CN102879146A - 水下螺栓紧固状态监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下螺栓紧固状态监测装置及监测方法，其特征是：包括气源装置和压缩空气传输装置，所述压缩空气传输装置和水下压力传感器相连；该装置和方法是通过监测穿在螺栓上并被螺栓紧固的两片圆盘和圆盘两道环形之间所形成的腔室中的气压变化，来监测螺栓的紧固状态。优点是：本发明实现了自动监测水下螺栓紧固状态，提前进行预测报警，从而减少了监控判断时人为因素的影响及对人员素质等因素的依赖，并节省了人力成本；本装置结构简单，对系统辅助仪器、设备均无特殊要求、且测试设备较少，其制造成本较低、安装使用及日常维护极为方便。

Description

水下螺栓紧固状态监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于监测装置领域，尤其涉及一种水下螺栓紧固状态监测装置及监测方法。

背景技术

伴随着我国海上石油行业的迅速发展，越来越多的近海油气田被探明、开发。而井口平台加带单点的FPSO全海式开发模式也越来越多被使用。在这种开发模式中单点系泊系统的作用极为重要；单点系泊系统是由YOKE、系泊塔、跨接软管、和柱基等主要构件组成的。它将FPSO系泊在指定位置，允许其在风、浪、流作用下围绕着单点旋转。并由软管、海底管线、电缆建立起FPSO与井口平台之间井液、注水和电力传输的桥梁。

以我国渤海曹妃甸11油田为例，曹妃甸11油田FPSO海洋石油112的系泊系统选用的是挪威APL公司研发的SYS型水下浮筒软钢臂单点系泊装置，该单点系泊装置的结构特点是外塔筒嵌套在内塔筒外侧旋转，外塔筒的全部重量由水下的转盘轴承负载，由于转盘轴承负载了外塔筒的全部重量和各方面的受力，使得转盘轴承上的固定螺栓长期受到不规则的动态载荷，从而导致了部分固定螺栓产生疲劳受损、甚至断裂的现象，这样对整个单点设备的安全运行产生极大的安全隐患。

为避免因水下轴承固定螺栓断裂产生的安全隐患，必须对此部分螺栓的紧固状态进行有效监控。但若要进行有效的监控就必须面对以下几个难点：1、被监测物位于水下，监测设备必须具备防水能力；2、海水对监测设备的腐蚀，要求监测设备具有耐腐蚀性；3、被监测物一般均位于水下几十米深处，监测设备必须具备抗压能力。4、监测信号传输若使用有线传输时，如何解决单点外塔筒在360°旋转时信号传递管线不被缠绕。

目前有两种可能的监测方式：最常见的是由潜水员在水下进行定期的巡检，其缺点是成本高，并且受天气、环境状况的制约较大，且难以避免突发性事件的发生；另一种是在螺栓的安装位置安装监控摄像头，将视频信号引入中控室进行监视，其缺点是监控视频清晰程度受水质的制约较大，螺栓松脱不明显时不能看清，并且对监视人员过于依赖。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水下螺栓紧固状态监测装置和使用该装置的监测方法，该装置和方法可以实现对水下螺栓紧固状态的自动监控和预测报警。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种水下螺栓紧固状态监测装置，其特征是：包括气源装置和压缩空气传输装置，所述压缩空气传输装置和水下压力传感器相连；

所述压缩空气传输装置包括与气包相连的系统分路支管、系统分路支管上的支路阀门、系统分路支管上支路阀门下游的压力变送器和与水下压力传感器相连的支路输气软管，所述压力变送器与监控设备或者中央控制系统相连；

所述水下压力传感器包括两片呈环柱体的钢制圆盘，分别为第一圆盘和第二圆盘，其中第一圆盘上部开沉孔，内设有螺纹，通过管接头与支路输气软管进行连接，在开孔底部再开有一个贯通第一圆盘的内孔，所述第一圆盘和第二圆盘之间设有两道密封圈，第一圆盘和第二圆盘均穿在水下螺栓上并被螺栓紧固，两道密封圈和第一圆盘、第二圆盘之间形成与内孔连通的密闭腔室。

