技术领域
[0001] 本
发明涉及包括
钢丝的柔性加强软管，以及用于检查或监控这些软管的方法，及用于检测软管内的钢丝的失效的方法。软管是指用于输送
流体的柔性管状
导管；并且通过在软管壁内提供钢丝或
钢筋来加强某些类型的软管。钢丝或钢筋为软管提供一定
刚度，但软管仍然是柔性的。例如，本发明适用于被称为柔性立管的软管类型。
背景技术
[0002] 柔性立管(flexible risers)用于将油气井连接到浮动生产平台，柔性立管是包括作为加强件的钢丝或钢筋(steel ligaments)的柔性软管。一般地，这种立管连接到浮动平台上的转台(turret)，转台提供一定程度的旋转，或者以其它方式连接到浮动平台上的固定管道，并且柔性立管可以是数百或数千米长。这种柔性立管的失效会导致大量的油
泄漏到环境中。已经发现，这种立管通常在立管连接到转台的点附近或在沿其长度的
支撑点附近失效。该失效可能是由于立管外层损坏引起的
腐蚀造成的，或者可能是由于立管在浮动平台的
波动和旋转引起的最大
力的点处承受的疲劳负荷。这种失效模式被识别，并且US 7 876 096(MAPS技术有限公司)描述了一种检查这种立管以警告失效
风险的方法，适用于原位连接到转台并且承载产品的柔性立管。
[0003] 如US 7 876 096中所述，电磁探针可被用于检测加强线或加强筋中的
应力，但是相邻筋之间的间隙使测量复杂化，这些间隙通常不均匀并且可能在使用期间变化。另外，为了降低这种类型的失效的风险，立管可以设置有与立管连接到转台的点相邻的强化
套管(stiffening sleeve)，并且该强化套管将妨碍该测量或检测过程。
发明内容
[0004] 根据本发明的一个方面，提供一种包括大致圆筒形管状结构的柔性软管，该管状结构包括靠近外部纵向延伸表面的至少一个钢筋层，该钢筋被包封在包括聚合材料的管状层内，其中，柔性软管还包含嵌在管状层内的多个传感线圈，每个传感线圈是位于与相邻钢筋层基本平行的平面内的扁平线圈，使得
正交于扁平线圈的平面的线圈的轴线相对于管状结构沿径向方向延伸。
[0005] 每个这样的传感线圈必须连接到
电路，由此可以检测或监测由线圈感测的
信号。因此，每个线圈可以电连接到
信号处理电路，用于放大和数字化来自线圈的信号。每个线圈可以例如安装在嵌在管状层内的柔性
电路板上，所述电路板还承载用于放大和数字化来自线圈的信号的电路。信号处理电路还可以包括用于从射频电
磁场或从交变磁场获得电力的电力接收电路，以及用于通过
射频信号将数据传输到外部射频接收器的传输电路。电力接收电路还可以接收定时信息。这种电力接收电路和这种传输电路也可以包含在电路板上。
[0006] 提供这种电力接收电路和传输电路，结合信号处理电路，确保传感线圈能够在不与任何外部电路直接连接的情况下起作用。如同RFID设备，与传感线圈相关的电路可以从射频信号中获取
电能和定时数据，放大并数字化来自线圈的检测信号，并可选择地将检测到的信号分解为同相(in-phase)分量和正交(quadrature)分量，以及然后通过射频信号将该数据传输到外部射频接收器。
[0007] 以与US 7 876 096中描述的方式类似的方式，如果钢丝承受小于饱和的交变磁场(alternating magnetic field)，则可以根据来自传感线圈的信号确定钢丝中的应力。这需要使用至少一个驱动线圈来产生磁场，并且需要使用
电流源向驱动线圈提供交流电以产生交变磁场；交变磁场应显著小于导致钢筋饱和所需的磁场。电流源可被布置为连续地(in succession)提供多个不同的
频率。
[0008] 根据表示当相邻钢筋承受交变磁场时由每个传感线圈感测到的磁通
密度的信号，可以推导出对钢筋中的应力敏感的参数；以及从不同钢筋之间的该参数的任何变化，可以检测是否有任何钢筋断裂或过度张紧(over-stressed)。测量过程使得在软管或立管的操作期间能够监测每个钢筋中的应力。应力的测量允许计算钢筋内的疲劳损伤，并且更准确地估计软管或立管的剩余寿命。
