ДЕТЕКТОР УТЕЧЕК

Настоящее изобретение относится к обнаружению утечек, в частности к обнаружению утечек текучей среды в шланге.

Подводный шланг, такой как нефтяной шланг, в общем, испытывает износ, разрывание и старение, а также может подвергаться повреждению в иных формах. Это может привести к разрыву шланга, вызывающему утечку содержимого из шланга или проникновению воды в шланг снаружи. В общем, подводный шланг содержит внутренний каркас и внешний каркас, каждый из которых может разорваться в любой точке вдоль шланга. Отказ внешнего каркаса приведет к проникновению воды, а отказ внутреннего каркаса вызовет утечку текучей среды, транспортируемой по шлангу. На концах секции шланга обычно размещены детекторы, которые обнаруживают утечку, как только текучая среда или вода в результате утечки достигает конца секции шланга. Очевидно, что желательно как можно быстрее обнаруживать любые утечки, а также обнаруживать местоположение и тип утечки.

Состояние уровня техники свидетельствует о наличии детекторов, которые предусматривают использование оптических волокон, установленных в шланге по всей его длине, для обнаружения в нем утечек. В некоторых детекторах оптические волокна покрыты чувствительным к текучей среде материалом, который разбухает при контакте с текучей средой, вызывая деформацию оптического волокна и тем самым оказывая влияние на его оптические характеристики.

В настоящем изобретении предусмотрено чувствительное устройство, обнаруживающее утечку, для секции шланга, содержащее: датчик, содержащий оптическое волокно и выполненный для реагирования на присутствие текучей среды; защитный рукав, в котором заключен датчик и который выполнен для расширения и сжатия, когда секция шланга расширяется и сжимается соответственно; и средство натяжения, соединяющее первый конец датчика с защитным рукавом, выполненное для приложения тягового усилия к датчику в защитном рукаве.

Необязательно, защитный рукав содержит витой удлиненный элемент, а средство натяжения содержит отклоняющее средство, соединенное с витком на первом конце защитного рукава и с первым концом датчика.

Необязательно, отклоняющее средство расположено внутри защитного рукава между первым концом защитного рукава и первым концом датчика и выполнено для отклонения соответствующих первых концов по направлению друг к другу.

Необязательно, средство натяжения содержит: нить, соединяющую первый конец датчика с отклоняющим средством; и муфту, выполненную для крепления нити к первому концу датчика.

Необязательно, муфта выполнена для сжатия при подвергании воздействию тепла и тем самым крепления нити к первому концу датчика.

Необязательно, оптическое волокно содержит на своем первом конце зеркальную поверхность, выполненную для отражения света, излучаемого во второй, противоположный конец оптического волокна, назад вдоль оптического волокна.

Чувствительное устройство, обнаруживающее утечку, может дополнительно содержать: оптическое средство, выполненное для излучения света в оптическое волокно и обнаружения света из оптического волокна; и обрабатывающее средство, функционально соединенное с оптическим средством и выполненное для обработки данных, связанных с обнаруживаемым светом.

Чувствительное устройство, обнаруживающее утечку, может дополнительно содержать передатчик, функционально соединенный с обрабатывающим средством и выполненный для передачи сигнала, несущего обработанные данные.

Чувствительное устройство, обнаруживающее утечку, может дополнительно содержать второй датчик, при этом первый датчик выполнен для реагирования на присутствие первой текучей среды, а второй датчик выполнен для реагирования на присутствие второй текучей среды, отличающейся от первой текучей среды.

В настоящем изобретении также предусмотрена секция шланга, имеющая внутренний каркас и внешний каркас, содержащая устройство по любому предыдущему пункту формулы изобретения, при этом устройство зафиксировано относительно первого конца секции шланга, при этом единственный или каждый датчик расположен между внутренним каркасом шланга и внешним каркасом шланга секции шланга.