优选的，所述气源装置包括压缩空气源相连的气源总管，气源总管的下游设有压力总表，压力总表下游设有总阀，总阀下游设有气包，气包与压缩空气传输装置相连。

一种使用上述装置监测水下螺栓紧固状态的方法，其特征在于：通过监测穿在螺栓上并被螺栓紧固的两片圆盘和圆盘两道环形之间所形成的腔室中的气压变化，来监测螺栓的紧固状态。

优选的，监测气压变化是通过设置在压缩空气传输装置的压力传送装置监测压缩空气传输装置中的气压变化来实现的，并将监测信号传输给监控设备或者中央控制系统。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明采用了以上技术方案后：1、实现了自动监测水下螺栓紧固状态，提前进行预测报警，从而减少了监控判断时人为因素的影响及对人员素质等因素的依赖，并节省了人力成本。2、相比较现有其他的监测手段具有一次投资长期收益的经济效益。3、本发明对系统相关制作材料的高要求，以及设计和加工制造的高精度使得本发明具有较高的稳定性及可靠性，同时解决了水下螺栓监控通常会遇到的防水、耐腐蚀和耐压这三个难题，用户可以放心的使用。4、本发明水下监测信号使用输气管线对系统监测压力进行传递，在本发明实施例中针对水下旋转结构，输气管线沿单点内塔筒内部已有管线内部穿入水下，再与水下压力传感器相连，避免了单点外塔筒在360°旋转时信号传递管线与水下结构缠绕的事件发生。5、本发明结构简单，并对系统辅助仪器、设备均无特殊要求、且测试设备较少，其制造成本较低、安装使用及日常维护等方便。6、本发明可用于海洋工程、船舶、水利和其他包含水下设备或结构需用螺栓紧固的生产和科研领域，故具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明系统组成示意图；

图2是本发明装有水下压力传感器的螺栓侧面剖视图；

图3是图2的俯视图。

图中：1、阀组；2、支路输气软管；3、水下压力传感器；4、螺栓；5、固定部件；6、第一圆盘；7、第二圆盘；8、环形通槽；9、内孔；10、O型密封圈；11、管接头；12、沉孔；13、气源总管；14、系统总阀；15、压力总表；16、气包；17、分路支管；18、支路阀门；19、压力变送器；20、气源；21、中央控制系统。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图3，一种水下螺栓紧固状态监测装置，包括气源装置和压缩空气传输装置，压缩空气传输装置和水下压力传感器相连；

气源装置包括压缩空气源相连的气源总管13，气源总管的下游设有压力总表，压力总表15下游设有总阀14，总阀下游设有气包16，气包与压缩空气传输装置相连。

压缩空气传输装置包括与气包相连的系统分路支管17、系统分路支管上的支路阀门18、系统分路支管上支路阀门下游的压力变送器19和与水下压力传感器2相连的支路输气软管，压力变送器与监控设备或者中央控制系统相连；气源装置和压缩空气传输装置共同构成控制阀组1。

干燥压缩空气从气包进入各分路支管17，通过支路输气软管2传输到水下压力传感器3中，关闭支路阀门18后，单独一支路形成闭合气密管路，每一支路闭合气密管路中的压力值由支路上连接的压力变送器19采集数据并传输给计算机监控设备或者中央控制系统21。

水下压力传感器3包括两片呈环柱体的钢制圆盘，分别为第一圆盘6和第二圆盘7，其中第一圆盘上部开沉孔12，内设有螺纹，通过管接头11与支路输气软管进行连接，在开孔底部再开有一个贯通第一圆盘的内孔9，第一圆盘和第二圆盘之间设有两道密封圈，第一圆盘和第二圆盘均穿在水下螺栓上并被螺栓紧固，两道密封圈和第一圆盘、第二圆盘之间形成与内孔连通的密闭腔室。在第一圆盘的底面，围绕贯通内孔的两侧一定距离开两道环形通槽8，用于放置O型密封圈10。

