[发明专利]基于传感海缆的立管在线监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，包括放缆操作子系统、传感海缆子系统和数据解调子系统；

放缆操作子系统，用于利用子母管耦合夹具将传感海缆与立管相耦合并放入目标海域；其中，传感海缆从头至尾间隔集成若干光纤光栅阵列传感器；

传感海缆子系统，用于利用传感海缆对立管的状态进行实时监测；

数据解调子系统，用于记录并保存传感海缆中的光纤光栅阵列传感器波长的变化，以分析出立管的状态。

2.根据权利要求1所述的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，子母管耦合夹具包括海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡、立管侧单向半圆凹槽型基座、海缆保护垫圈和橡胶保护垫片；

海缆侧单向半圆凹槽型基座上开有和海缆直径相对应的半圆形凹槽，立管侧单向半圆凹槽型基座上开有和立管直径相对应的半圆型凹槽，反向双半圆凹槽型卡上开有两个开口方向相反、直径分别和海缆与立管直径相对应的半圆型凹槽；海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡和立管侧单向半圆凹槽型基座依次连接起来形成两个分别放置海缆和立管的圆柱孔；

海缆保护垫圈置于放置海缆的圆柱孔内，橡胶保护垫片置于放置立管的圆柱孔内。

3.根据权利要求2所述的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，海缆保护垫圈为长条形且长度和海缆周长相适配，其截面为“Π”型；海缆侧单向半圆凹槽型基座的半圆形凹槽和反向双半圆凹槽型卡中与海缆直径相对应的半圆形凹槽均设有与“Π”型凸起相适配的凹槽；

橡胶保护垫片为长条形且长度和立管周长相适配，其截面为“]”型，“]”型两端的凸起卡在立管侧单向半圆凹槽型基座的半圆形凹槽边缘和反向双半圆凹槽型卡中与立管直径相对应的半圆形凹槽边缘；

海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡和立管侧单向半圆凹槽型基座上设有用于依次连接固定的螺纹孔，三者通过螺栓依次固定连接。

4.根据权利要求3所述的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，放缆操作子系统的放缆方法如下：

立管绕在浮式平台的转盘上，将立管和海缆尾部绑在一起，然后慢慢往目标海域里面下放立管，海缆会随着立管一起下放；到标记的夹具位置就停止下放，开始安装子母管耦合夹具，橡胶保护垫片绕在有位置标记的立管上面，再用立管侧单向半圆凹槽型基座和反向双半圆凹槽型卡将橡胶保护垫片包裹着，并用螺栓固定连接；海缆保护垫圈套在海缆上面，将海缆保护垫圈放置在海缆侧单向半圆凹槽型基座的凹槽上，将海缆侧单向半圆凹槽型基座盖在反向双半圆凹槽型卡上并利用螺栓连接固定；安装好该位置的子母管耦合夹具后继续下放立管，到达下一个标记位置停止下放，安装时要确保海缆处于绷直状态，且海缆和立管平行，重复操作直到完成全部放缆。

5.根据权利要求1的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，传感海缆包括位于中心的加强芯、围绕加强芯绞合的内铠钢丝、包覆在内铠钢丝外侧的铜管、包覆在铜管外侧的聚乙烯绝缘层、围绕聚乙烯绝缘层绞合的外凯钢丝、夹杂在外凯钢丝中的光纤光栅传感单元以及位于最外侧的外被层；其中，光纤光栅传感单元包括不锈钢管和位于不锈钢管内的光纤光栅阵列传感器。

6.根据权利要求5的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，光纤光栅阵列传感器包括温度光纤光栅阵列传感器和应变光纤光栅阵列传感器，温度光纤光栅阵列传感器和应变光纤光栅阵列传感器分别位于不同的不锈钢管内。

7.根据权利要求6的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，光栅为分布式光纤布拉格光栅或弱光栅，反射率为1％～0.0001％。

8.根据权利要求6的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，不锈钢管内的光纤光栅阵列传感器间填充着纤膏。

9.根据权利要求5的基于传感海缆的立管在线监测系统，其特征在于，内铠钢丝由两层钢丝绞合而成，内铠钢丝的两层钢丝间填充着阻水胶；外凯钢丝与光纤光栅传感单元间填充着沥青，外被层由聚丙烯绳绞合制成，聚丙烯绳间填充着沥青。

10.一种利用权利要求1至9中任意一项所述的基于传感海缆的立管在线监测系统实现的基于传感海缆的立管在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用若干子母管耦合夹具将传感海缆与立管相耦合，当立管遭遇外在载荷而产生变形时，传感海缆会同时产生相应的变形，传感海缆中该位置的阵列光纤光栅的波长会发生变化，通过外在载荷对立管产生的影响而获得传感海缆中光纤光栅阵列传感器的波长变化数据，通过波分复用技术和时分复用技术配合使用，监测海缆的应变情况及温度变化情况；

立管应变与海缆应变之间的耦合关系如下：

式中，ε_f为海缆中光纤的应变，ε_c为海缆的应变，ε_r为立管的应变，θ为海缆中光单元绞合的角度，h为夹具厚度，q为立管与海缆直径比，η为耦合效率，s为夹具预紧程度。