Детектор утечки с использованием оптического волокна

(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ДАНЛОП ОЙЛ ЭНД МАРИН ЛИМИТЕД Зандийех Али Реза Камбиез, Стейтон Пол Предлагается устройство обнаружения утечки, содержащее волоконно-оптический датчик (2),выполненный для обнаружения утечки флюида сквозь каркас (6, 8) шланга, в котором датчик выполнен для обнаружения места утечки на всем протяжении секции (4) шланга. 013831 Настоящее изобретение относится к обнаружению утечек, в частности обнаружению утечек флюида в шланге. Подводный шланг, такой как нефтяной шланг, подвергается общему истиранию и износу, старению и может быть подвержен повреждению других видов. Это может приводить к прорыву оболочки шланга,вызывающему утечку содержимого шланга или поступление воды с наружной стороны шланга. Обычно подводный шланг содержит внутренний каркас и внешний каркас, каждый из которых может разорваться в любой точке на всем протяжении шланга. Повреждение внешнего каркаса будет приводить к поступлению воды, а повреждение внутреннего каркаса будет вызывать утечку флюида. Обычно на концах секции шланга помещают детекторы и обнаруживают утечку после того, как нефть с места утечки достигает конца секции шланга. Очевидно, что предпочтительно обнаруживать любые утечки как можно быстрее и обнаруживать место и вид утечки. В соответствии с этим настоящим изобретением предоставляется устройство для обнаружения утечки, содержащее волоконно-оптический датчик, выполненный для обнаружения утечки флюида сквозь каркас шланга, в котором датчик выполнен для обнаружения места утечки на всем протяжении секции шланга. Волоконно-оптический датчик может быть расположен между внутренним каркасом шланга и внешним каркасом шланга и может продолжаться на всем протяжении длины шланга. Предпочтительно,чтобы датчик был расположен по спирали на всем протяжении длины шланга. Это максимизирует зону действия детектора утечки. Непрерывное обнаружение на всем протяжении длины секции шланга позволяет немедленно обнаруживать небольшие утечки до того, как давление повысится до уровня, достаточного для вытеснения флюида к концу секции шланга. Устройство может дополнительно содержать излучатель, выполненный для излучения светового импульса в оптическое волокно, и детектор, выполненный для обнаружения отраженного сигнала и для обнаружения места утечки по изменениям интенсивности отраженного сигнала с течением времени. Использование оптической системы обнаружения означает, что нет части датчика под электрическим током, которая может вступать в контакт с нефтью. Кроме того, нет потребности в источнике питания внутри каждой секции шланга, который является потенциально отказным средством, а также создающим угрозу безопасности. Волоконно-оптический датчик может содержать оптическое волокно и материал, чувствительный к флюиду, который испытывает изменение объема при контакте с конкретным флюидом. Изменение объема материала, чувствительного к флюиду, может вызывать микроизгиб оптического волокна. Предпочтительно, чтобы волоконно-оптический датчик содержал сердцевину датчика, покрытую материалом,чувствительным к флюиду, и оптическое волокно могло быть закреплено на этой покрытой сердцевине датчика. Предпочтительно, чтобы оптическое волокно было закреплено на материале, чувствительном к флюиду, нитью, например кевларовой нитью, при изменении объема материала может прижиматься к нити и может вызывать микроизгиб волокна. Микроизгибы оптического волокна приводят к потери света за счет затухания, при этом уменьшается интенсивность света, рассеиваемого обратно от места расширения. Материал, чувствительный к флюиду, может расширяться при контакте с углеводородом и может содержать силиконовый полимер. В качестве варианта материал, чувствительный к флюиду, может расширяться при контакте с водой и может содержать гидрогельный материал. Предпочтительно, чтобы устройство для обнаружения утечки содержало по меньшей мере два волоконно-оптических датчика,выполненных для обнаружения утечки различных флюидов. Датчики могут быть помещены в защитную трубку. Предпочтительно, чтобы