BRPI0720203A2 - Monitoramento de um cabo de energia flexível - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MONITORA- MENTO DE UM CABO DE ENERGIA FLEXÍVEL".
ÁREA TÉCNCIA
A presente invenção refere-se a um sistema para monitorar a curvatura e deformação de um cabo de energia conectado a uma plataforma longe da costa móvel medindo a deformação em fibras óticas fixadas a ou concretizadas no cabo de energia.
ANTECEDENTES TÉCNICOS
Instalações fora da costa tais como equipamentos de óleo/gás, 10 plataformas de processamento, instalações semissubmersíveis, etc. são mais e mais frequentemente conectadas com cabos de energia em instala- ções baseadas na costa, instalações submarinas fixas ou outra instalação fora da costa. No caso de equipamentos flutuantes, os cabos de energia são submetidos a movimentos repetidos de curvaturas devido à ondulação de 15 ondas, pressão do vento e/ou movimentos da maré.
Para tolerar os movimentos da instalação fora da costa flutuante, os cabos de energia têm que ser um pouco flexíveis. Os movimentos da ins- talação e curvaturas resultantes dos cabos de energia no entanto, podem causar limitações para a vida útil do cabo. O tempo de vida de um cabo de 20 energia não é somente determinado pelo número de curvaturas que está sujeito mas também pela amplitude da curvatura, a deformação real em qualquer ponto ao longo do cabo, a frequência da curvatura, etc.
O uso de fibras óticas para medições de deformação é conheci- do na técnica, mas a técnica anterior sugere soluções que utilizam um nú- mero de pontos de sensor ao longo do caminho ótico.
A Patente US N0 6.876.786, intitulada "Fiber-optic sensing sys- tem for distributed detection and Iocalization of alarm conditions" descreve um sistema de sensor de fibra ótica compreendendo uma fibra ótica que in- clui uma pluralidade de elementos sensíveis. O sistema é voltado para moni- 30 toramento estrutural de grandes estruturas usando redes de Bragg em fi- bras. Redes de Bragg têm faixas espectrais de reflexão estreitas cuja posi- ção dentro do espectro ótico depende de certas condições, como temperatu- ra e deformação axial.
O texto de patente (US 6.876.786) estabelece "é bem reconhe- cido que sistemas de detecção completos baseados em redes de Bragg fra- camente reflexivas em fibras que incluem rede de detecção de fibra ótica, 5 subsistemas de demodulação e demultiplexação de sinal são ainda bastante dispendiosos". Os sensores de rede de Bragg não são somente dispendio- sos mas são sensíveis e a instalação é portanto mais complicada.
A Patente US N0 5.118.931, intitulada "Fiber optic microbending sensor arrays including microbend sensor sensitive over different bands of wavelenghts of light" descreve um sistema de detecção de fibra ótica com sensores de microcurvaturas embutidos ao longo do caminho ótico que me- de a deformação.
Os sensores de microcurvaturas poderiam fornecer uma solução simples para muitas aplicações e ter a capacidade de localizar um distúrbio 15 usando a técnica OTDR, mas este método sofre de um alto nível de perdas da energia de pulso de sinal no cabo ótico de detecção, e energia muito pe- quena de sinal de Iuz de dispersão inversa. Isto limita significantemente o comprimento de detecção do sistema detector. Uma desvantagem para o uso de sensores de microcurvaturas em cabos é a necessidade de partes 20 espacialmente aumentadas sobre ou nos cabos para acomodar os sensores.
Uma solução para aumentar o comprimento de detecção total do sistema seria dividir o comprimento de detecção em várias partes, cada uma conectada a uma fibra ótica individual. O inconveniente óbvio desta solução é a complexidade aumentada em instalar e medindo um eixo de curvatura com vários cabos óticos diferentes.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A concretização preferida da presente invenção é fornecer um sistema para monitorar a curvatura, para estimar a deformação de um cabo de energia conectado entre um ponto fixo e um ponto móvel ou entre dois 30 pontos móveis. A deformação no cabo de energia sobe com a curvatura do cabo causada pelo movimento do ponto móvel. O ponto fixo poderia ser uma instalação baseada em terra ou uma instalação submarina fixa e o ponto móvel poderia ser uma instalação flutuante ou plataformas. Se o sistema compreende dois pontos móveis, os pontos poderiam ser instalações flutu- antes ou plataformas.
