WO2006038788A1 - Sensor óptico distribuido con míníma atenuación inicial para la detección y localización de fugas de líquidos - Google Patents

Sensor óptico distribuido con míníma atenuación inicial para la detección y localización de fugas de líquidos Download PDF

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Euclides Marquez Lucero
Marcela Amelia Gutierrez Morales
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Optic Fiber Leakage Detection De Mexico, S.A. De C.V.
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    • G01N2021/7723—Swelling part, also for adsorption sensor, i.e. without chemical reaction

Definitions

  • This sensor generally belongs to the field of industrial safety systems, particularly systems for the detection and location of hydrocarbon leaks.
  • optical sensors have been developed, based on optical fibers, whose purpose is to detect hydrocarbon leaks, which can be grouped into the following types:
  • the diameter and density of crosslinking of the polymer, as well as the passage of the helical wire are the fundamental parameters to obtain an optimal response from these sensors.
  • these parameters were not determined by Hopenfeld [8,9] or by several authors.
  • several Polymers mentioned in the literature are unable, in their natural state, to deform the fiber to the radii of curvature required to achieve observable attenuation.
  • the osmotic pressure of the swollen cable is a function of the chemical structure of the polymer and its cross-linking density; The higher the density, the greater the osmotic pressure produced but the amplitude of the swelling of the polymer is also smaller.
  • the crosslinking is adequate to produce an osmotic pressure sufficiently high to overcome the resistance to deformation of the optical fiber, especially between two consecutive points of contact with the wire (although not large enough to break it), and at the same time allow swelling of the polymer wide enough to make the curvature of the fiber take place to an optimum point.
  • the optimal crosslinking will depend on the geometric variables of the sensor (cable diameter and pitch of the propeller), as well as the mechanical properties of the fiber and the swelling of the polymer (modulus of elasticity and chemical interaction parameter). These considerations are generally neglected in the description of this type of sensors. However, ignoring them has several important consequences; for example, the curvature of the fiber could be exaggerated, therefore the pressure on the fiber could break it causing the interruption of the sending of the signal and the impossibility of locating the leak. On the other hand, the curvature of the fiber may be too large to produce an attenuation observable by common means.
  • the system comprises the combination of a time domain optical reflectometer (1.1), an alarm (1.2), a data acquisition card (1.3) and a distributed optical sensor (1.5) that is placed along the length of the lines to be monitored (1.4).
  • FIG. 2 A first version of this sensor is shown in Figure 2, which is mainly composed of an optical fiber (2.1), located in a channel (2.2), eccentrically placed in a polymer cable (2.3) with a central reinforcement (2.4) .
  • a mesh On the opposite side of the fiber a mesh is placed to direct the osmotic pressure of the swollen cable against the same fiber (2.6).
  • a helical wire To produce a doubles Fiber fiber newspaper when the cable swells, is surrounded by a helical wire (2.5).
  • the senor in a second version is constituted by practically the same sections described above (an optical fiber 3.1; an eccentric channel 3.2; a polymeric cable 3.3; a metallic reinforcement 3.4 and a mesh 3.5), with the exception that the sinusoidal doubles is produced by a jacket (3.6) wavy and perforated, with lateral ribs (3.7).
  • This version is the one that produces less attenuation of the fiber.
  • this is constituted by an optical fiber (4.1), located in a channel (4.2), eccentrically placed in a polymer tape (4.3), placed in a rectangular receptacle (4.6) with a wavy side (4.5).
  • This version is optimal for detecting gases.
  • the sensor works as follows: upon contact with a specific hydrocarbon, the polymer cable swells, pushing the optical fiber against the external sinusoidal restriction. This produces a double sinusoidal fiber producing the attenuation of the optical signal that continuously launches a laser integrated in one of the extremities of the sensor. The attenuation of this signal allows the leak to be detected.
  • the fiber is connected to an optical time domain reflectometer, which is able to locate the location where the sensor had contact with the hydrocarbon.
  • the main advantage of the previous designs is that the fiber is totally stress free, therefore the initial attenuation of the fiber is of an order of magnitude lower than similar sensors, allowing repeaters to be dispensed through the monitoring line , thus increasing the autonomy of the system.
  • This advantage allows the use of this system in long pipes of up to 50 kilometers.
  • the speed with which the polymer manages to deform the fiber decreases, since the latter is not found in the outermost part of the cable, where the force coming from the osmotic pressure is maximum, but within the same, What decreases the speed of response of the sensor.
  • cross-linking density Nv 15%. This density can be achieved in several ways depending on the polymer used. The most frequent routes to reach this density are by means of a cross-linking reaction and by means of UV radiation after the cable has been extruded.
  • An example of the first option is the following, if Polybutadiene is used to produce the cable, it must be included in the formulation of this elastomer 0.145
  • the cable can be irradiated with a 450 nm UV light source for 15 minutes after being extruded.
  • the wavelength of the sinusoidal restriction (L) must have the value given by the following expression:
  • E Young's modulus of fiber
  • I the moment of inertia thereof
  • D the diameter of the fiber and and max the maximum deflection of the fiber.
  • k is the Boltzman constant
  • T is the temperature in degrees Kelvin
  • Nv is the crosslinking density of the polymer
  • D sw is the ratio between the volume of the swollen polymer, after solvent absorption, and the original polymer
  • a is a geometric parameter generally close to 2.
  • the fiber placed inside the polymer cable does not need any additional protection to protect it from the environment, which avoids the use of an external continuous layer that dilates the swelling of the polymer.
  • the present patent can be used or applied as security systems tending to detect and locate leaks of hydrocarbons or organic solvents in the petrochemical industry, as well as to other areas derived from it.