[0009] 用作立管的柔性软管通常包括至少两个螺旋缠绕的钢丝层，有时包括更多层，并且失效模式通常涉及外部钢加强线或钢加强筋之一的疲劳断裂。当线或筋以这种方式失效时，剩余的完整线必须承受额外的负荷，因此其总应力增加。通过监测所有钢筋中的应力，一个或多个线或筋的失效将从测量的应力的变化中显而易见。在筋断裂的情况下，其应力将显著减小，并且可以检测到这种情况。一个区域中的应力的增大可能表明附近区域的筋失效。应力的增大也可能表明在表面更下方的加强元件之一发生失效。由于测量的是应力，因此沿着软管或立管从断裂的
位置进行测量可达数米，因为线沿着其长度的数米将经历由于断裂引起的应力变化。
[0010] 因此，在第二方面中，本发明提供了一种监测或测量比如为立管的软管内的筋中的应力的方法，其中软管具有上述特征。
[0011] 在执行该方法时，施加交变磁场，该交变磁场必须在感测线圈附近具有至少沿径向方向(相对于立管)的分量，并且因此平行于感测线圈的轴线。交变磁场可以具有与立管内的线平行的分量，或者可以与线正交。
[0012] 在一种操作方法中，例如通过布置在感应线圈附近环绕软管或立管的至少一个驱动线圈，感测线圈附近的软管或立管承受交变磁场，该交变磁场部分地平行于软管或立管的该部分的纵向轴线。这可以利用轴向间隔开的两个驱动线圈，传感线圈是与两个驱动线圈相邻的线圈。替代地，可以有轴向间隔开的两个轭(yokes)，每个轭具有径向延伸的极靴(pole piece)。
[0013] 在可替代的操作方法中，在传感线圈附近的软管或立管在相对于立管的该部分的纵向轴线在径向的方向上承受交变磁场；这可以通过使用驱动线圈与具有径向延伸的极靴的
铁磁轭的结合来实现，所述铁磁轭例如在相对的端部上具有径向延伸极靴的半圆形轭，使得极靴彼此在直径上相对。作为另一个例子，圆形轭可以布置成围绕软管或立管，所述轭设置有多个径向延伸的极靴，每个这样的极靴上具有驱动线圈。在这种情况下，可以通过在任何一个时刻激励一对驱动线圈、例如一对在直径上相对的驱动线圈，或者通过激励两个相邻的驱动线圈以及此外两个在直径上相对的驱动线圈来产生交变磁场。
[0014] 应力测量方法可以包括将来自
传感器的信号分解(resolving)为与交变磁场同相的磁通密度(magnetic flux density)分量，以及与交变磁场正交的磁通密度分量，并且因此推导出基本不受剥离(lift-off)影响的应力依赖性参数；信号分析可以利用在交变磁场的几个不同频率下进行的测量。来自传感器线圈的信号优选地在分析之前被数字化。
[0015] 本发明的另一方面提供了一种用于结合在这种柔性软管中的
电子传感器，该电子传感器包括至少一个传感线圈以及用于通过射频信号将数据传输到外部射频接收器的传输电路，该传感线圈连接到信号处理电路，用于放大和数字化来自线圈的信号，由此可以检测或监测由线圈感测的信号。
[0016] 信号处理电路还可以包括用于从射频
电磁场或从交变磁场获得电力的电力接收电路。电力接收电路还可以接收定时信息。每个这种电子传感器可以安装在柔性电路板上，柔性电路板则可以嵌在柔性软管的管状层内。在一个
实施例中，多个这样的电子传感器沿着带的长度结合，该带可以在软管的制造期间缠绕在软管的周边上，然后带被
聚合物层
覆盖。
[0017] 下面将主要在柔性立管的背景下描述本发明，但是应当理解的是，其适用于各种不同的软管，这些软管包括在聚合材料管状外层下面的一层或多层钢丝。这种加强的软管可以例如被用于在存储仓库的
建筑物之间运输
液体燃料。
附图说明
[0018] 现在将仅通过示例并参考附图进一步且更具体地描述本发明，其中：
[0019] 图1示出立管的一部分的透视剖视图，以显示其内部结构；
[0020] 图2示出立管和浮动平台之间的连接的示意性侧视图，其示出强化套管；