O cabo de energia é usado para distribuir energia elétrica para ou da plataforma. O movimento e curvatura do cabo de energia são medidos medindo a deformação nas fibras óticas fixadas em ou concretizadas no ca- bo de energia. Uma curvatura no cabo de energia dará origem a uma defor- mação na fibra ótica e esta deformação mudará as propriedades óticas da fibra. As propriedades óticas mudadas mudarão as propriedades espectrais de dispersão de Iuz que podem ser medidas e analisadas por um refletôme- tro de domínio de tempo ótico (OTDR) ou um refletômetro de domínio de frequência ótico (OFDR). A partir da deformação na fibra ótica, o movimento ou curvatura do cabo de energia pode ser calculado e a partir da estimativa de curvatura de cabo de energia, a deformação no cabo de energia pode ser calculada.
A presente invenção propõe um sistema para monitorar as cur- vaturas reais do cabo de energia em uma instalação fora da costa flutuante em tempo real. Isto permite que uma unidade de monitoramento grave as curvaturas do cabo de energia para avaliação. A partir desta avaliação que 20 pode ser baseada em software ou baseada em especialista, a vida útil res- tante do cabo de energia pode ser estimada. As operações de manuten- ção/reparo podem ser planejadas e o risco de uma interrupção (que é ex- tremamente dispendioso em instalações fora da costa) pode ser reduzido.
A presente invenção é menos dispendiosa e mais fácil de insta- 25 Iar que uma solução com um número distinto de transdutores ao longo do caminho ótico, como descrito na técnica anterior. Os sensores de fibra ótica podem ser incluídos no cabo de energia na produção do cabo. É também menos dispendioso instalar um pequeno número de fibras contínuas durante a fabricação, comparado com a instalação de sensores de deformação dis- 30 tintos.
A presente invenção exige a instalação de pelo menos uma fibra ótica para medir a tensão de todo comprimento de detecção em um eixo de tensão, onde como o alto nível de perdas da energia de pulso de sinal nos transdutores na técnica anterior poderiam exigir várias fibras óticas, cada uma medindo a tensão em somente uma parte de todo comprimento de de- tecção.
Na presente invenção, o cabo de energia pode ser condutor de
CA (corrente alternada) ou CC (corrente contínua), e o nível de voltagem no cabo de energia pode ser a voltagem média (1-50kV) ou alta voltagem (>50 kV).
De acordo com uma concretização da invenção, o sistema com- 10 preendendo pelo menos uma fibra ótica atuando como um sensor de medi- ção de deformação continuamente distribuída, e a fibra é fixada a ou dispos- ta no dito cabo de energia, um dispositivo disposto para detectar sinais óti- cos dentro das ditas fibras óticas e um dispositivo disposto para receber si- nais óticos das ditas fibras óticas, e um dispositivo disposto para analisar os 15 sinais óticos recebidos para determinar a curvatura variante de tempo do dito cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, a fibra ótica é fixada no exterior do cabo de energia elétrica.
De acordo com uma concretização da invenção, a fibra ótica es- tá disposta em um dos materiais no cabo ou entre dois materiais diferentes no cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, um ou mais de fios de armadura no cabo de energia são substituídos por fibras óticas.
De acordo com uma concretização da invenção, os números de fibras óticas são dois ou mais e as fibras óticas são posicionadas equidistan- tes em torno do cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, duas fibras óti- cas são posicionadas afastadas 90 graus com respeito à circunferência do cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, as fibras óticas
são dispostas retas ao longo do cabo de força.
De acordo com uma concretização da invenção, as fibras óticas são enroladas em torno do cabo de energia em uma geometria espiralada ou helicoidal.
De acordo com uma concretização da invenção, as fibras óticas são incluídas dentro do cabo de energia durante a produção do dito cabo.
De acordo com a invenção, os ditos sinais óticos são pulsos mo-
nocromáticos.
De acordo com uma concretização da invenção, os ditos sinais óticos são uma onda contínua monocromática.
De acordo com uma concretização da invenção, os ditos sinais óticos são ondas contínuas monocromáticas com modulação de amplitude.
De acordo com uma concretização da invenção, os ditos sinais óticos recebidos das ditas fibras óticas são analisados por OTDR e/ou OF- DR.
De acordo com uma concretização da invenção, a dita análise é adaptada para estimar a curvatura do dito cabo de força.
De acordo com uma concretização da invenção, o dito sistema de monitoramento é adaptado para dar um alarme se a curvatura estimada do dito cabo de energia excede um valor superior.
