения были выбраны для обеспечения:
- Возможности записи максимальных изменений деформации, наблюдаемых в ТКГ,
- Возможности наблюдения движения ТКГ,
- Возможности наблюдения наибольших статических деформаций,
- Возможности получения последующих деформаций в результате поперечного движения.
Определили места установки датчиков и поверхность отшлифовали. Оптические датчики закрепили на трубопроводе с помощью эпоксидного клея. Оптические датчики и основной оптоволоконный кабель соединили после того, как эпоксидная смола затвердела.
Трубу СЦТ перемещали в вертикальном направлении с помощью управляемого компьютером гидравлического цилиндра. Гидравлический цилиндр обеспечивал перемещение на расстояние 1 фут (0,305 м) под углом 10° от вертикали. Такое смещение имитировало вертикальную качку судна и создавало движение ТКГ СЦТ вдоль трубопровода. Деформации вдоль трубопровода изменялись динамически, и их величины записывали с помощью системы оптоволоконных датчиков.
Установка для испытаний обеспечивала возможность поворота управляемого компьютером гидравлического цилиндра на 90°, что имитировало поперечное смещение. Гидравлический цилиндр обеспечивал смещение модели трубопровода СЦТ на расстояние 6 дюймов (0,153 м) в горизонтальном направлении. Перемещение в этом направлении ограничили расстоянием 6 дюймов (0,153 м) для минимизации бокового движения гидравлического цилиндра. Проводили оценку возможности системы отслеживать такие условия.
Ниже представлены результаты испытаний с использованием модели, выполненной в масштабе. Способ и результаты подсчета циклов деформации и основного направления деформации, а также ее величины поясняются и оцениваются.
- Предполагается, что модель СЦТ представляет собой реальную испытательную платформу для системы. Поведение трубопровода из пластика АБС проявилось в соответствии с ожиданиями, и не наблюдались какие-либо проблемы, связанные с материалом.
ТКГ могла быть определена по результатам анализа данных деформации. Во время проведения испытаний отображение на компьютере не было завершено. Планировалось отображать подъемный трубопровод представлением ТКГ по отношению к расположению датчиков.
- Деформации зажима позволила рассчитать направление основной деформации.
- Циклы растяжения-сжатия зажима соответствовали деформациям трубопровода СЦТ.
Зажим не позволил прогнозировать величины деформаций на СЦТ. Это связано с тем, что деформация трубопровода была существенно выше, чем при испытаниях СОК (ATI - средний объем контроля). Эти силы привели к существенно большей деформации пластика АБС в композитной секции, чем при использовании стали. Зажим не позволил обеспечить условие композитной секции с трубой из пластика АБС.
- Расстояние 1-2 фута (0,305-0,610 м) между местами установки измерительных блоков было достаточным для отслеживания движения ТКГ. При увеличении масштаба системы, предназначенной для развертывания на практике, расстояние 5-10 футов (1,524-3,048 м) должно быть достаточным для наблюдения движения ТКГ.
- Программа компьютерного отображения усталости/деформации СЦТ не была проверена, поскольку она была еще не закончена во время проведения испытаний.
- Система позволила хорошо регистрировать динамические деформации. Датчики деформации быстро и точно реагировали на имитацию вертикальной качки судна.
- Количество установленных датчиков было существенно увеличено по сравнению с ранними испытаниями. Увеличенное количество данных не создало дополнительных проблем для "черного ящика" и программы анализа световых данных.
- Величины деформации, получаемые компьютером, имели низкий уровень шумов амплитуды. Эти шумы были связаны с тем, что программа, учитывающая дождевые потоки, подсчитывала дополнительную половину цикла при уменьшенной амплитуде. Для правильной записи половины циклов растяжения-сжатия использовали фильтр частоты, который применяли к необработанным данным; это позволило исключить неправильный учет половин циклов.
Важный аспект системы мониторинга усталости состоит в возможности подсчета циклов растяжения-сжатия, в результате которых возникает усталость. Динамические движения при проведении испытаний с использованием модели, выполненной в масштабе, позволили получить динамические деформации в СЦТ. Эти динамические деформации позволяли подсчитать циклы деформации. В предложенном способе подсчета циклов растяжения-сжатия требуется использовать реверсирование данных. Реверсирование представлено в локальном максимуме-минимуме и происходит, когда тенденция увеличения величины изменяется на тенденцию уменьшением величины или уменьшения величины на увеличения величины.
Данные, полученные в результате испытаний, имели малый уровень шумов амплитуды. Эти шумы привели к тому, что программа учитывала дополнительные половины циклов с малой амплитудой. Для исключения влияния ошибочных данных на величину подсчета к необработанным данным применили частотный фильтр. Фильтрация данных позволила подсчитать правильное количество циклов.
На фигуре 22 показаны необработанные данные деформации, записанные в ходе испытаний с использованием модели, выполненной в масштабе. Модель трубопровода СЦТ поднимали на 1 фут и возвращали в ее исходное положение в течение периода десять секунд. Перемещение выполняли при постоянной скорости и с паузой в точке полного диапазона движения. Для окончательного тестирования использовали синусоидальное движение, которое более точно моделирует вертикальную качку судна. Набор записанных данных позволил испытать и улучшить процессы фильтрации циклов усталости.