защитная трубка была проницаемой для обеспечения возможности протекания флюида сквозь внутренний каркас шланга или внешний каркас шланга для вступления в контакт с датчиком. Защитная трубка может быть закреплена на концах секции шланга и может быть выполнена для растяжения при растяжении секции шланга и сокращения при сокращении секции шланга. Предпочтительно, чтобы датчик был свободным для перемещения внутри защитной трубки. Участок датчика может продолжаться за пределы длины защитной трубки для согласования с растяжением и сокращением секции шланга. Детекторное устройство может дополнительно содержать водонепроницаемый корпус, расположенный на конце секции шланга, который может быть выполнен для помещения дополнительного участка датчика. Избыточный участок волоконно-оптического датчика на конце шланга позволяет шлангу растягиваться и сокращаться. Поскольку датчик является свободным для перемещения внутри защитной трубки, то в случае если шланг растягивается, дополнительный участок сенсорного кабеля может продвигаться в защитную трубку из водонепроницаемого корпуса. Аналогичным образом, если шланг сокращается, излишний участок сенсорного кабеля может помещаться в водонепроницаемый корпус. Детекторное устройство может дополнительно содержать оптическую кабельную перемычку, выполненную для протягивания между волоконно-оптическим датчиком секции шланга и волоконнооптическим датчиком второй присоединенной секции шланга, при этом обеспечивается непрерывный оптический сигнал. Оптический проходной адаптер может быть выполнен для обеспечения водонепро-1 013831 ницаемого соединения между волоконно-оптическим датчиком и оптической кабельной перемычкой и может продолжаться сквозь стенку водонепроницаемого корпуса. Предпочтительно, чтобы оптический проходной соединитель соединял оптическое волокно с оптическим проходным адаптером и соединитель кабельной перемычки соединял оптическую кабельную перемычку с оптическим проходным адаптером. Оптическую кабельную перемычку можно протянуть с наружной стороны шланга и можно защитить защитной оболочкой кабеля. Поскольку оптическая кабельная перемычка расположена с наружной стороны шланга и продолжается исключительно между водонепроницаемыми корпусами на конце каждого шланга, то она может быть легко заменена или восстановлена в случае повреждения внешними силами. Устройство может дополнительно содержать дисплей, выполненный для отображения обнаруженного сигнала графически. Дисплей может быть дополнительно выполнен для отображения эталонной трассы, с которой можно сравнивать обнаруженный сигнал. Поэтому неожиданные изменения сигнала могут быть обнаружены и использованы для определения места утечки. В соответствии со вторым объектом изобретения предложен отрезок шланга, содержащий волоконно-оптический датчик, выполненный для обнаружения утечки флюида сквозь каркас шланга. В соответствии с третьим объектом изобретения предложен способ обнаружения утечки флюида в шланге, содержащий этапы, на которых излучают оптический сигнал вдоль по меньшей мере одного волоконно-оптического датчика, обнаруживают отраженный сигнал и контролируют изменения с течением времени интенсивности отраженного сигнала. Предпочтительные осуществления настоящего изобретения описаны только для примера со ссылками на сопровождающие чертежи, где на фиг. 1 показан схематический вид двух соединенных секций шланга и устройства для обнаружения утечки согласно осуществлению изобретения; на фиг. 2 - схематический вид волоконно-оптического датчика, используемого в устройстве из фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение волоконно-оптического датчика из фигуры 2; на фиг. 4 - схематическое продольное сечение через концевые соединения шланга из фиг. 1 и на фиг. 5 - график с примером трассы, иллюстрирующий обнаружение утечек. Что касается фиг. 1, то система обнаружения утечки для нефтяного шланга содержит блок 1 оптической временной рефлектометрии (БОВР), соединенный с волоконно-оптическими датчиками 2 а, 2b,которые протянуты по спирали на всем протяжении шланга 4 между внутренним каркасом 6 шланга и внешним