De acordo com uma concretização da invenção, o dito sistema de monitoramento é adaptado para gravar a curvatura do dito cabo de ener- gia.
De acordo com uma concretização da invenção, o dito sistema de monitoramento é adaptado para calcular uma tensão de curvatura total acumulada do dito cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, o dito sistema
de monitoramento é adaptado para estimar o tempo para futura manuten- ção/reparo a partir das tensões de curvatura acumuladas no dito cabo de energia.
De acordo com uma concretização da invenção, o dito cabo de energia é enfeixado com outros canos e tubulação e o sistema de monitora- mento é adaptado para estimar a tensão de curvatura total acumulada do feixe. BREVE DESCRICÃO DOS DESENHOS
Esta invenção será elucidada por referência a uma concretiza- ção parcialmente ilustrada nos desenhos.
A figura 1 ilustra um diagrama esquemático de uma seção trans- versai de um cabo de energia de alta voltagem.
A figura 2 mostra uma imagem esquemática de uma instalação fora da costa flutuante conectada a uma instalação submarina fixa.
A figura 3 mostra uma imagem esquemática a dispersão de Ra- yleigh, Brillouin e Raman.
A figura 4 mostra colocações esquematicamente possíveis de
fibras óticas em torno de um cabo de energia.
DESCRICÃO DETALHADA DAS CONCRETIZAÇÕES
Descrições detalhadas da concretização preferida são forneci- das aqui. Deve ser entendido, no entanto, que a presente invenção pode ser 15 concretizada em várias formas. Portanto, detalhes específicos descritos aqui não devem ser interpretados como limitante, mas em vez disto como uma base para as reivindicações e como uma base representativa para mostrar a alguém versado na técnica para a presente invenção em virtualmente qual- quer sistema apropriadamente detalhado, estrutura ou maneira.
A figura 1 mostra um diagrama esquemático de uma seção
transversal de um cabo de energia de alta voltagem no qual a presente in- venção poderia ser usada. Um cabo de energia de alta voltagem pode con- sistir em um, dois, três ou mais cabos de condutor único. O cabo de energia mostrado na figura 1 consiste em três núcleos de cabo de condutor único 1- 25 3. Cada um dos núcleos de cabo de condutor único tem um condutor central metálico 4 encerrado em uma camada de isolamento 5 circundada por uma blindagem de cabo 6. Os núcleos de cabo são fornecidos com uma ou mais camadas externas, tais como fios de armadura 7 e um invólucro externo 8, para manter os núcleos de cabo juntos e para protegê-los mecanicamente. 30 Cordões de enchimento 9 no espaço entre os núcleos de cabo são ampla- mente usados para construir um contorno circular do cabo e evitar cabos de três núcleos com um contorno externo triangular. Cabos circulares são mais fáceis de manipular na produção de cabo e instalação.
A presente invenção deve incluir fibras óticas na construção do cabo de energia. Existem muitas localizações possíveis onde alguém pode- ria incluir uma ou mais fibras óticas no cabo de energia. O sensor de fibra 5 ótica pode ser fixado, por exemplo, na blindagem de cabo 6, cordões de en- chimento 9, ou entre os fios de armadura 7, ou entre as camadas no invólu- cro externo 8.
Usar fibra ótica como sensor tem várias vantagens na aplicação fora da costa sugerida. A fibra ótica consiste em materiais eletricamente iso- 10 Iantes e assim nenhum cabo elétrico é exigido, o que torna possível usá-las em ambientes de alta voltagem e alta corrente, tal como tendo a fibra fixada em um cabo de energia. O material na fibra ótica é quimicamente passivo e não sujeito a, por exemplo, corrosão em água salgada.
Além do mais, as fibras óticas são imunes à interferência eletro- magnética (EMI) e têm uma faixa de temperatura de operação bastante am- pla.
A figura 2 mostra uma imagem esquemática de uma instalação fora da costa flutuante 10 conectada a uma instalação submarina fixa 11 por um conector 12. O conector 12 pode ser um cabo de energia que fornece energia à instalação flutuante. Fixada ao conector estão uma ou mais fibras óticas 13. Um dispositivo de medição/monitoramento 14 envia sinais óticos e analisa os sinais refletidos para determinar a curvatura ou deformação no conector em tempo real. O dispositivo 14 determina também a frequência e amplitude da tensão à qual o conector é submetido. O dispositivo 14 pode também incluir a função de estimar a vida útil restante do conector baseado em tensão passada e/ou estimativa de tensões futuras. Com esta estimativa da vida útil restante, operações de manutenção e reparo podem ser planeja- das e o risco de interrupções, isto é, interrupções de energia (que são ex- tremamente dispendiosas em instalações fora da costa) podem ser enor- memente reduzidas.