Секция шланга может дополнительно содержать второе чувствительное устройство, зафиксированное относительно второго конца секции шланга, при этом единственный или каждый датчик второго устройства расположен между внутренним каркасом шланга и внешним каркасом шланга.

В настоящем изобретении также предусмотрена система обнаружения утечек, содержащая: вышеописанное чувствительное устройство, обнаруживающее утечку; и средство мониторинга, содержащее детектор, выполненный для приема сигнала из передатчика, и средство обработки принимаемого сигнала.

Теперь, лишь в качестве примера, будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 схематически показана система обнаружения утечек в соответствии с вариантом осуществления изобретения, подсоединенная к шлангу;

на фиг. 2 схематически показана одна часть чувствительного устройства, используемого в системе согласно фиг. 1;

на фиг. 3 показано сечение, проведенное через датчик согласно фиг. 2;

на фиг. 4 схематически показан вариант осуществления механизма, противодействующего скоплению, соединяющего датчик согласно фиг. 2 и 3 с защитным рукавом; и

на фиг. 5 схематически показано средство генерирования, обнаружения и передачи сигнала для чувствительного устройства, используемого в системе согласно фиг. 1.

Обращаясь к фиг. 1, отмечаем, что подводный шланг 100 образован из секций 105 шланга и при эксплуатации погружен под воду. Система 110 обнаружения утечек состоит из станции 115 мониторинга и многочисленных чувствительных устройств 120, по два из которых подсоединены к каждой секции 105 шланга в шланге 100. Соответствующие чувствительные устройства 120 независимо осуществляют связь со станцией 115 мониторинга посредством передаваемых сигналов 125 гидролокатора. В других вариантах осуществления шланг 100 не погружают (например, он плавает на поверхности воды), а передаваемые сигналы 125 являются электромагнитными сигналами.

Секции 105 шланга соединены друг с другом своими концами, образуя шланг 100. На каждом конце соответствующих секций 105 шланга имеется концевой фитинг 130 шланга, посредством которого секции 105 шланга соединяются друг с другом. Каждый концевой фитинг 130 состоит из трубчатого участка 130a, соединенного с фланцем 130b большего диаметра. Сквозь фланец 130b проделаны отверстия, посредством которых соответствующие концевые фитинги 130 смежных секций 105 шланга скрепляются болтами друг с другом, образуя водонепроницаемое соединение. В каждой секции 105 шланга, проходящей между двумя концевыми фитингами 130, имеются внутренний каркас 135a и внешний каркас 135b. У каждого концевого фитинга 130 оба каркаса 135a, b плотно надеты на радиальную внешнюю поверхность трубчатого участка 130a. Внешний каркас 135b имеет больший диаметр, чем внутренний каркас 135a, образуя пространство между ними двумя.

Чувствительное устройство 120 установлено на каждом концевом фитинге 130 соответствующих секций 105 шланга. Каждое чувствительное устройство 120 состоит из опрашивающего блока 140 и пары датчиков 145a, b, выступающих из него. Датчики 145a, b выступают бок о бок из соответствующих фиксированных концов, соединенных с опрашивающим блоком 140 на концевом фитинге 130, к соответствующим свободным концам, расположенным приблизительно посредине вдоль длины секции 105 шланга; они обвиты вокруг внутреннего каркаса в пространстве между внутренним и внешним каркасами. Таким образом, каждое чувствительное устройство 120, подсоединенное к секции 105 шланга, проходит вдоль соответствующей половины длины секции 105 шланга.