каркасом 8 шланга. Что касается фиг. 2 и 3, то датчики 2 а, 2b имеют аналогичную конструкцию и только один из них будет описан. Датчик содержит сердцевину 3 датчика, покрытую разбухающим материалом 5, который расширяется при контакте с углеводородным продуктом или водой. Оптическое волокно 7 прикреплено к покрытой сердцевине 3 датчика относительно нерастяжимым связующим материалом, в этом случае нитью 9, такой как кевларовая нить. Датчик помещен в защитную трубку 14. В этом осуществлении система обнаружения утечки содержит два волоконно-оптических датчика 2 а, 2b, датчик 2 а - для обнаружения присутствия углеводородного продукта и датчик 2b - для обнаружения присутствия воды. Блок 1 оптической временной рефлектометрии излучает серию очень коротких световых импульсов большой мощности в оптическое волокно 7. Внутреннее отражение света происходит в то время, когда он проходит по длине волокна 7, и небольшое количество света рассеивается обратно к детектору в источнике 1. Затем эти данные собираются и обрабатываются в блоке 1 оптической временной рефлектометрии. Если имеется утечка во внутреннем каркасе 6 шланга или внешнем каркасе 8 шланга, нефть или вода будут входить в пространство между двумя слоями. Нефть или вода проходит сквозь пористую защитную трубку 14 и контактирует с волоконно-оптическими датчиками 2, вызывая разбухание покрытия 5 одного из двух датчиков 2. Поскольку разбухающий материал 5 расширяется, он прижимает оптическое волокно 7 к закрепляющей нити 9, вызывая локализованный микроизгиб оптического волокна 7. В этих состояниях условия для полного внутреннего отражения больше не удовлетворяются, и свет выходит из сердцевины волокна 7 во внешнюю оболочку. Этот свет теряется вследствие затухания, что приводит к повышению потери обнаруживаемого рассеянного обратно света. Каждый из датчиков 2 а, 2b намотан вокруг внутреннего каркаса 6 шланга по спирали для максимизации зоны обнаружения утечки и, следовательно, минимизации времени до обнаружения утечки. Защитная трубка 14 окружает каждый из датчиков 2 а, 2b для защиты их от повреждения, но позволяет протекать нефти и воде с места течи с достижением датчиков 2. Датчик 2 а углеводородов содержит сердцевину 3 датчика из армированного стеклом полимера, покрытую разбухающим материалом 5, таким как отверждающийся при нагревании силиконовый полимер,который расширяется при контакте с обычным углеводородным топливом, подобным бензину. На сердцевину 3 датчика материал 5 наносят методом опрессовки или окунания и наносят в виде тонкого покрытия от около 50 мкм до около 100 мкм. Для обнаружения более тяжелого топлива и нефти силикон можно заменить другими каучуковыми соединениями, таким как бутилкаучук и каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера. Эти материалы 5 можно повторно использовать для обнаружения того же самого флюида после того, как они полностью высушены.-2 013831 Волоконно-оптический датчик 2b, выполненный для обнаружения присутствия воды, содержит сердцевину 3 датчика, покрытую гидрогелем, который разбухает при контакте с водой. Одним примером подходящего гидрогеля является блок-сополимер полиэтиленоксида-сополи(пропиленоксида) и полиуретанмочевины. При изменении отношения полиэтиленоксида к пропиленоксиду изменяются разбухание и физические характеристики материала. Поэтому соотношение компонентов выбирают из условия максимального разбухания при контакте с водой, но все же сохранения оптимальной физической прочности. Гидрогель возвращается в неразбухшее состояние после того, как его высушивают, и затем он может быть использован повторно. Должно быть понятно, что любые другие подходящие материалы, у которых обнаруживаются аналогичные физические характеристики, можно использовать для обнаружения углеводородов или воды. Присутствие других флюидов также можно обнаружить, используя любой подходящий материал, который может быть нанесен на сердцевину 3 датчика и у которого проявляется предсказуемое изменение объема при контакте с конкретным флюидом. Что касается фиг. 1-4, то для образования непрерывного шланга отдельные секции 4 шланга могут быть