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Abstract

Sensor óptico distribuido que tiene la forma de un cable (1.5), dentro del que se encuentra un fibra óptica (1.6), que se sitúa en un receptáculo especial (1.7). El cable presenta en su parte externa una restricción sinusoidal (2.0), y está constituido primordialmente por un polímero (1.8). Además cuenta con un refuerzo metálico (1.9) y una malla externa (2.1). Cuando un hidrocarburo, o gas, compatible con el polímero entra en contacto con el sensor, el hidrocarburo es absorbido por el polímero hinchándose y comprimiendo la fibra óptica contra la retricción sinusoidal. Así, la fibra se dobla periódicamente produciendo un aumento significativo de su coeficiente de atenuación en la localidad del evento. Se utiliza para la detección y localización de fugas de hidrocarburos. También se describe un sensor óptico en el que la cubierta externa comprende una chaqueta ondulada y perforada con costillas laterales; y otro sensor con geometría rectangular.

Description

Sensor óptico distribuido con mínima atenuación inicial para Ia detección y localización de fugas de líquidos.
EL CAMPO DE LA INVENCIÓN
Este sensor pertenece generalmente al campo de sistemas industriales de seguridad, particularmente a sistemas para Ia detección y localización de fugas de hidrocarburos.
DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DEL ARTE RELACIONADO
Se han desarrollado diferentes sensores ópticos, basados en fibras ópticas, cuya finalidad es detectar fugas de hidrocarburos, los cuales se pueden agrupar en los siguientes tipos:
a) Sensores donde el hidrocarburo actúa directamente sobre Ia fibra óptica, modificando las propiedades de Ia señal óptica que viaja por ella. Por ejemplo, se puede disminuir Ia intensidad de Ia señal; como en los diseños de Tanaka [1], Murphy [2] y Ravetti [3]; o se puede crear una nueva señal en base a Ia florescencia producida (como el diseño de Blyler [4]).
b) Sensores donde Ia fibra óptica actúa indirectamente con el hidrocarburo. En este tipo de sensores Ia acción del hidrocarburo modifica las propiedades de una materia, generalmente un polímero susceptible para actuar recíprocamente con el hidrocarburo, que altera a su vez las propiedades de transmisión de una fibra óptica modificando su posición, comprimiéndola o doblándola. Los diseños de Seitz [5], Lawrence [6], Lindow [7], y Hopenfeld [8,9] corresponden a este tipo de sensores.
Se han diseñado para detectar fugas de hidrocarburos por medios ópticos varios sensores ópticos distribuidos. En particular, Hopenfeld [8, 9] mostró cómo fabricar un sensor distribuido de Ia manera siguiente: uno o dos fibras ópticas son unidas a un cable axisimétrico con un alambre helicoidal. El cable se elabora con un polímero escogido entre las resinas que se hinchan cuando entran el contacto con el hidrocarburo al ser detectado. El alambre helicoidal se elabora con una materia inerte al mismo hidrocarburo. En general, el sensor trabaja de Ia siguiente manera: cuando el hidrocarburo entra en contacto con el sensor, el polímero se hincha comprimiendo entonces Ia fibra óptica contra el alambre. Esta compresión produce un doblamiento de Ia fibra óptica que provoca Ia atenuación de las señales ópticas que viajan por esta. Esta atenuación se usa para detectar Ia presencia de una fuga del hidrocarburo. Estos sensores tienen varias ventajas: son seguros, exactos, están libres de interferencias electromagnéticas, etc. Sin embargo, los diseños previos tienen las desventajas siguientes:
1) El esfuerzo y Ia deformación que el alambre produce sobre Ia fibra óptica tiene como resultado Ia generación de una elevada atenuación inicial. Esta atenuación hace que Ia potencia inicial de Ia señal de luz enviada se desvanezca a los pocos metros de transmisión a través del sensor, aproximadamente a unos 500 metros. Esta característica inhibe su uso en tuberías largas porque es necesario reforzar frecuentemente las señales ópticas, por Io general a una distancia aproximada de 200 metros, haciendo muy costosa su implementación.