При этих испытаниях три датчика были установлены на зажиме под углами 30°, 60° и 90° от горизонтали. Датчик, установленный под углом 90° (голубой) записывал наибольшие изменения деформации, поскольку он был расположен дальше всего от центроида.
На фигуре 23 показаны отфильтрованные данные. Меньшие частоты изменения были удалены. Такая обработка позволяет удалять шумы и оставляет действительные данные. Поскольку движение управляемого компьютером гидравлического цилиндра выполняли с паузой при максимальном выдвижении, показан эффект двойного пика. Этот эффект не появился бы при использовании синусоидальных данных или данных реальной вертикальной качки.
На фигуре 24 показаны данные реверсирования, рассчитанные с использованием программы, учитывающей дождевые потоки. Реверсирование представляет собой точку, в которой изменяется тенденция; время между реверсированиями составляет половину цикла. Можно видеть, что были правильно определены места расположения половин цикла. При этом можно было легко учитывать количество циклов и амплитуду циклов. Это обеспечивает достаточную информацию для расчета усталости СЦТ.
Для расчета усталости требуется определять значение основной (максимальной) деформации. Направление основной деформации требуется для расчета ее амплитуды. Для СЦТ максимальная деформация проявляется в верхней и нижней секциях трубопровода. Если известен угол между двумя датчиками, могут быть рассчитаны основное направление деформации и амплитуда. При использовании трех или больше датчиков усреднение обеспечивает возможность записи более точного значения.
Оценку расчета амплитуды и направления основной деформации проводили при испытаниях с использованием модели, выполненной в масштабе. На фигуре 25 показан угол направления основной деформации относительно горизонтали. В случаях, когда величины деформации возвращались к нулю, система записывала пиковое значение, это происходило в каждую половину цикла. Результаты показывают, что основная деформация была близкой к вертикали для "гребня волны" вертикальной качки, но этот угол изменялся во "впадине". Считается, что труба поворачивалась в ее "предпочтительном" направлении без нагрузки и при приложении нагрузки основная деформация перемещала трубу в вертикальное положение.
Запись ориентации соединений трубопровода позволяет получить оценку относительного поворота трубы. Если инструменты, установлены на подъемном трубопроводе с обеих сторон соединения, можно отслеживать направления, и относительное направление будет указывать, что соединительная резьба работает слишком свободно.
Определение направления основной деформации и учет циклов растяжения-сжатия с использованием системы мониторинга усталости хорошо работает. Измерение амплитуды основной деформации было неудачным, но можно понять воздействующие силы. Обеспечить условия композитной секции будет существенно проще при использовании стального трубопровода СЦТ.
Описанные здесь устройства и способы позволяют отслеживать и понимать нагрузки, поведение и усталость подъемных трубопроводов как при нормальной работе, так и при значительных мета-океанических событиях. Отказ СЦТ и потеря углеводородов могут быть исключены.
Благодаря использованию оптических датчиков деформации и относительно компактных несущих кабелей компании, занимающиеся эксплуатацией и добычей, могут обеспечить измерение на практике требуемой информации. Преимущества настоящего изобретения включают, без ограничений, следующее:
- Добыча может поддерживаться в очень жестких условиях, таких, как чрезвычайно сильные морские течения в Мексиканском заливе в 1999 г., поскольку точная и последовательная информация может быть доступной для определения целостности подъемного трубопровода.
- Соединения можно точно отслеживать и оптимизировать, зная, какой срок службы из-за усталости был использован, в результате чего уменьшается стоимость корпуса трубопровода.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества были подробно описаны выше, следует понимать, что различные изменения, замены и модификации можно выполнить в отношении него без отхода от объема и сущности настоящего изобретения, которые определяются прилагаемой формулой изобретения.
1. Устройство, предназначенное для мониторинга усталости, определения структурного отклика и эксплуатационных пределов стальных подъемных трубопроводов, уложенных по цепной линии, содержащее: основной кабель-носитель, который проложен вдоль длины подъемного трубопровода, до точки ниже точки касания дна подъемного трубопровода; четыре места разводки, в которых в каждом месте установлено четыре отдельных оптических волокна, которые представляют собой отводы от указанного кабеля и которые проложены вокруг подъемного трубопровода под углами 90°, и в которых каждое из указанных оптических волокон содержит множество датчиков деформации; и в котором указанные датчики установлены вдоль оси подъемного трубопровода, под углом 90° друг от друга по окружности подъемного трубопровода.
2. Устройство по п.1, в котором каждый из указанных датчиков измеряет направление деформации, как по окружности, так и в продольном направлении, и амплитуду деформации, как при растяжении, так и при сжатии подъемного трубопровода.
3. Устройство по п.2, дополнительно содержащее: компьютер, предназначенный для записи и анализа результатов измерений, полученных от каждого из указанного множества датчиков.
4. Устройство по п.1, в котором каждое оптическое волокно содержит 16 датчиков.
5. Устройство по п.1, в котором указанные места разводки расположены через каждые 48,768 м.
6. Устройство по п.1, в котором указанное множество датчиков расположено через каждые 3,048 м.
7. Устройство по п.1, в котором результаты измерения, получаемые от четырех датчиков, причем каждый из датчиков установлен на отдельном оптическом волокне и на одинаковой длине вдоль подъемного трубопровода, комбинируют для получения результатов измерений деформации в данном месте подъемного трубопровода.
