[发明专利]一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置及方法

权利要求书

1.一种海洋油气柔性软管环空无损检测装置实现海洋油气柔性软管环空检测的方法，其特征在于：

所述海洋油气柔性软管环空无损检测装置包括气样收集密封箱、环空压力测试箱、供气装置；

所述气样收集密封箱内有气样收集袋，用于收集柔性软管环空内的气体；

所述环空压力测试箱包括真空泵、气液分离器、流量计、压力表、第一球阀、减压阀和安全阀；

所述供气装置包括氮气瓶和第二球阀；

所述氮气瓶通过所述环空压力测试箱内的管路与所述气样收集袋和柔性软管分别连接；

所述真空泵通过气液分离器与所述气样收集袋连接；

所述海洋油气柔性软管环空检测的方法包括以下5个项目：

项目1、柔性软管环空气样收集；

项目2、柔性软管气体渗透率测试；

项目3、柔性软管环空体积测算；

项目4、柔性软管外保护层泄漏检测；

项目5、柔性软管环空腐蚀防护；

所述项目1包括步骤：

①给气样收集袋和连接管路系统抽真空：通过真空泵对气样收集袋和连接管路系统抽真空，当管路系统压力低于-0.5bar时，停止抽真空并关闭气样收集袋阀门；

②对气样收集密封箱抽真空：通过真空泵对气样收集密封箱抽真空，当压力小于-0.5bar时，停止抽真空；

③柔性软管环空取样：首先用1L气样收集袋进行取样，用于排除连接管内原有的杂质气体，然后再用两个300mL气样收集袋收集柔性软管环空气体；

④两个300mL气样收集袋取样结束后拆卸检测装置，恢复作业区原样；

按照上述步骤对每根柔性软管至少取样三次；

所述项目2包括步骤：

①对气样收集袋与柔性软管之间的连接管路抽真空至0bar；

②待柔性软管环空压力达到上限后，进行放空；

③放空后，记录柔性软管连接管路的压力；

④待柔性软管连接管路的压力达到2bar或压力上升速率稳定后，释放环空压力；

⑤拆卸环空气体渗透率测试设备，恢复工作区原样；

⑥根据柔性软管连接管路的压力随时间变化的数据分析气体在柔性软管中的渗透率；

所述项目3包括步骤：

①打开氮气瓶，测试连接管路严密性，若30分钟后压降率小于1.5％，则说明连接管路严密性良好，释放连接管路和环空压力至大气中；

②记录环空层初始压力P₁，向柔性软管环空层充入氮气；

③氮气注入分为4个阶段，0.5bar、1bar、1.5bar和2bar；

④根据记录压力下注入环空的氮气体积，按照下式计算环空剩余体积和环空浸没体积：

1)不考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V₀为不考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；Z为氮气的压缩因子；为氮气注入环空的标况体积，Sm³；为氮气在标况下的摩尔体积，Sm³/mol；R为气体常数；T为环空的平均热力学温度，K；P为环空压力，Pa；V₁为环空出口连接导管的容积，m³；V₂为导管出口与检测装置连接的管线容积，m³；

2)考虑氮气溶解的环空剩余体积模型

式中，V_a为考虑氮气溶解的环空剩余体积，m³；η_p为不同压力下氮气在水中的溶解度系数；V_w为环空被水浸没的体积，m³；

3)环空浸没体积模型

考虑氮气溶解度系数对环空剩余体积计算结果的差异，由式(1)、(2)得某一温度下环空浸没体积的计算模型

式中，V₀₁，V₀₂为不考虑氮气溶解时不同压力下对应的环空剩余体积，m³；为对应压力下氮气在水中的溶解度系数；

上述过程中，为了得到环空的浸没体积，需要开展不同压力下的多组注氮体积-压力平衡测试，采用由低压向高压的阶梯步进检测方法；上述模型中环空的平均热力学温度T计算过程如下：

4)计算环空平均温度T

已知柔性软管入口温度T₁，出口温度T₂，入口压力P₁，出口压力P₂，不同深度海水的温度T₀，焦耳—汤姆孙系数D，总传热系数K，气液混合物的质量流量M，气相质量分数GX，气体的定压比热容c_pg，混合物比热容c，管径d，管长L；

柔性软管内输送的流体是气液混合物，故根据能量守恒定律得单位质量气体在dl管段向环境的散热量

dq_ge＝c_pgdT-c_pgDdp (4)

单位质量液体在dl段向环境的散热量

dq_Le＝c_LdT-Igdl (5)

其中，I为两相管路的水力坡降，

则单位质量气液混合物向环境的散热量dq_e为

Mdq_e＝M_gdq_ge+M_Ldq_Le (6)

其中，

联立(4)～(6)，并结合(7)，得

[Kπd(T_Z-T₀)+IgM_L]dl＝McdT-M_gc_pgDdp (8)

近似认为dl段上压降为：

令

对(8)式简化，并对dT、dl求积分得：

已知任意位置管段长度l和海水温度T₀，通过上式得沿管径长度任意位置处的管内流体温度T_F(i)；

温度在材料中的扩散由傅里叶定律决定，本模型为导热问题，无内热源，故将S忽略，则圆柱坐标系下的，二维非稳态导热方程为：

这里k＝1，2，…分别代表内压密封层，抗压层，抗磨层，…，外保护层；ρ为密度，kg/m³；C为定压比热容，J/(kg·K)，λ为导热系数，W/(m·K)；

采用有限容积的方法对方程(10)进行离散，对离散后的方程进行积分得：

扩散项采用隐式结构，等式左右同除Δt，得：

整理上述结果，得：

a_PT_P＝a_ET_E+a_WT_W+a_NT_N+a_ST_S+b (13)

式中，a_P＝a_E+a_W+a_N+a_S+a_P⁰，ΔV＝r_pΔxΔr，b＝a_P⁰T_P⁰；

左右边界均采用第二类边界条件，把内边界值赋给外边界，上下边界采用第三类边界条件：

对式(9)、(12)～(15)联合求解，得到环空内不同位置处的温度值T(i,j)，对所有环空温度点求平均数，即得到环空平均温度T