Обращаясь к фиг. 2 и 3, отмечаем, что датчики 145a, b имеют одинаковую конструкцию. Один из пары датчиков 145a, b используется для обнаружения присутствия углеводородного продукта, такого как нефть, а другой - для обнаружения присутствия воды. Каждый датчик 145a, b содержит сердцевину 200 датчика, покрытую разбухающим материалом 205, который расширяется при контакте с текучей средой. Оптическое волокно 210 связано с имеющей покрытие сердцевиной 200 датчика посредством относительно нерастяжимого связующего материала 215, в этом случае - нити, являющейся кевларовой нитью. Свободный конец оптического волокна 210 является зеркальным, в этом варианте осуществления - за счет соединения с зеркальным оконечным блоком 300 (показанным на фиг. 4). Если либо во внутреннем каркасе шланга, либо во внешнем каркасе шланга происходит утечка, нефть или вода попадет в пространство между каркасами, т.е. в пространство, в котором находится датчик 145a, b. Нефть или вода будет контактировать с датчиками 145a, b, заставляя расширяться разбухающий материал 205 датчика 145a, b углеводородов или датчика 145a, b воды. Когда разбухающий материал 205 расширяется, он принудительно увлекает оптическое волокно 210 к нити 215 связующего материала, вызывая локализованное микроперегибание в оптическом волокне 210 в положениях вдоль датчика 145a, b, соответствующих местоположению утечки. Использование микроперегибания для обнаружения присутствия утечки известно в данной области техники. Можно использовать и другие чувствительные устройства, которые демонстрируют аналогичные отклики.

Обращаясь к фиг. 2 и 4, отмечаем, что каждый датчик 145a, b заключен внутри соответствующего защитного рукава 220, который защищает датчик от повреждения, но позволяет воде или углеводородному продукту, такому как нефть, после утечки достигать датчиков 145a, b. Защитные рукава 220 и датчики 145a, b, заключенные в этих рукавах, проходят от соответствующих зафиксированных концов, которые зафиксированы относительно концевого фитинга 130, до соответствующих свободных концов. Свободные концы расположены приблизительно посредине вдоль длины секции 105 шланга, к которой подсоединены датчики 145a, b. Защитный рукав 220, который в этом варианте осуществления представляет собой витой удлиненный элемент, выполнен в виде спирально намотанной плоской полосы или провода и изготовлен из металла, достаточно твердой пластмассы или иного подходящего материала. При эксплуатации каждая секция 105 шланга испытывает удлинение, расширение и сжатие. Когда секция находится в ненапряженном состоянии, между каждыми соседними витками спирального защитного рукава 220 имеются зазоры, вследствие чего допускается сжатие защитного рукава 220, когда сжимается шланг 100. Аналогично, спиральная конструкция защитного рукава 220 допускает его удлинение, которое приводит к увеличению размеров зазоров между витками. Следовательно, когда секция 105 шланга расширяется или сжимается, это заставляет защитный рукав 220 расширяться или сжиматься, в общем случае не внося повреждение в защитный рукав 220, потому что его конструкция допускает такое расширение и сжатие.

Датчики 145a, b, заключенные внутри защитных рукавов 220, являются нерасширяемыми, т.е. их конструкция не позволяет им расширяться и сжиматься, когда то же самое происходит с защитными рукавами 220. Следовательно, каждый датчик 145a, b заключен внутри защитного рукава 220 таким образом, что допускает движение относительно него. То есть, когда защитный рукав 220 удлиняется и сжимается, между защитным рукавом 220 и датчиком 145a, b происходит относительное осевое движение скольжения.

Обращаясь к фиг. 4, отмечаем, что в каждом датчике 145a, b средство натяжения 305 в форме механизма, противодействующего скоплению, соединяет свободный конец датчика 145a, b со свободным концом защитного рукава 220, который выходит за свободный конец сердцевины 200 датчика. Механизм 305, противодействующий скоплению, заключен в защитном рукаве 220 в пространстве между свободным концом рукава и свободным концом сердцевины 200 датчика. Этот механизм состоит из: стальной пружины 310 растяжения, которая проходит внутри рукава 220 приблизительно соосно с ним; кевларовой нити 315 (или нити из аналогичного материала); и термоусадочной муфты 320.

