海底管道分布式光纖傳感器安裝工藝研究

陳同彥,蔣習(xí)民

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東 東營(yíng) 257026)

海底管道處于海底泥面以下，無法通過常規(guī)的人員巡檢及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。存在安全隱患的海底管道遭遇惡劣海況，將可能導(dǎo)致管線的泄漏或斷裂，造成重大經(jīng)濟(jì)損傷和海水污染等嚴(yán)重后果 。埕島油田地處黃河口水下三角洲，研究區(qū)海洋動(dòng)力、淺層工程地質(zhì)、海底地貌條件十分復(fù)雜，海床穩(wěn)定性差，局部沖刷和大范圍沖刷普遍存在，常常造成海底管道底部周圍沖刷淘空，嚴(yán)重威脅海底管道的安全運(yùn)行，進(jìn)而影響埕島油田安全生產(chǎn)。為提高管線安全，需要結(jié)合埕島油田海底管道設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，研制海底輸油管線在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在陸地管道在位監(jiān)測(cè)中具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，但由于海底管道特殊的施工工藝和運(yùn)行過程需要承受的惡劣的海洋環(huán)境條件、意外荷載沖擊、災(zāi)害性地質(zhì)破壞等原因，如何將分布式光纖傳感器安全可靠的安裝在海底管道上是海底管道在線健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中的最大難題之一[1-4]。為解決這一難題，通過特種分布式光纖傳感器研制、分布式光纖傳感器可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證、分布式光纖傳感器可靠性防護(hù)方案研究、分布式光纖傳感器布設(shè)方案研究和分布式光纖傳感器的三步法海上施工工藝研究等研究，解決分布式光纖傳感器在埕島油田拖管法施工海底管道上的安裝問題。研究成果在CB25A-CB25B海底管道項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證，取得良好效果，表明新型的分布式光纖傳感器安裝工藝方案是可行的。

1 特種分布式光纖傳感器研制

光纖本身脆弱易損，但作為海底管道上安裝的傳感器要求其具有特殊的抗外界抗沖擊能力。因?yàn)榉植际焦饫w傳感器需要先在海底管道上進(jìn)行陸地預(yù)裝，再進(jìn)行拖管或者鋪管法海上安裝。在海上安裝過程中，光纖傳感器經(jīng)過滑道滾輪或者鋪管船張緊器、滾輪時(shí)，需要承受很大的局部荷載，因此要求傳感器具有相應(yīng)的抗沖擊能力。同時(shí)，考慮到光纖傳感器的受力和海底管道的安裝工藝，要求光纖傳感器應(yīng)具有較小的截面。

新型傳感器通過多股鋼絞線加強(qiáng)保護(hù)光纖，使分布式光纖傳感器的表面強(qiáng)度得到提高。特種分布式光纖傳感器截面從里到外由光纖、鋼絞線和聚合物外保護(hù)層三部分組成。處于中心位置的光纖作為感受外部力學(xué)和熱學(xué)作用的的感知單元；鋼絞線通過螺旋纏繞與光纖之間產(chǎn)生較大的摩擦力，保證光纖與鋼絞線協(xié)同變形，作為傳感器的加強(qiáng)保護(hù)單元；最外側(cè)的聚合物外保護(hù)層采用與鋼絞線彈模相類似的聚彈性材料制作起包裹作用，使傳感器定型，同時(shí)防止鋼絞線受海水腐蝕。傳感器結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示。

圖1 鋼絞線封裝分布式光纖傳感器

2 分布式光纖傳感器可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

分布式光纖傳感器在海底管道長(zhǎng)期服役過程中，有可能因?yàn)閼铱绲某霈F(xiàn)而承受海流的沖刷，也有可能因?yàn)榈谌交顒?dòng)受到?jīng)_擊作用(比如挖溝噴射或拋錨)。海底管道專用分布式光纖傳感器需要具有良好的抗水流沖刷和沖擊作用性能。針對(duì)海底管道分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)開展物理仿真模擬，研究水流沖刷和沖擊循環(huán)對(duì)分布式光纖傳感器可靠性的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出海底管道分布式光纖傳感器的防護(hù)方法。

2.1 分布式光纖傳感器的沖刷可靠性試驗(yàn)

試驗(yàn)中，將表面粘貼有分布式光纖傳感器的海底管道試件放入水流沖刷試驗(yàn)箱內(nèi)(圖2)，然后經(jīng)過一定時(shí)間的沖刷作用后將試件取出，通過分布式光纖數(shù)據(jù)采集儀(BOTDA)測(cè)試傳感器的數(shù)據(jù)，與初始狀態(tài)進(jìn)行比較，來獲得水流沖刷對(duì)分布式光纖傳感器性能的影響。水流沖刷試驗(yàn)箱泵的能力為12.39 m3/h，根據(jù)沖刷試驗(yàn)的具體情況可確定循環(huán)頻率為532次/ h。