соединены друг с другом шланговым соединителем 10, который содержит шланговый концевой фитинг 11. На первом конце шлангового фитинга 11 конец внутреннего каркаса 6 шланга уплотнен относительно наружного края концевого фитинга 11. Второй конец концевого фитинга 11 содержит металлический фланец 16, выполненный для прикрепления болтами к металлическому фланцу соседнего шлангового концевого фитинга 11. Защитная трубка 14, содержащая каждый из волоконно-оптических датчиков 2 а, 2b, расположена на всем протяжении длины секции 4 шланга между внутренним каркасом 6 шланга и внешним каркасом 8 шланга. Длина волоконно-оптического датчика 2 а, 2b больше, чем длина секции 4 шланга, и поэтому дополнительные витки датчика продолжаются за пределы защитной трубки 14. При использовании шланг испытывает растяжение и сокращение, и эта дополнительная длина датчика предусмотрена для приспособления к этому. Защитная трубка 14 изготовлена из растяжимого материала и прикреплена на концах к шланговому концевому фитингу 11 и является неподвижной относительно него. Поэтому трубка 14 растягивается и сокращается вместе со шлангом. Защитная трубка 14 содержит намотанную по спирали плоскую ленту или проволоку, изготовленную из металла, достаточно прочной пластмассы или другого подходящего материала. В состоянии уменьшенного напряжения имеются промежутки между витками спирали для обеспечения возможности сокращения защитной трубки при сокращении шланга. Датчики 2 являются нерастяжимыми и свободными для перемещения внутри защитной трубки 14. Если секция 4 шланга растягивается, дополнительный участок датчика 2 втягивается в защитную трубку 14 и является достаточным для вытягивания на всем протяжении длины секции 4 шланга. Если секция 4 шланга и, следовательно, защитная трубка 14 сокращаются, то любой избыточный участок датчика вытягивается за пределы конца трубки 14. Длина оптического волокна и, следовательно, датчика является постоянной для каждой секции 4 шланга, так что расстояние места утечки от блока оптической временной рефлектометрии показывает, в какой секции 4 шланга происходит утечка и местоположение утечки на всем протяжении секции 4 шланга. Водонепроницаемый коробчатый корпус 20 прикреплен к шланговому концевому фитингу 11 и является неподвижным относительно него. Отверстие 22 в коробчатом корпусе 20 сообщается с промежутком между внутренним 6 и внешним 8 каркасами и герметически закрыто снаружи внешним каркасом 8 шланга. Защитная трубка 14 протянута в отверстие 22 водонепроницаемого коробчатого корпуса 20 и является неподвижной относительно него. Избыточные витки каждого датчика 2 а, 2b вытянуты из конца защитной трубки 14 и размещены в водонепроницаемом коробчатом корпусе 20. Водонепроницаемый корпус 20 также содержит водонепроницаемый оптический проходной адаптер 26, установленный на торцевой стенке 28 корпуса 20. Оптический проходной соединитель 25 предусмотрен на конце волоконно-оптических датчиков 2 а, 2b и выполнен для прикрепления волоконнооптического датчика к проходному адаптеру 26. Кроме того, предусмотрена оптическая кабельная перемычка 12, которая продолжается между каждым из волоконно-оптических датчиков 2 а, 2b двух соседних секций 4 шланга. Соединитель 13 кабельной перемычки на каждом конце оптической кабельной перемычки 12 выполнен для соединения кабеля 12 с оптическим проходным адаптером 26 соседних секций 4 шланга, и этим обеспечивается непрерывный оптический сигнал из секции шланга к секции шланга. Оптическая кабельная перемычка 12 протянута вокруг наружной стороны шлангового соединителя 10 и защищена износостойкой оболочкой 18 кабеля поверх открытых участков фланца. Если кабельная перемычка 12 повреждается внешними силами, соединители 13 позволяют без труда отсоединить и заменить кабель. Что касается фиг. 5, то уровень обнаруженного рассеянного обратно света может быть отображен в виде графика зависимости интенсивности от расстояния вдоль волокна. Синхронизация во времени излучаемых импульсов света является известной, а уровень рассеянного обратно света регистрируется в определенный момент времени после излучения