Пружина 310 растяжения соединена на одном конце, на своем переходном конце, со свободным концом защитного рукава 220 и зафиксирована относительно него. Заключительный виток спирального защитного рукава 220 на своем свободном конце выполнен так, что повернут радиально внутрь (не показано) и делит продольную ось защитного рукава 220 приблизительно пополам. Петля (не показана), образованная на переходном конце пружины 310 растяжения, окружает повернутый внутрь заключительный виток и опирается на него там, где он делит продольную ось защитного рукава 220 приблизительно пополам. Кевларовая нить 315 натянута вокруг крючка (не показан), образованного на другом конце пружины 310 растяжения, и соединяет его со свободным концом датчика 145a, b.

Термоусадочная муфта 320 крепит кевларовую нить 315 к датчику 145a, b, сцепляя ее с поверхностью сердцевины 200 датчика в некотором положении между ее концом и зеркальным оконечным блоком 300. Термоусадочная муфта 320 крепит кевларовую нить 315 к сердцевине 200 датчика на отрезке, достаточном для того, чтобы прочность кевларовой нити 315 на растяжение составляла, по меньшей мере, 37 ньютонов.

При эксплуатации, когда защитный рукав 220 растягивается, он движется в осевом направлении относительно датчика 145a, b таким образом, что расстояние между соответствующими свободными концами датчика 145a, b и защитного рукава 220 увеличивается. В этом случае, пружина 310 растяжения растягивается и позволяет защитному рукаву 220 удлиняться без растяжения датчика 145a, b или в результате этого оптического волокна 210. Аналогично, датчик 145a, b, который неспособен укорачиваться (сжиматься в осевом направлении), движется в осевом направлении относительно защитного рукава 220, когда тот сокращается, так что расстояние между соответствующими свободными концами датчика 145a, b и защитного рукава 220 уменьшается. В этом случае пружина 310 растяжения сжимается и увлекает свободный конец датчика к свободному концу защитного рукава 220. Путем принудительного сведения вместе соответствующих концов датчика и защитного рукава 220 механизм 305, противодействующий скоплению, стремится к поддержанию датчика под натяжением и таким образом - к предотвращению скопления, перекручивания и перегибания внутри защитного рукава 220. Следовательно, механизм 305, противодействующий скоплению, служит для того, чтобы можно было избежать или, по меньшей мере, ограничить повреждение, причиняемое оптическому волокну 210, а также ограничить изменения в уровнях отраженного света, которые в противном случае могли бы происходить из-за перекручивания или перегибания оптического волокна 210.

Обращаясь к фиг. 5, отмечаем, что опрашивающий блок 140 состоит из оптического излучателя/детектора 400, передатчика 405 гидролокатора, запоминающего устройства 410 и микропроцессора 415, который функционально соединен со всеми тремя компонентами 400, 405, 410. В этом варианте осуществления излучатель/детектор 400 представляет собой единое устройство, но другие варианты осуществления вместо этого могут включать в себя соответствующие излучающие и обнаруживающие устройства.

При эксплуатации каждый излучатель/детектор 400 облучает, либо непрерывно, либо периодически, соответствующие оптические волокна 210 двух датчиков 145a, b, которые соединены с ним. В каждом датчике 145a, b свет движется вдоль длины оптического волокна 210 по направлению к зеркальному оконечному блоку 300. Зеркальный оконечный блок 300 отражает этот свет обратно вдоль волокна 210 по направлению к излучателю/детектору 400, где он и обнаруживается. Микропроцессор 415 соединен c излучателем/детектором 400 и собирает и обрабатывает данные, соответствующие обнаруженному свету, а также сохраняет их в запоминающем устройстве 410. Кроме того, микропроцессор 415 посылает данные посредством передатчика 405 гидролокатора на станцию 115 мониторинга. В некоторых вариантах осуществления они передаются на станцию 115 мониторинга посредством повторителя сигнала и/или преобразователя сигнала, который преобразует сигналы 125 гидролокатора в электромагнитные сигналы. В этом варианте осуществления обрабатываемые данные включают в себя данные, соответствующие обнаруживаемому свету, и избыточные данные, связанные с передачей данных (например, данные, предназначенные для коррекции/обнаружения ошибок), как должно быть ясно специалистам в данной области техники. Специалистам в данной области техники также должно быть ясны альтернативные способы обработки, сохранения и передачи данных от излучателя/детектора.