2) Como el alambre helicoidal mantiene siempre su rigidez pero el polímero se ablanda durante el hinchamiento por hidrocarburos, otra desventaja es Ia incrustación del alambre en el cable durante el hinchamiento, Io que produce con el transcurso del tiempo, una disminución de Ia presión sobre Ia fibra. Así, en algunos experimentos realizados con prototipos, Ia atenuación alcanzada, después de un cierto tiempo de Ia inmersión del sensor en un hidrocarburo específico, se desvanece gradualmente hasta eventualmente desaparecer a tiempos largos, ya que Ia presión sobre Ia fibra se debilitó hasta un cierto grado que Ia deformación ya no es observable. Esta desventaja es muy importante ya que el desvanecimiento de Ia atenuación después de un cierto tiempo impide Ia localización exacta de Ia fuga.
3) El diámetro y densidad de reticulación del polímero, así como el paso del alambre helicoidal son los parámetros fundamentales para obtener una respuesta óptima de estos sensores. Sin embargo, estos parámetros no fueron determinados por Hopenfeld [8,9] ni por varios autores. Por ejemplo, varios polímeros mencionados en Ia literatura son incapaces, en su estado natural, de deformar la fibra a los radios de curvatura requeridos para alcanzar una atenuación observable. La presión osmótica del cable hinchado es una función de Ia estructura química del polímero y de su densidad de reticulación; entre mayor es Ia densidad, mayor es Ia presión osmótica producida pero también es menor Ia amplitud del hinchamiento del polímero. Por Io que en el presente caso se hace necesario que Ia reticulación sea Ia adecuada para producir una presión osmótica suficientemente elevada para poder vencer Ia resistencia a Ia deformación de Ia fibra óptica, en especial entre dos puntos consecutivos del contacto con el alambre (aunque no tan grande como para romperla), y al mismo tiempo permitir un hinchamiento del polímero Io suficientemente amplio para hacer que Ia curvatura de Ia fibra se lleve a cabo hasta un punto óptimo.
Evidentemente, Ia reticulación óptima dependerá de las variables geométricas del sensor (diámetro del cable y paso de Ia hélice), así como de las propiedades mecánicas de Ia fibra y del hincharn iento del polímero (modulo de elasticidad y parámetro de interacción químico). Estas consideraciones se descuidan generalmente en Ia descripción de este tipo de sensores. Sin embargo, ignorarlas tiene varias consecuencias de importancia; por ejemplo Ia curvatura de Ia fibra podría ser exagerada, por Io tanto ia presión sobre Ia fibra podría romperla provocando Ia interrupción del envío de Ia señal y Ia imposibilidad de localizar Ia fuga. Por otro lado, Ia curvatura de Ia fibra puede ser demasiado grande para producir una atenuación observable por medios comunes.
4) Además, es muy conocido que Ia capacidad del polímero para absorber solventes disminuye considerablemente si un esfuerzo a Ia tensión Ie es aplicado. Asimismo, Ia fibra es muy frágil y se rompe fácilmente si es sometida a tracción. El diseño de Hopenfeld [8,9] no presenta ningún refuerzo que prevenga esta situación. Por tanto, cualquier tensión que se produzca durante Ia instalación del sensor disminuirá significativamente su capacidad de absorción y pondrá en riesgo Ia integridad de Ia fibra.
5) Por otro lado, en los anteriores diseños se necesita que Ia fibra óptica sea protegida del medio ambiente, por Io tanto, es necesario una cubierta que sea permeable al hidrocarburo al ser detectado, pero impermeable a otras substancias. No existe un material ideal para elaborar esta cubierta que penetre instantáneamente, por Io tanto el tiempo que el hidrocarburo toma para cruzar esta capa es añadido al tiempo total necesario para detectar Ia fuga. Es importante mencionar que un hidrocarburo de alto peso molecular tiene un coeficiente bajo de Ia difusión, así que este último tiempo puede representar una fracción importante del tiempo total necesario para detectar Ia fuga.