圖2 水流沖刷試驗(yàn)箱

圖2 沖擊模擬試驗(yàn)裝置(左圖為光纖自由狀態(tài)，右圖為光纖拉緊狀態(tài))

共做4次沖刷試驗(yàn)，每次沖刷試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)約為10 600次。在每次沖刷試驗(yàn)結(jié)束后，考慮到溫度效應(yīng)，均用當(dāng)前試驗(yàn)數(shù)據(jù)與前一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到分布式光纖傳感器受到?jīng)_刷作用后的變化情況。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過約42 400次的沖刷循環(huán)后，光纖傳感器的測(cè)量結(jié)果幾乎沒有受到影響，驗(yàn)證了水流沖刷對(duì)海底管道分布式光纖傳感器的可靠性不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

2.2 分布式光纖傳感器的抗沖擊可靠性試驗(yàn)

試驗(yàn)通過對(duì)處于自由狀態(tài)和拉伸狀態(tài)兩種工況的分布式光纖傳感器進(jìn)行沖擊，驗(yàn)證特種分布式光纖傳感器的抗沖擊荷載的能力。自由狀態(tài)工況是對(duì)夾于兩鋼板間的處于自由狀態(tài)的金屬索狀應(yīng)變感測(cè)傳感器的沖擊測(cè)試。拉伸狀態(tài)工況是對(duì)一端固定，另一側(cè)懸掛重物的傳感器的沖擊測(cè)試。

分布式光纖傳感器的抗沖擊性能試驗(yàn)主要在自由落體沖擊試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。

自由狀態(tài)傳感器沖擊性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)變差值±50 με，可判斷當(dāng)沖擊力在一定范圍內(nèi)時(shí)(本次試驗(yàn)重錘質(zhì)量與高度的組合9 kg和1.0 m)，沖擊對(duì)光纜傳感性能影響較小。

拉伸狀態(tài)傳感器沖擊性能試驗(yàn)表明沖擊對(duì)處于拉伸狀態(tài)下的金屬索狀應(yīng)變感測(cè)傳感器影響較小，試驗(yàn)中出現(xiàn)較大局部應(yīng)變奇異的情況均為傳感器與導(dǎo)引光纜連接處，較少次數(shù)的沖擊通常不會(huì)對(duì)傳感器本身性能產(chǎn)生較大影響。但是，隨著沖擊次數(shù)的增加，沖擊所形成的傳感器封裝層的局部損傷的累積，將會(huì)在某次沖擊后形成突然的變異行為，造成傳感器不可逆的損傷，影響傳感器對(duì)海底管道的監(jiān)測(cè)。如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到傳感器出現(xiàn)異常，同時(shí)也意味著海底管道受到一定程度的沖擊作用，應(yīng)對(duì)海底管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，確保海底管道安全運(yùn)行。

2.3 分布式光纖傳感器的可靠性防護(hù)方案

通過可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，盡管沖擊作用對(duì)分布式光纖傳感器的測(cè)量性能的影響非常有限，但是多次或較嚴(yán)重的沖擊會(huì)損壞分布式光纖傳感器，因此需研究分布式光纖傳感器的抗沖擊防護(hù)技術(shù)，以保證海底管道分布式光纖傳感器的可靠性。

進(jìn)行閉孔泡沫板保護(hù)狀態(tài)下的分布式光纖傳感器的抗沖擊性能試驗(yàn)，研究閉孔泡沫板對(duì)分布式光纖傳感器抗沖擊性能的提高，進(jìn)而提出分布式光纖傳感器的可靠性保護(hù)技術(shù)。試驗(yàn)時(shí)分布式光纖傳感器處于自由狀態(tài)。試驗(yàn)中采用的閉孔泡沫板為聚乙烯閉孔泡沫板，閉孔泡沫板具有良好的抗拉、抗撕裂、壓縮強(qiáng)度，并具有較強(qiáng)的變形能力，以及穩(wěn)定的熱學(xué)和防潮性能。試驗(yàn)證明，閉孔泡沫板保護(hù)技術(shù)可以顯著提高分布式光纖傳感器抗沖擊能力。

3 分布式光纖傳感器布設(shè)方案

3.1 平管段分布式光纖布設(shè)