Как уже говорилось, утечка в секции 105 шланга вызывает микроперегибание в локализованных положениях вдоль оптического волокна 210 одного из датчиков 145a, b. В этих положениях свет выходит из сердцевины оптического волокна 210 в наружную оболочку. Следовательно, этот свет утрачивается из-за ослабления света, что приводит к уменьшению количества света, обнаруживаемого излучателем/детектором 400. То есть интенсивность света, обнаруживаемого излучателем/детектором 400, падает в результате вступления нефти или воды в контакт с разбухающим материалом 205. Должно быть ясно, что обнаружение нефти или воды будет происходить во всех точках вдоль оптического волокна.

Микропроцессор 415 имеет доступ к значениям, соответствующим интенсивности либо времени начала, времени окончания и длительности интервала между импульсами света, излучаемыми излучателем/детектором 400, при этом все эти значения хранятся в запоминающем устройстве 410. Свет, обнаруживаемый излучателем/детектором 400, подвергается мониторингу. Микропроцессор 415 обрабатывает данные о свете, обнаруживаемом в период мониторинга, и сохраняет обработанные данные в запоминающем устройстве 410. Изменения интенсивностей обнаруживаемого света в течение периода мониторинга соответствуют обнаружению текучих сред, находящихся в контакте с датчиками. В качестве части обработки обнаруживаемого света микропроцессор 415 сравнивает значения обнаруживаемого света за период мониторинга с ожидаемыми значениями интенсивности (которые хранятся в запоминающем устройстве 410) в течение этого периода. Если обнаруживаемое значение интенсивности падает значительно по отношению к ожидаемому значению, с которым оно сравнивается, то это указывает, что возникла утечка. Микропроцессор 415 сохраняет в запоминающем устройстве 410 величины разностей между обнаруживаемыми значениями и ожидаемыми значениями, а также больше ли или меньше обнаруживаемые значения, чем ожидаемые значения. Эти значения являются частью данных, которые передаются на станцию 115 мониторинга, т.е. данных, соответствующих обнаруживаемому свету.

Следует понимать, что оператора можно уведомить о присутствии утечки посредством множества возможных способов. Например, аварийным сигналом может быть звуковой сигнал на станции 115 мониторинга, или в альтернативном варианте сигнал можно посылать в удаленное устройство. Станция 115 мониторинга может быть выполнена для издания звука аварийного сигнала в ответ на определенные условия, которым удовлетворяют данные, принимаемые системой. Например, принимаемые данные включают в себя величины разностей между обнаруживаемыми значениями и ожидаемыми значениями интенсивности света, а станция 115 мониторинга может быть выполнена для идентификации случаев, когда эти величины превышают предварительно определенный порог, и издания звука аварийного сигнала или посылки сигнала в ответ на это.

В описываемых вариантах осуществления датчик 145a, b углеводородов содержит сердцевину 200 датчика, выполненную из полимера, армированного стекловолокнами (GRP), и покрытую разбухающим материалом 205, таким как термоотверждаемый силиконовый полимер, который расширяется при контакте с обычными углеводородными топливами типа бензина. Разбухающий материал 205 экструдируют или, в альтернативном варианте, наносят погружением на сердцевину 200 датчика и применяют в качестве тонкого покрытия, толщина которого находится в диапазоне приблизительно между 50 микронами и 100 микронами. Датчик 145a, b воды содержит аналогичную сердцевину 200 датчика, покрытую разбухающим материалом 205 типа гидрогеля, который разбухает при контакте с водой. Гидрогель представляет собой полиуретанмочевину (PUU), содержащую блок-сополимер поли(этиленоксида)-сополи(пропиленоксида) (PEO/PPO). Отношение PEO к PPO изменяет разбухание и физические характеристики разбухающего материала 205. Поэтому соотношения компонентов выбирают так, чтобы обеспечить максимальное разбухание при контакте с водой, поддерживая при этом оптимальную физическую прочность. Эти материалы можно повторно использовать для обнаружения той же текучей среды еще раз, когда они полностью высохнут.