импульса. Расстояние, которое прошел сигнал по оптическому волокну 7, для любого определенного момента времени является известным, и поэтому интенсивность рассеянного обратно света может быть отображена как функция расстояния вдоль по длине-3 013831 волокна. Существуют собственные потери интенсивности света в любом нормальном оптическом волокне, и обычно у оптического волокна проявляются подобные характеристики потерь на всем протяжении длины. Поэтому график интенсивности рассеянного обратно света в зависимости от расстояния вдоль волокна в случае нормального волокна является линейным с отрицательным градиентом. Это отображено на экране 32 в виде эталонной трассы 30. Как рассматривалось выше, утечка 34 в шланге 4 вызывает повышение потери света в месте утечки 34 вдоль оптического волокна 7. Поэтому это приводит к большему снижению уровня рассеянного обратного света с этого места по сравнению с ожидаемым. Обнаруженный сигнал 36 отображают на экране 32 и сравнивают с эталонной трассой 30 для определения, происходит ли утечка. Неожиданное падение интенсивности по сравнению с интенсивностью эталонной трассы 30 в том же самом месте указывает на наличие утечки в этом месте. Поэтому местоположение утечки может быть обнаружено на всем протяжении шланга. Поскольку длина оптического волокна, относящаяся к каждой секции шланга, является постоянной,то, когда шланг изготовлен из некоторого количества секций шланга с датчиками, соединенными друг с другом, как описано, для образования единственного датчика, продолжающегося, по существу, по всей длине шланга, может быть определено расстояние вдоль шланга до обнаруженной утечки. На основании этого может быть идентифицирована секция шланга, в которой произошла утечка. Кроме того, с точностью, которая зависит от блока оптической временной рефлектометрии (БОВР), также может быть определено место на всем протяжении этой секции шланга, в котором утечка произошла. Для исключения необходимости наблюдения индицируемого сигнала получают разностную трассу для обнаружения разностей между эталонной трассой 30 и обнаруженным сигналом 36. Задают пороговое значение, и любой разностью между двумя сигналами, которая превышает пороговое значение, приводится в действие аварийная сигнализация, предупреждающая оператора о возможном наличии утечки. Место нахождения утечки 34 регистрируется как расстояние вдоль длины шланга или как вариант отображается на схематической карте контролируемой длины шланга. Должно быть понятно, что детектор утечки согласно описанному осуществлению можно приспособить для обнаружения присутствия иных флюидов, а не углеводородных продуктов и воды, и что дополнительные датчики можно включить в детектор для содействия обнаружению большего количества, чем двух различных флюидов. Также должно быть понятно, что оператор может быть предупрежден о наличии утечки рядом различных способов. Например, сигнал тревоги может быть звуком на месте нахождения детектора или в качестве варианта сигнал можно передать на удаленное устройство. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для обнаружения утечки, содержащее волоконно-оптический датчик, выполненный для обнаружения утечки флюида сквозь каркас шланга, в котором датчик выполнен для обнаружения места утечки на всем протяжении секции шланга. 2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее излучатель, выполненный для излучения светового импульса в оптическое волокно, и детектор, выполненный для обнаружения отраженного сигнала и для регистрации изменений интенсивности отраженного сигнала с течением времени. 3. Устройство по п.1 или 2, в котором волоконно-оптический датчик расположен между внутренним каркасом шланга и внешним каркасом шланга. 4. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором волоконно-оптический датчик продолжается на всем протяжении длины шланга. 5. Устройство по п.4, в котором датчик расположен по спирали на всем протяжении длины шланга. 6. Устройство по любому предшествующему пункту, в котором датчик дополнительно содержит материал, чувствительный к флюиду и способный изменять объем при контакте с этим флюидом. 