[0021] 图3示出穿过图1的立管的一部分的示意性剖视图，其包含电子模
块；
[0022] 图4示出图3的电子模块的示意图；
[0023] 图5示出结合立管与电子模块的装置的透视图；
[0024] 图6示出结合立管与电子模块的替代装置的透视图；以及
[0025] 图7示出对图5的装置的改型的透视图。
具体实施方式
[0026] 参照图1，用作承载加压流体的软管的柔性立管10具有多个同心层。螺旋缠绕的弯曲
钢带的最内层12提供抵抗外部压力的阻力，并且类似的螺旋缠绕的钢带层14提供环向强度，并且在这些层之间是聚合物材料的流体阻挡层16。这些层被两个螺旋缠绕的钢筋或钢丝层18和20围绕以提供拉伸强度，每层18和20内的钢筋或钢丝并排缠绕。尽管层18或20内的相邻筋或线显示为
接触，但实际上在层18或20内的相邻线之间存在间隙，这些间隙确保了立管10的柔性(flexibility)。例如，在每个层18和20中相邻的筋或线之间可能存在5mm宽的间隙，但实际上，当立管10弯曲时，间隙将不具有恒定或一致的宽度。在一个示例中，层20中的每个筋可以具有12mm的宽度和5mm的厚度。内层18中的每个筋具有与外层20的筋相同的尺寸，但是可选地，其可以具有不同的尺寸。
[0027] 所述层18和20与所述钢带层14分开并且通过相应的抗磨层17和19彼此分开，每个抗磨层17和19例如可以具有1mm或2mm的厚度。聚合物层22提供外部套管和流体屏障；所述层22的厚度可以达到80mm，例如为50mm、30mm、20mm或12mm。在所述层22的厚度大于20mm的情况下，其还可以包含隔
热层以抑制立管内的流体的热量损失。如上所述，具有这种立管10的失效模式通常是最外层20中的一个或多个筋的失效。但是应该理解，这些筋不能直接观察到，因为它们被包覆在聚合物层22内。
[0028] 现在参照图2，这种立管10可被用于将加压流体从海床处的井口运送到浮动生产平台。因此，立管10的顶端被夹紧到浮动生产平台(未示出)内的端部配件24(示意性地示出)，并且减小了立管10和端部配件24之间的连接部处的应力集中，立管10的位于端部配件24的正下方的端部部分设置有锥形强化套管26。所述强化套管可以是例如塑料材料，比如聚
氨酯，并且在所述强化套管26的底端处逐渐变细至其最小直径。强化套管26限定孔28，孔
28紧紧地围绕立管10的外侧配合。因此，当生产平台由于波浪、风或潮汐而移动时，立管10可沿其长度弯曲，并且顶端处的应力集中分布在强化套管26的整个长度上。
[0029] 虽然这种强化套管26降低了层18或20中任何筋失效的风险，但这并不能完全消除这种风险。因此，希望能够在立管10的位于强化套管26内的部分中测量至少最外层20中的筋中的应力，并且优选地测量所述层18和20中的筋中的应力。然而，利用如在US 7 876 096中所述的电磁探针执行该测量可能是不切实际的，因为强化套管26外侧的探针将远离最外层20中的筋。
[0030] 现在参照图3，示出了通过立管10的横向剖视图，仅示出立管10的最外侧的多层，比图1中更详细；该视图是示意图，并非按比例绘制。具有两个螺旋缠绕的钢筋或钢丝的层18和20，以提供拉伸强度，每层18和20内的钢筋或钢丝并排缠绕，在层18或20内的相邻钢丝之间具有窄间隙。抗磨层17位于内层18内侧；抗磨层19位于层18和20之间。这些特征如前所述。在钢筋或钢丝的外层20的外侧，可选择地存在可通过
挤压生产的聚合物材料的层或内护套(inner sheath)30，通过挤压生产而因此其是连续管，并且可以具有达到5mm或10mm的厚度。该内护套30由缠绕在立管10上的带层32围绕。可替代地，可以省略内护套30；在这种情况下，层32直接缠绕在钢筋或钢丝的外层20周围。在任一情况下，带层32可以由两种或更多种不同类型的带制成，并且可以具有1mm或2mm的厚度，并且厚度通常小于5mm。在带层32的外侧是可以通过挤压生产而因此为连续管的聚合物材料的外护套34。在其他实施例中，可以存在
