一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构及布置与监测方法

本发明涉及海洋管道铺设与监测，特别涉及一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构及布置与监测方法。

背景技术：

1、在深海领域，海洋柔性管缆常因海流、波浪等作用发生大范围漂移，或因开采需求产生大范围的运动，叠加作用下的拉-弯-扭耦合载荷以及深海高水压压力作用，引起管缆线形的反复变化及截面变形，极易造成疲劳损伤与结构失效，因此实时监测管缆线形变化，对管缆温度、泄露等其他失效方式及时预警与修复十分重要。

2、现有的柔性管缆多采用光纤监测，但通常将光缆过盈直接嵌入管缆的铠装层中，或贴附于管道层间。这种安装方式使光缆与管缆主体结构紧密接触，管缆的受力变形将直接传递到光缆上，导致光缆结构损坏；特别是在深海高水压环境下，贴附在管道层间的光缆还容易因层间摩擦、挤压以及水压的径向挤压导致损坏，这些都会导致光缆在管缆运行过程中提前损坏，无法长期有效地进行监测任务。

技术实现思路

1、为此，本发明的一个目的在于提出一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构及布置与监测方法，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，包括内保护套和外保护套；

3、所述内保护套上开设有弧形凹槽，所述外保护套上设有与所述弧形凹槽适配的弧形槽盖；

4、所述内保护套与所述外保护套扣压结合后，所述弧形凹槽与所述弧形槽盖围合形成横截面为圆形的容纳腔，所述容纳腔用于容纳监测用光缆；

5、所述容纳腔的直径大于所述监测用光缆的直径，使所述监测用光缆与所述容纳腔内壁之间具有活动间隙。

6、作为优选，所述弧形凹槽的圆心角大于180°，所述弧形槽盖的圆心角与所述弧形凹槽的圆心角之和等于360°，且所述弧形凹槽与所述弧形槽盖的半径相等，使所述弧形凹槽与所述弧形槽盖围合形成的所述容纳腔的内壁无尖角。

7、作为优选，所述内保护套的外侧壁上设有外侧凹槽，所述外保护套的内侧壁上设有与所述外侧凹槽适配的内侧突起，所述内侧突起嵌入所述外侧凹槽内形成定位卡槽。

8、作为优选，所述内保护套和所述外保护套扣压结合后，横截面整体呈矩形。

9、作为优选，所述内保护套和所述外保护套均采用碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制成。

10、第二方面，本发明提供一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构布置方法，基于上述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，包括：