7. Устройство по п.6, в котором волоконно-оптический датчик содержит сердцевину датчика,включающую в себя материал, чувствительный к флюиду, и в котором оптическое волокно закреплено на сердцевине датчика. 8. Устройство по любому из пп.6 или 7, в котором оптическое волокно закреплено на материале,чувствительном к флюиду, нитью так, что при изменении объема материала оптическое волокно способно прижиматься к нити, вызывая микроизгиб волокна. 9. Устройство по любому из пп.6-8, в котором материал, чувствительный к флюиду, способен расширяться при контакте с углеводородом. 10. Устройство по п.9, в котором материал, чувствительный к флюиду, является силиконовым полимером. 11. Устройство по любому из пп.6-9, в котором материал, чувствительный к флюиду, способен расширяться при контакте с водой. 12. Устройство по п.11, в котором материал, чувствительный к флюиду, является гидрогелем. 13. Устройство по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащее второй волоконно-оптический датчик, выполненный с возможностью обнаружения утечки различных флюидов.-4 013831 14. Устройство по п.1, в котором концы защитной трубки закреплены на концах секции шланга. 15. Устройство по любому из пп.1-14, в котором датчик способен свободно перемещаться внутри защитной трубки и в котором участок датчика продолжается за пределы конца защитной трубки для согласования с любым изменением длины секции шланга. 16. Устройство по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащее водонепроницаемый корпус, расположенный на конце секции шланга. 17. Устройство по п.16, в котором конец волоконно-оптического датчика размещен внутри водонепроницаемого корпуса. 18. Устройство по п.16 или 17, в котором водонепроницаемый корпус вмещает дополнительный участок волоконно-оптического датчика, выполненный для согласования с любым изменением длины секции шланга. 19. Устройство по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащее оптическую кабельную перемычку, выполненную для протягивания между волоконно-оптическим датчиком секции шланга и волоконно-оптическим датчиком второй присоединенной секции шланга с целью обеспечения оптической непрерывности. 20. Устройство по п.19, дополнительно содержащее оптический проходной адаптер, выполненный для обеспечения водонепроницаемого соединения между волоконно-оптическим датчиком и оптической кабельной перемычкой. 21. Устройство по п.20, в котором оптический проходной адаптер продолжается сквозь стенку водонепроницаемого корпуса. 22. Устройство по п.20 или 21, дополнительно содержащее оптический проходной соединитель,выполненный для соединения оптического волокна с оптическим проходным адаптером, и соединитель кабельной перемычки, выполненный для соединения оптической кабельной перемычки с оптическим проходным адаптером. 23. Устройство по пп.19-22, в котором оптическая кабельная перемычка защищена защитной оболочкой кабеля. 24. Устройство по любому предшествующему пункту, дополнительно содержащее дисплей, выполненный для отображения обнаруженного сигнала графически. 25. Устройство по п.24, в котором дисплей дополнительно выполнен для отображения эталонной трассы. 26. Отрезок шланга, включающий в себя волоконно-оптический датчик, помещенный в защитную трубку и продолжающийся на всем протяжении отрезка шланга и выполненный с возможностью обнаружения местоположения утечки флюида сквозь каркас шланга, в котором защитная трубка выполнена с возможностью растяжения при растяжении отрезка шланга и сокращения при сокращении отрезка шланга. 27. Отрезок шланга по п.26, в котором волоконно-оптический датчик продолжается на всем протяжении длины шланга и расположен между внутренним каркасом шланга и внешним каркасом шланга. 28. Отрезок шланга по п.26 или 27, в котором волоконно-оптический датчик содержит оптическое волокно и материал, чувствительный к флюиду и способный изменять объем при контакте с этим флюидом. 29. Отрезок кабеля по п.28, в котором оптическое волокно закреплено на материале, чувствительном к флюиду, в результате чего изменение объема материала способно вызывать изгиб волокна.