Следует понимать, что в модификациях/альтернативах описанных вариантов осуществления можно применять для обнаружения углеводородов или воды другие конструкции датчиков, которые работают по принципу микроперегибания, и можно использовать другие подходящие материалы, которые отображают аналогичные физические характеристики. Детекторное устройство 120 может включать в себя дополнительные датчики для облегчения обнаружения более чем двух разных текучих сред. Для обнаружения более тяжелых разновидностей топлива и нефти вместо силикона можно использовать другие полимерные смеси, такие как бутилкаучук или EPDM. Присутствие других текучих сред, таких как газы, также можно обнаруживать путем использования любого подходящего материала, который можно нанести в виде покрытия на сердцевину 200 датчика и который испытывает предсказуемое объемное изменение, когда находится в контакте с конкретной текучей средой.

В вышеизложенном описании возможных вариантов осуществления каждое чувствительное устройство 120 включало в себя два датчика 145a, b, которые обвиты вокруг внутреннего каркаса 135a. В модификациях описанных вариантов осуществления или в альтернативных вариантах осуществления датчики могут проходить, по существу, вдоль длины секции шланга между его концами, возвращаясь назад один или более раз, так что разные участки датчиков окажутся пролегающими рядом друг с другом и параллельно друг другу. В других вариантах осуществления каждое чувствительное устройство может содержать лишь один датчик, а он может проходить от одного конца пространства между каркасами до другого. В таком варианте осуществления каждое из соответствующих чувствительных устройств на противоположных концах секции шланга может быть выполнено для обнаружения различной текучей среды, а датчики могут быть навиты один после другого вдоль всей длины пространства между каркасами.

В модификациях описанных вариантов осуществления зеркальный оконечный блок 300 может быть заменен зеркальной полировкой, которой подвергают оптическое волокно 210.

В модификациях описанных вариантов осуществления стальная пружина 310 натяжения может быть заменена эластичным элементом или другими подходящими отклоняющими средствами, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники.

В модификациях описанных вариантов осуществления кевларовую нить 315 можно заменить проволокой/нитью из любого подходящего материала, такого как сталь или пластмасса. В альтернативном варианте эту нить можно полностью исключить, а пружину 310 или другое отклоняющее средство можно соединить непосредственно с сердцевиной 200 датчика.

В модификациях описанных вариантов осуществления термоусадочную муфту 320 можно заменить любым средством, подходящим для фиксирования нити 315 (или ее альтернатив) или, в альтернативном варианте, пружины/отклоняющего средства к сердцевине датчика. Подходящее средство может включать в себя смыкаемую металлическую муфту, такую как стяжной хомут, или может включать в себя винты, заклепки и т.д., вставляемые в сердцевину 200 датчика 200. Специалист, несомненно, поймет, о каких других подходящих средствах идет речь.

В описываемых вариантах осуществления или их альтернативах микропроцессор 415 может быть любым подходящим, предпочтительно маломощным, процессором, таким как ARM7TDMI или аналогичный. Запоминающее устройство 410, с которым он соединен, может быть встроенным или внешним запоминающим устройством в любой подходящей компоновке; оно лишь должно быть пригодным для хранения и извлечения данных, как описано выше.

В модификациях описанных вариантов осуществления некоторые или все операции обработки, проводимой микропроцессором 415, можно осуществлять на станции 115 мониторинга. Например, микропроцессор 415 может просто работать с возможностью того, чтобы брать данные из излучателя/детектора 400 и передавать их посредством передатчика 405 в консоль 115 мониторинга, где их анализируют (например, сравнивают с ожидаемыми значениями интенсивности).