11、将监测用光缆置入内保护套的弧形凹槽内，并使内保护套的开口侧朝外；

12、将外保护套覆盖于内保护套上，使用扣压钳将二者扣压结合，形成保护套单元；

13、将所述保护套单元替换海洋柔性管缆矩形截面铠装层中的一根或多根铠装单元，使保护套单元随铠装层螺旋缠绕成型。

14、作为优选，所述内保护套和所述外保护套采用分段成型、交错扣压的方式进行结合形成保护套单元，包括：

15、以一个螺旋周期为单位划分分段长度，批量制作内保护套和外保护套；

16、内保护套和外保护套在轴向采用交错搭接的方式扣压连接形成保护套单元，且内保护套和外保护套交错扣压重叠段的长度大于单个螺旋周期长度的四分之一。

17、作为优选，所述扣压钳的钳口处设置有缓冲垫，所述缓冲垫采用橡胶材料制成。

18、作为优选，所述保护套单元的整体厚度等于所在矩形截面铠装层的厚度。

19、第三方面，本发明提供一种海洋柔性管缆监测方法，基于上述的保护结构和上述的布置方法，包括：

20、获取管缆在初始弧长坐标下的初始构型轴线位置和当前构型轴线位置；

21、基于所述初始构型轴线位置和当前构型轴线位置，计算管缆的位移场；

22、基于所述当前构型轴线位置，计算变形梯度张量；

23、基于所述变形梯度张量，计算格林-拉格朗日应变张量，并基于所述应变张量确定管缆轴向应变；

24、基于随体正交基的导数运算，确定管缆的曲率矢量，所述曲率矢量包括两个横向曲率分量、和一个扭率分量；

25、基于所述轴向应变、曲率矢量以及管缆截面刚度参数，计算管缆截面所受的轴力、扭矩及弯矩、；

26、基于所述当前构型轴线位置输出管缆三维空间线型变化，基于所述轴向应变评估管缆形变分布，基于所述曲率矢量评估管缆弯曲与扭转状态，基于所述轴力、扭矩及弯矩、评估管缆截面受力状态；当所述轴向应变、曲率、轴力、扭矩及弯矩、中的任意一项超过预设安全阈值时，生成预警信号。

27、与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果为：

28、本发明通过采用内保护套与外保护套扣压结合形成非过盈松套圆形容纳腔、将监测用光缆容纳于该圆腔内、并以分段成型交错扣压工艺将保护结构替代铠装层中的一根或多根铠装单元嵌入管缆主体，解决了深海领域中管缆在拉-弯-扭耦合载荷及高水压作用下线形反复变化、截面变形导致的疲劳损伤与结构失效问题，以及现有光缆直接嵌入铠装层或贴附层间导致管缆受力变形直接传递至光缆、深海高水压下管缆截面径向压缩进一步加剧层间摩擦与挤压从而造成光缆提前损坏、无法长期有效进行监测的问题。

29、具体地，非过盈松套圆形容纳腔的直径大于光缆直径，使光缆与管缆主体结构之间具备独立的变形缓冲空间，管缆受拉-弯-扭变形及水压径向压缩时，保护套吸收变形，光缆不直接承受管缆的拉伸、弯曲、扭转及水压挤压载荷，从而避免光缆结构损坏和光纤微弯损耗；

30、内、外保护套采用碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制成，本身具备高抗压强度，能够抵抗深海高水压环境的径向挤压而不发生压溃；

31、分段成型、交错扣压安装布置使保护结构以替代铠装单元的方式嵌入管缆，保证了管缆整体的力学连续性，使光缆完全脱离管缆层间接触，避免了层间摩擦与挤压对光缆的破坏；

32、在此基础上，设于容纳腔内的光缆能够长期稳定地采集应变数据，实现了对管缆三维空间线型、形变分布、弯曲扭转状态及截面受力状态的持续有效监测，为管缆温度异常、泄漏等失效方式提供了可靠的预警与修复依据。

33、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，包括内保护套和外保护套；

2.如权利要求1所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，所述弧形凹槽的圆心角大于180°，所述弧形槽盖的圆心角与所述弧形凹槽的圆心角之和等于360°，且所述弧形凹槽与所述弧形槽盖的半径相等，使所述弧形凹槽与所述弧形槽盖围合形成的所述容纳腔的内壁无尖角。

3.如权利要求1所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，所述内保护套的外侧壁上设有外侧凹槽，所述外保护套的内侧壁上设有与所述外侧凹槽适配的内侧突起，所述内侧突起嵌入所述外侧凹槽内形成定位卡槽。

4.如权利要求1所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，所述内保护套和所述外保护套扣压结合后，横截面整体呈矩形。

5.如权利要求1所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，所述内保护套和所述外保护套均采用碳纤维或玻璃纤维增强复合材料制成。

6.一种海洋柔性管缆用传感光缆保护结构布置方法，基于权利要求1-5任一项所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构布置方法，其特征在于，所述内保护套和所述外保护套采用分段成型、交错扣压的方式进行结合形成保护套单元，包括：

8.如权利要求6所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构布置方法，其特征在于，所述扣压钳的钳口处设置有缓冲垫，所述缓冲垫采用橡胶材料制成。

9.如权利要求6所述的海洋柔性管缆用传感光缆保护结构布置方法，其特征在于，所述保护套单元的整体厚度等于所在矩形截面铠装层的厚度。

10.一种海洋柔性管缆监测方法，基于权利要求1-5任一项所述的保护结构和权利要求6-9任一项所述的布置方法，其特征在于，包括：