由于埕島油田海底管道大部分采用浮拖法施工，因此分布式光纖傳感器自浮拖管段預(yù)裝、焊接完成后進(jìn)行布設(shè)。通過對(duì)各種布設(shè)固定方案進(jìn)行研究，確定采用施工簡(jiǎn)單的外管表面粘貼法進(jìn)行布設(shè)，并篩選采用了國(guó)產(chǎn)鳳凰牌WSR6101粘結(jié)劑。同時(shí)，對(duì)承受較大荷載的區(qū)域的光纖傳感器采用閉孔泡沫板防護(hù)對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。

3.2 立管段分布式光纖布設(shè)

海底管道立管受風(fēng)、浪、流和海冰等海洋環(huán)境的長(zhǎng)期作用，對(duì)分布式光纖的布設(shè)防護(hù)要遠(yuǎn)高于海底管道平管段。

埕島油田屬于冰區(qū)，因此海底管道立管都設(shè)有抗冰護(hù)管，其實(shí)際是由兩片半瓦式鋼板焊接到海底管道外管外側(cè)?；谝陨狭⒐芙Y(jié)構(gòu)形式，為便于光纖傳感器的安裝和防護(hù)，將海底管道抗冰護(hù)管結(jié)構(gòu)由2片改為多片結(jié)構(gòu)形式，各片之間留有一定縫隙，將穿有保護(hù)套管的光纖保護(hù)套管埋設(shè)在護(hù)管瓦片之間縫隙中，使光纖傳感器不再直接承受冰荷載和波流荷載的直接作用，示意圖見3。在沒有抗冰護(hù)管的其他部位，受力情況和平管段類似，采用常規(guī)的粘貼法布設(shè)，為了防止立管吊裝過程中光纖傳感器的破壞，對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行閉孔泡沫板防護(hù)，見圖3。

圖3 立管段分布式光纖布設(shè)

4 外管分布式傳感器的三步法海上施工工藝

拖管法施工最復(fù)雜的海上安裝工序?yàn)楹Ｉ狭⒐馨惭b和水平口對(duì)接，其需要良好的海上氣象窗口期，作業(yè)受氣象變化影響，要求在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成。同時(shí)，由于海上施工費(fèi)用昂貴，因此要求分布式光纖傳感器海上的安裝布設(shè)須以盡量減少對(duì)海底管道正常施工的影響為原則。

分布式光纖傳感器的三步法施工方案即將分布式光纖傳感器的安裝布設(shè)分成三個(gè)步驟：①分布式光纖傳感器在陸地預(yù)制場(chǎng)就進(jìn)行水平管外表面的布設(shè)(粘貼法施工見3.1)；②海底管道立管處分布式光纖的布設(shè)，并預(yù)留水平段傳感器的導(dǎo)引套管(表面粘貼法和套管保護(hù)法，見3.2)；③海上水平管和立管對(duì)接水平口焊接完成后，將水平管分布式光纖傳感器的預(yù)留段穿入立管預(yù)留的導(dǎo)引套管，并對(duì)傳感器與套管連接部位進(jìn)行封裝保護(hù)。

5 分布式光纖傳感器安裝工藝海上驗(yàn)證試驗(yàn)

海底管道分布式光纖傳感器安裝工藝在埕島油田CB25A-CB25B海底管道項(xiàng)目中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，整個(gè)項(xiàng)目光纖傳感器安裝完成后，通過海底管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲得CB25A-CB25B海底管道的分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5 分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明海底管道路由150 m至460 m范圍隨著位置的增加拉應(yīng)變逐漸增大，最大拉應(yīng)變約為150 με。其余位置的海底管道受到壓應(yīng)變的作用，最大值約為-100 με。整個(gè)海底管道拉、壓應(yīng)變數(shù)值均較小，結(jié)構(gòu)安全性風(fēng)險(xiǎn)性較低?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有效檢驗(yàn)了海底管道分布式光纖傳感器安裝工藝的可行性。

6 結(jié) 論

(1)受海底管道施工工藝各種因素影響，分布式光纖傳感器安裝工藝是制約海底管道光纖在位監(jiān)測(cè)應(yīng)用的最大難題，因此分布式光纖傳感器安裝工藝研究是海底管道在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的研究的關(guān)鍵，對(duì)保證海底管道安全運(yùn)行具有重要意義。

(2)海底管道分布式光纖傳感器安裝工藝研究針對(duì)埕島油田海底管道浮拖法施工和特殊的海底條件，通過新型分布式光纖傳感器和安裝工藝的研究與開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了分布式光纖傳感器在埕島油田新建海底管道的布設(shè)，為海底管道配套在位狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，為埕島油田海底管道的安全管理提供了一種重要思路。