As fibras óticas em ou ligadas a um cabo de energia que conec- ta um ponto fixo com uma plataforma flutuante experimentará tensão quando o conector (na forma de um cabo de energia ou uma conexão do tipo "cor- dão umbilical") é exposto à curvatura devido ao movimento de uma plata- forma flutuante.
Na técnica anterior, os sensores de microcurvaturas ou os sen- 5 sores de redes de Bragg medem a curvatura em pontos ao longo do com- primento de detecção de medida. Na presente invenção, toda fibra ótica in- teira propriamente dita é um sensor de medição de deformação que mede a deformação continuamente ao longo do comprimento de detecção de medi- ção.
A figura 3 mostra uma imagem esquemática da dispersão de
Rayleigh 22, Brillouin 21 e Raman 20.
O deslocamento de Iuz ao longo do núcleo da fibra ótica é sub- metido à assim chamada dispersão de Rayleigh 22, causada por impurezas e contornos de treliça de cristal. O efeito de Raman 20 e Brillouin 21 geram 15 faixas laterais espectrais na Iuz dispersa além do comprimento de onda de Iuz principal central. Uma fibra submetida a deformação mecânica muda su- as características espectrais por um desvio de comprimento de onda de Bril- Iouin 21 como uma função da deformação.
A presente invenção não usa sensores/transdutores específicos 20 tais como sensores de microcurvatura ou sensores de rede de Bragg de fi- bra, mas em vez disto a fibra propriamente dita. O princípio de detecção po- de então ser baseada em dispersão de Raman ou dispersão de Brillouin. Pode-se, por exemplo, explorar a dependência de temperatura ou deforma- ção do desvio de frequência de Brillouin.
A figura 4 mostra colocações esquematicamente possíveis de
fibras óticas em ou em torno de um cabo de energia.
Uma instalação típica incluiria quatro fibras 32 colocadas com 90 graus de distância em torno do conector. Outras concretizações da presente invenção incluiriam três fibras óticas 31 ou duas fibras óticas 30. Por exem- 30 pio, para um cabo de energia, as fibras óticas poderiam ser colocadas entre a capa de chumbo e a capa de PE do cabo flexível. Um comprimento de as- sentamento adequado das fibras assegura que existirá uma deformação mensurável na fibra como uma resposta a curvaturas esperadas.
No entanto, o comprimento de assentamento deve ser claramen- te mais longo que a resolução espacial da unidade de monitoramento. As fibras são conectadas na unidade de monitoramento colocada a bordo da 5 instalação fora da costa. A unidade pode monitorar a curva de atenuação versus posição da conexão em tempo real e gravá-la. A curva de intensidade espectral como uma função de tempo pode ser a translação para a curva de deformação de domínio de tempo. Finalmente, pode ser calculada a curvatu- ra do cabo com o tempo, e as tensões de curvatura acumuladas no cabo 10 podem ser estimadas. As tensões de curvatura estimadas por este cálculo são, para um cabo de energia, a tensão de curvatura da capa de cabo.
Existe um risco de que as fibras óticas embutidas ou fixadas no cabo de energia pudessem ser danificadas durante a instalação do cabo na instalação fora da costa. Uma concretização da presente invenção é instalar 15 o cabo de energia com fibras óticas redundantes. Se quatro fibras óticas são necessárias para monitorar os movimentos e curvatura de uma instalação de cabo, o cabo poderia ser encaixado com seis ou oito fibras óticas para asse- gurar a redundância.
As fibras óticas podem estar dispostas retas ao longo do cabo de energia ou as fibras óticas podem ser enroladas em torno do cabo de e- nergia em uma geometria espiralada ou helicoidal.
Embora a concretização descrita aqui mostra a localização das fibras em certas posições fora ou dentro do cabo, a invenção pode ser usada em muitas disposições. Cabos elétricos submarinos podem incluir muitas 25 camadas diferentes tais como armadura, acabamento, capas plásticas e me- tálicas, camadas de blindagem, invólucros, enchimentos, camadas de isola- mento, camadas semicondutoras e condutores de várias ordens. As fibras de detecção de acordo com a invenção podem estar dispostas entre ou den- tro de qualquer um destes constituintes.