隔热层(未示出)，其可以以厚带的形式施加，并且可以在层32和外护套34之间。应当理解的是，内护套30(如果设置的话)、带层32、隔热层(如果设置的话)和外护套34一起对应于如上所述的提供外部套管和流体屏障的聚合物层22。应当理解的是，立管10的部件的尺寸仅以说明的方式给出。
[0031] 在带层32内是多个
柔性电子模块35。多个柔性电子模块35足够柔性和薄，使其可以沿其长度间隔地结合到带内，并且带围绕立管10缠绕。通常，包含柔性电子模块35的带将是上述构成层32的带的附加带。因此，存在围绕圆周彼此间隔开的多个柔性电子模块35，并且其与外层20的筋径向间隔开内护套30的厚度，其可以例如在5mm至10mm的范围内。在立管10的
制造过程中，这种包含柔性电子模块35的带层32可以缠绕在立管10的长度通常在1m和
3m之间的部分上，并靠近立管10的在浮动生产平台中固定至端部配件24的端部。带以与纵向轴线成一定
角度缠绕，因此带的连续
匝不在彼此的顶部，并且因此在立管10的该部分上存在轴向和周向地间隔开的多个电子模块35。
[0032] 现在参照图4，每个电子模块35由柔性印刷电路板36组成，其上是圆形传感器线圈40、
放大器41、信号数字转换器42和射频天线43，圆形传感器线圈40通常具有在8mm和15mm之间的直径。电路板36足够柔性以弯曲到层32的
曲率，并且部件以允许这种弯曲的方式安装在电路板36上。当天线43接收到射频信号时，这为电子模块35的部件提供电力，使得由传感器线圈40检测到的信号能够被放大、数字化以及然后以数字方式传输到外部射频接收器
48(见图5)。在这方面，它类似于RFID标签。可替代地，可以通过外部施加的交变磁场为电子模块35提供电力。由于电子模块35以非接触方式供电，并且通过无线
电信号(radio signals)传输其检测到的数据，因此避免了需要穿过外部护套34的任何电连接。在改型中，电子模块35可以包括
电池(未示出)，因此
电子电路可以连续地操作，当接收到射频信号时电池被再充电。接收的射频信号还可以提供定时信息。
[0033] 举例来说，传输的无线电信号和接收的无线电信号可以处于UHF或
微波频率范围内。因此，合适的频率范围为860MHz-930MHz(UHF)或2.45GHz(微波)。这种高频传输不受钢结构存在的显着影响，并且不需要大型天线，与较低频率系统相比提供更高的数据传输速率。由于存在金属和液体，微波传输比UHF传输更容易性能降低，并且也是定向的。例如，欧洲和英国的操作频率可以是UHF范围内的频率，即868-870MHz，因为这提供了范围和性能之间的良好平衡，并且不太可能受到干扰。数据传输可以使用频率调制，或可替代地使用作为数字技术的正交频分复用或
相移键控。可以通过为每个电子模块分配识别参考号来区分来自每个线圈40的信号，该识别参考号与相关数据一起发送。
[0034] 尽管电子模块35示出为仅包含单个线圈40，但是在改型中，印刷电路板36可以承载更多的线圈40，因为多个线圈40可以能够利用相同的放大器41、数字转换器42和天线43。例如，可能存在两个线圈40，例如每个端部一个，或者对于稍大的印刷电路板36，可能存在与每个拐角相邻的一个线圈40，并且因此共有四个。
[0035] 将立管10连接到端部配件24有时涉及
修剪立管10的端部部分。然而，在如上所述的包含电子模块35的端部附近，仍然具有显著长度。
[0036] 在使用立管10期间，层18和20中的筋上的最大应力以及最大的失效风险发生在端部配件24附近，并且通常在强化套管26内。如果外层20中的筋经受幅度远低于磁饱和所需的交变磁场，则由电子模块35中的线圈40检测到的信号可以使得能够测量和监测那些筋中的应力。