6) Finalmente, todos los sensores previos de este tipo se han concebido como un cable axisimétrϊco. Sin embargo, Ia geometría cilindrica presenta una de las más pequeñas relaciones entre el volumen y Ia superficie. Esto quiere decir que existe muy poca superficie por donde el solvente pueda penetrar en comparación al volumen del sensor. En contraste una geometría rectangular como el de una cinta tiende a permitir una más rápida penetración del solvente en el polímero y por Io tanto una mas rápida respuesta del mismo.
DETALLE DE LA INVENCIÓN
En Ia presente patente, se han estudiado los sensores de detección de fugas de tipo óptico y los problemas asociados con su uso. En particular, las causas que producen Ia atenuación de las señales ópticas en los sensores distribuidos basados en Ia generación de macro o micro curvas, así como también Ia ruptura eventual de las fibras y el aumento del tiempo de Ia respuesta en los mismos sensores.
Por Io que en Ia presente patente, se ha desarrollado un nuevo sistema que mejora Ia capacidad de detectar y localizar una fuga de hidrocarburos por medios ópticos (Figura 1). En general, el sistema comprende Ia combinación de un reflectómetro óptico de dominio de tiempo (1.1), una alarma (1.2), una tarjeta de Ia adquisición de datos (1.3) y un sensor óptico distribuido (1.5) que se coloca a Io largo de las líneas a monitorear (1.4).
Una primera versión de éste sensor se muestra en Ia Figura 2, el cual esta compuesto principalmente de una fibra óptica (2.1), localizada en un canal (2.2), excéntricamente colocado en un cable polimérico (2.3) con un refuerzo central (2.4). En el lado opuesto de Ia fibra se coloca una malla para dirigir Ia presión osmótica del cable hinchado contra Ia misma fibra (2.6). Para producir un dobles periódico de Ia fibra cuando el cable se hincha, es rodeada por un alambre (2.5) helicoidal.
En una segunda versión el sensor, Figura 3, está constituido por prácticamente las mismas secciones descritas anteriormente (una fibra óptica 3.1 ; un canal excéntrico 3.2; un cable polimérico 3.3; un refuerzo metálico 3.4 y una malla 3.5), con Ia excepción de que el dobles sinusoidal es producido por una chaqueta (3.6) ondulada y perforada, con costillas laterales (3.7). Esta versión es Ia que produce menor atenuación de Ia fibra.
En una tercera versión del sensor, Figura 4, este esta constituido por una fibra (4.1) óptica, localizada en un canal (4.2), excéntricamente colocada en una cinta (4.3) de polímero, colocada en un receptáculo rectangular (4.6) con un lado ondulado (4.5). Esta versión es óptima para detectar gases.
El sensor funciona de Ia manera siguiente: al contacto con un hidrocarburo especifico el cable de polímero se hincha, empujando Ia fibra óptica contra Ia restricción sinusoidal externa. Esto produce un dobles sinusoidal de Ia fibra produciendo Ia atenuación de Ia señal óptica que continuamente lanza un láser integrado en una de las extremidades del sensor. La atenuación de esta señal permite detectar Ia fuga. Para localizar el sitio de Ia fuga Ia fibra es conectada a un reflectómetro óptico de dominio de tiempo, que es capaz de localizar el emplazamiento donde el sensor tuvo contacto con el hidrocarburo.
La principal ventaja de los anteriores diseños, es que Ia fibra está totalmente libre de esfuerzos, por Io tanto Ia atenuación inicial de Ia fibra es de un orden de magnitud inferior a los sensores similares, permitiendo prescindir de repetidores a través de Ia línea de monitoreo, incrementando así Ia autonomía del sistema. Esta ventaja permite el uso de éste sistema en tuberías largas de hasta 50 Kilómetros. Evidentemente, en nuestro diseño Ia rapidez con Ia que el polímero logra deformar Ia fibra disminuye, ya que esta última no se encuentra en Ia parte más externa del cable, donde Ia fuerza proveniente de Ia presión osmótica es máxima, sino al interior del mismo, Io que disminuye Ia rapidez de respuesta de l sensor. Esta desventaja es compensada por medio de tres acciones conjuntas: a) el hinchamiento.se dirige hacia Ia fibra por medio de una malla colocada en Ia parte opuesta a Ia fibra en el cable polimérico, b) se emplea un nivel óptimo de reticulación del polímero, c) se emplea una longitud de onda óptima en el diseño de Ia restricción sinusoidal.