As instalações fora da costa flutuantes são frequentemente co-
nectadas com outras instalações fora da costa ou instalação baseada em terra pelo o que é conhecido na técnica como uma conexão do tipo "cordão umbilical" onde o cordão umbilical é uma conexão flexível com o(s) cabo(s) de energia e qualquer um de: canalização de transporte de material, feixes de conexões de sinal (ótico e elétrico) todos em uma capa flexível ou tubula- ção. A presente invenção pode ser usada para estimar a curvatura desta 5 conexão de cordão umbilical e monitorar as deformações, tensão e fadiga da conexão.
Enquanto a invenção foi descrita em conexão com uma concreti- zação preferida, não é pretendido limitar o escopo da invenção na forma par- ticular descrita, mas ao contrário, é pretendido cobrir tais alternativas, modi- ficações, e equivalentes como podem ser incluídos dentro do espírito e es- copo da invenção como definido pelas reivindicações anexas.

Claims (20)

1. Sistema de monitoramento fora da costa, para um cabo de energia de média ou alta voltagem conectado entre um ponto fixo e um pon- to móvel, ou para um cabo de energia de média ou alta voltagem conectan- do dois pontos móveis, caracterizado pelo fato de que: o sistema compreendendo pelo menos uma fibra ótica atuando como um sensor de medição de deformação continuamente distribuída, e a fibra é fixada a ou disposta no dito cabo de energia, um dispositivo disposto para enviar sinais óticos dentro das ditas fibras óticas e um dispositivo dis- 10 posto para receber sinais óticos das ditas fibras óticas, e um dispositivo dis- posto para analisar os sinais óticos recebidos para determinar a curvatura variante de tempo do dito cabo de energia.
2. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com a reivindicação 1, em que a fibra ótica é fixada no exterior do cabo de energia elétrica de média ou alta voltagem.
3. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com a reivindicação 1, em que a fibra ótica está disposta em um dos materiais no cabo ou entre dois materiais diferentes no cabo de energia.
4. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com a reivindicação 1, em que um ou mais de fios de armadura (7) no cabo de e- nergia são substituídos por fibras óticas.
5. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, em que os números de fibras óticas são dois ou mais e as fibras óticas são posicionadas equidistantes em torno do cabo de energia.
6. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, em que duas fibras óticas são posicio- nadas afastadas 90 graus com respeito à circunferência do cabo de energia.
7. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, em que as fibras óticas são dispostas paralelas ao eixo longo do cabo de energia.
8. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-6, em que as fibras óticas são enroladas em torno do cabo de energia em uma geometria espiralada ou helicoidal.
9. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-8, em que as fibras óticas são incluídas dentro do cabo de energia durante a produção do dito cabo.
10. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, em que os ditos sinais óticos são pul- sos monocromáticos.
11. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, em que os ditos sinais óticos são uma onda contínua monocromática.
12. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, em que os ditos sinais óticos são on- das contínuas monocromáticas com modulação de amplitude.
13. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-12, em que os ditos sinais óticos recebi- dos das ditas fibras óticas são analisados por OTDR e/ou OFDR.
14. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-12, em que a dita análise é adaptada para estimar a curvatura do dito cabo de força.
15. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com a reivindicação 14, em que o dito sistema de monitoramento é adaptado para dar um alarme se a curvatura estimada do dito cabo de energia excede um valor superior.
16. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com a reivindicação 14, em que o dito sistema de monitoramento é adaptado para gravar a curvatura do dito cabo de energia.
17. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14-16, em que o dito sistema de monitora- mento é adaptado para calcular uma tensão de curvatura total acumulada do dito cabo de energia.
18. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14-17, em que o dito sistema de monitora- mento é adaptado para estimar o tempo para futura manutenção/reparo a partir das tensões de curvatura acumuladas no dito cabo de energia.
19. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14-18, em que o dito sistema de monitora- mento é adaptado para estimar futura tensão de curvatura a partir de ten- sões de curvatura medidas acumuladas do dito cabo de energia.
20. Sistema de monitoramento fora da costa, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-19, em que o dito cabo de energia é en- feixado com outros canos e tubulação e o sistema de monitoramento é adap- tado para estimar a tensão de curvatura total acumulada do feixe.
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