[0037] 如图5所示，用于测量或监测应力的装置50将包含射频发射器/接收器48，以向电子模块35提供电力并检测来自电子模块35的信号。该图还示出在进行应力测量的位置处围绕立管10的强化套管26的端部部分。在这种情况下，装置50包括围绕强化套管26的铁磁轭52，并且铁磁轭52包含八个径向突出的
螺柱53，每个螺柱设置有驱动线圈54(仅示出其中两个)。
[0038] 在操作中，交流电由电源模块55(示意性地示出)提供给两个在直径上相对的驱动线圈54(比如附图所示)，以便在外层20的位于这两个螺柱53下方的钢筋附近沿径向方向产生交变磁场，磁场明显小于磁饱和所需的磁场。通常地，螺柱53的尺寸使得磁场在立管10的每侧上的两个或三个并排的筋上基本均匀。因此，来自具有位于这些筋的径向上方的传感器线圈40的电子模块35的信号由射频接收器48下载。可以分析这些信号以推断出那些筋中的应力。
[0039] 然后将交流电提供给在直径上相对的螺柱53上的另一对驱动线圈54(未示出)，以便在外层20中的第二组筋附近产生交变磁场；并且因此，来自其传感器线圈40位于所述第二组筋的径向上方的合适的电子模块35的信号将由射频接收器48下载。对于每对在直径上相对的螺柱53，可以重复这一过程。因此，通过顺序地将交流电施加到所有不同组的在直径上相对的驱动线圈54上，可以在外层20中的所有筋附近产生交变磁场，并且因此根据来自电子模块35的信号，可以计算出所有筋中的应力。
[0040] 在对该过程的改型中，可以通过激励两个相邻的驱动线圈54以及两个在直径上相对的驱动线圈54来产生交变磁场。如果提供给两个相邻驱动线圈54的电流是同相并且具有相同的幅度，则交变磁场将有效地位于相邻驱动线圈54的径向位置之间的中间。通过向两个相邻的驱动线圈54提供同相但具有不同幅度的驱动电流，交变磁场可以有效地移动到这些径向位置之间的不同位置。这个过程使得交变磁场能够围绕立管10的整个圆周逐渐移动，从而使得能够从内层18和外层20的所有筋上方的电子模块35获得信号。
[0041] 并非将交流电施加到位于在直径上相对的螺柱53上的成对驱动线圈54，而是可以替代地将交流电提供给螺柱53上的间隔没那么远的成对的驱动线圈54，例如围绕轭52以90°或45°角度的间隔。应当理解的是，在一个变型中，轭52可以具有不同数量的径向突出的螺柱53，从而在相邻的螺柱53之间提供不同的角度间隔。例如，利用这种改型的轭52，可以将交流电例如以30°或60°的角间隔提供给螺柱53上的成对驱动线圈54。
[0042] 在上述每种不同操作模式中，装置50使用外层20的筋附近的径向磁场。应当理解，应力测量过程可以替代地使用不同方式产生的磁场，并且至少部分地具有不同的定向。
[0043] 现在参照图6，用于测量或监测应力的可替代装置60包含射频发射器/接收器48和交流电源模块55，射频发射器/接收器48向电子模块35提供电力(模块35中的一些的位置由虚线指示)并检测来自电子模块35的信号。这些特征如上关于装置50所述。该图还示出在进行应力测量的位置处围绕立管10的强化套管26的端部部分。在这种情况下，交变磁场部分地沿轴向方向，由轴向间隔开的两个圆形线圈61产生。向这些线圈61中的每一个提供相同的交流电流，因此在这种情况下，围绕立管10的圆周的磁场是基本均匀的，并且可以围绕圆周从电子模块35获取测量值，而不改变电连接。测量值取自与两个线圈61相邻的那些电子模块35，其中磁场具有径向分量。
[0044] 在一个改型中，装置60可以使用单个这样的线圈61，其中测量值取自与线圈61相邻(上方或下方)的那些电子模块35。
[0045] 现在参考图7，示出了替代装置70，其是对图5的装置50的改型。装置70的不同之处在于包括布置成围绕强化套管26的两个铁磁轭52，并且每个铁磁轭包含八个径向突出的螺柱53，每个螺柱53设置有驱动线圈54(示出仅其中的四个)。两个轭52沿着围绕立管10的端部的强化套管26轴向间隔开。