Se encontró que el nivel óptimo de reticulación del polímero esta dado por una densidad de entrecruzamiento Nv de 15 %. Esta densidad puede ser alcanzada de varias maneras dependiendo del polímero usado. Las rutas más frecuentes para alcanzar esta densidad son por medio de una reacción de entrecruzamiento y por medio de radiación UV después de haber extruido el cable. Un ejemplo de Ia primera opción es Ia siguiente, si se usa Polibutadieno para producir el cable se debe incluir en Ia formulación de este elastómero 0.145
% de ácido esteárico y calentar el mismo cable a una temperatura de 180° C después de extruido. Alternativamente, se puede irradiar el cable con una fuente de luz UV de 450 nm, durante 15 minutos después de haber sido extruido.
En este sentido, para producir una deformación periódica óptima de Ia fibra,
Ia longitud de onda de Ia restricción sinusoidal (L) debe tener el valor dado por Ia siguiente expresión:
Figure imgf000008_0001
donde E es el módulo de Young de Ia fibra; I el momento de inercia de Ia misma; DIa presión osmótica del polímero hinchado; D el diámetro de Ia fibra y ymax Ia deflección máxima de Ia fibra. D esta dada por Ia siguiente expresión;
D= k T Nv [ Dsw1/3- ( a Dsw)/2]
donde k es Ia constante de Boltzman; T es Ia temperatura en grados Kelvin; Nv es Ia densidad de entrecruzamiento del polímero; Dsw es Ia relación entre el volumen del polímero hinchado, después de Ia absorción de solventes, y el polímero original; a es un parámetro geométrico generalmente cercano a 2.
Por otra parte, es importante remarcar que Ia fibra colocada dentro del cable de polímero, no necesita ninguna protección adicional para protegerla del medio ambiente, Io que evita el uso de una capa continua externa que dilate el hinchamiento del polímero. Por último, Ia presente patente puede ser utilizada o aplicada a s istemas de seguridad tendientes a detectar y localizar fugas de hidrocarburos o disolventes orgánicos en Ia industria petroquímica, así como a otras áreas derivadas de Ia misma.
Referencias Citadas.
1. - Tanaka et al., Hydrocarbon leakage detection system, US Patent No.
4,270,049 (1981).
2. - Murphy R., Method and devise for detecting leaks from pip»elines, US
Patent No. 4,386,269 (1983). 3. - Ravetti R., Dougherty T. Chemically sensitive fiber optic cable, US Patent No. 5,337,376 (1994).
4. - Blyler et al., Optical fiber sensors for chemical detection, US Patent No.
4,834,496 (1989).
5. - Seitz W. et al., Fiber optic chemical sensors based on polymer swelling, USA Patent No. 5,015,843 (1991 ).
6. - Lawrence W., Method and apparatus for detecting hydrocarbons fueMs in a vapor state with an absorber expander member, USA Patent No. 5,378,889 (1995).
7. - Lindow J. et al., Optical fiber sensor for distinguish between the presence of hydrocarbon and vapor phases of a substance, USA Patent No.
6,009,217 (1999). 8 - Hopenfeld J., Coated fiber optic sensor for the detection of substances, USA
Patent No. 5,982,959 (1999).
9.- Hopenfeld J., Looped fiber-optic for the detection of substances, USA Patent No. 5,828,758 (1998).

Claims

REIVINDICACIONES.
L- Un diseño nuevo de un sensor químico distribuido basado en Ia producción de microcurvaturas de una fibra óptica, el cual tiene una atenuación inicial mínima, ya que Ia fibra se encuentra totalmente libre de esfuerzos mecánicos.
2.- El diseño de una malla que concentra el hinchamiento en Ia dirección de Ia fibra con el fin de acelerar Ia respuesta del sensor.
3.- El diseño de una cubierta externa con costillas que permite deformar Ia fibra cuando el polímero se hincha, pero evita todo contacto con ella cuando el polímero no esta hinchado.
4.- El diseño de un sensor de tipo óptico con geometría rectangular que permite detectar gases.
5.- La composición de reticulación óptima con una densidad de 15 % para operar el sensor.
6.- El algoritmo de cálculo de Ia longitud de onda óptima para tener una restricción sinusoidal que produzca Ia mas rápida atenuación de Ia fibra.
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