[0046] 在操作中，交流电由电源模块55(示意性地示出)提供给不同轭52中的两个驱动线圈54，以便在轭52附近的径向方向上产生交变磁场，但是交变磁场在轭52之间沿大致轴向方向。如前所述的磁场明显小于立管10的线中的磁饱和所需的磁场。举例来说，虚线71可以指示外层20的线的大致路径；并且通过向与该虚线71对准的标记为54a的驱动线圈提供交流电，交变磁场可以布置成主要沿着线的长度延伸。通常地，螺柱53的尺寸使得磁场在两个或三个并排的这种线上基本上均匀，并且是在螺柱53之间的那两根或三根线上的长度方向的磁场。因此，来自具有在这些线的径向上方的传感器线圈40的电子模块35的信号通过射频接收器48下载。可以分析这些信号以推断出这些线中的应力。
[0047] 然后可以将交流电提供给不同轭52的与外层20(或内层18)中的另一组线对齐的螺柱53上的另外两个驱动线圈54，以便在这些线中产生在长度方向的交变磁场。因此，通过将交流电顺序地施加到两个不同轭52上的驱动线圈54的不同组合，可以将交变磁场沿长度方向施加到外层20中的所有线，并且因此可以根据来自电子模块35的信号，比较或计算所有这些线中的应力。
[0048] 尽管轭52显示为圆形并且围绕强化套管26，但是应当理解，装置70可以替代地使用不同形状的轭或芯。例如，可以通过使用C形芯来改型装置70，所述C形芯的极沿着立管10纵向间隔开：例如，铁磁C形芯可以在如图7所示的驱动线圈54a的位置处的极之间延伸。
[0049] 所述装置50、60或70可被用于通过例如EP 1 436 604中所述的方法测量形成层18或20中的筋的铁磁材料中的应力。将期望频率和幅度的交流电提供给驱动线圈54或61，因此筋中的磁场以远小于饱和的幅度振荡。磁场可以围绕零振荡，或者可替代地，除了交变磁场之外还可以存在稳定的磁场。传感器线圈40提供信号，并且所述信号被分析成与提供给驱动线圈54或61的交流电同
相位和正交的分量。在处理信号之前，可以对信号进行放大和数字化。
[0050] 可以使用不同频率的交流电以及不同磁场进行测量。也可以利用立管10中的不同应力进行测量，例如通过改变立管10内的流体压力。这应该改变层18和20两者中的所有线或筋中的应力，并且可以帮助区分残余应力和施加的应力。在一些情况下，残余应力在每个层18和20中的不同线或筋之间显著变化。立管10中的外部施加的应力应该改变所有线或筋中的应力，但是如果线或筋断裂则其外部施加的应力的变化不会显著改变其应力。因此，可以通过观察断裂的线或筋中的测量应力不会因外部施加的应力的变化而改变来检测断裂的线或筋的存在。
[0051] 如前所述，信号分析的第一阶段涉及数字化，并将信号分解为同相和
正交分量。可选择地，也可以对信号施加退避(backing off)(去除常数值)。获得的信号可以用于获取不受剥离(即传感器线圈40和筋之间的径向距离)影响的应力依赖性测量值，从而推断出筋中的应力值，并且这可以利用以在多个不同频率获得的信号，例如在五个或十个不同频率。
[0052] 这种分析略微复杂，因为信号受到一系列不同参数的影响。尽管层18和20的线或筋在图1中表示为精确平行且具有固定间距，但其必须能够自由移动以便为立管10提供柔性，因此在实践中筋的精确定向和间隔(separations)会发生变化，并且实际上相邻的筋可能会相互接触。如果相邻筋在多于一个位置处彼此接触，则其将构成用于由磁场感应的电流的电路(这种电路可以被称为电流回路)。因此来自传感器线圈40的信号不仅受到线中的应力的影响，而且还受到剥离(即，筋和探针之间的径向距离)的变化、受到线的间距的变化以及任何电流循环的存在的影响。然而，由于这些参数在不同频率下产生不同的效果，因此在多个不同频率下的测量使其能够彼此区分。此外，可以在不同的应力下进行测量，例如通过改变立管10内的流体压力。因此，可以分析信号以提供关于
中间层18的线中的应力、或外层20的线中的应力、或中间层18中的线的间隔、或者外层20中的线的间隔的信息。