上述实施例中，控制阀组1及气包16、分路支管17采用耐腐蚀、耐压性能好的钢制管材制成。

本发明的动作原理为：

本发明的工作原理是：当采用装有本发明水下压力传感器的螺栓4将水下压力传感器3压在固定部件5上时，首先应通过拧紧螺栓4的方式施加一预紧力，使得水下压力传感器3牢牢固定在需监控螺栓4上。在压紧两片呈环柱体的第一圆盘6、第二圆盘7后，呈环柱体的钢制圆盘表面两道O型圈10之间形成气密空间，构成以密闭腔室。确认水下压力传感器3安装完毕后，水上控制阀组1连接气源20，并打开系统总阀14，使得气包16中充满干燥压缩空气；再打开支路阀门18，连通整个支路，压缩空气通过支路输气软管2得以进入水下压力传感器3中由两道O型圈10形成的气密空间中。待整个系统压力稳定后，依次关闭支路阀门18及系统总阀14，使得系统支路形成压力不变的稳定静态气密系统。位于支路上的压力变送器19将支路管路系统中压力值转化为信号传送给计算机监控设备或者中央控制系统21。当螺栓4松动至一定程度，即施加给水下压力传感器的压力降低至一定程度时，水下压力传感器3内由两道O型圈10形成的密封空间无法达到密封效果，整个支路开始泄压，从而产生相应的支路系统压力值，该压力值由支路压力变送器19采集并传送给计算机监控设备或中央控制系统21，从而能够为在计算机监控设备中设置报警或其他保护措施提供相应的依据。

使用本发明时，包括以下步骤：

1）潜水员将装有本发明水下压力传感器的螺栓旋设在被紧固件上，按螺栓安装要求施加预紧力；

2）潜水员将支路输气软管由水面引致水下，并沿水下已有管路或设备水下外部结构使用管卡进行固定，最后将支路输气软管连接到水下传感器上；

3）水上安装人员将控制阀组气源总管连接到气源上，并打开系统总阀12及支路阀门10；

4）打开气源，待气包压力稳定后关闭系统总阀12及支路阀门10，并断开气源；

5）读取并记录水下压力传感器在系统压力稳定后在计算机监控设备或中央控制系统上显示的初始数据信号值；

6）系统保压30分钟，在保压时间内记录计算机监控设备或中央控制系统上显示的数据信号值；

7）根据步骤5）~6）所获得的数据信号值，确定一数据信号值作为采取报警措施所对应的报警阀值，并预设在计算机监控设备或中央控制系统中；

8）在日常监测过程中，计算机监控设备或中央控制系统定期采集新的数据信号值，并将其与预设的报警阀值进行比较：如果数据信号值小于报警阀值，计算机监控设备或中央控制系统发出警报。

上述实施例中，确定报警阀值的方式，包括以下两种：

1）将气源压力值与水下传感器所处位置水深水压值的差值作为采取报警措施所对应的报警阀值；

2）将气源压力值的0.8~0.9倍作为采取报警措施所对应的报警阀值。

其中第二种报警阀值容易导致误报。

上述实施例中，当使用螺栓紧固水下设备或结构时，最好使用专用的扭矩扳手按原有的设备要求预紧力拧紧螺栓。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，如连接可以是螺栓或螺母的配合使用，凡是在本发明技术方案的基础上的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种水下螺栓紧固状态监测装置，其特征是：包括气源装置和压缩空气传输装置，所述压缩空气传输装置和水下压力传感器相连；

所述压缩空气传输装置包括与气包相连的系统分路支管、系统分路支管上的支路阀门、系统分路支管上支路阀门下游的压力变送器和与水下压力传感器相连的支路输气软管，所述压力变送器与监控设备或者中央控制系统相连；

所述水下压力传感器包括两片呈环柱体的钢制圆盘，分别为第一圆盘和第二圆盘，其中第一圆盘上部开沉孔，内设有螺纹，通过管接头与支路输气软管进行连接，在开孔底部再开有一个贯通第一圆盘的内孔，所述第一圆盘和第二圆盘之间设有两道密封圈，第一圆盘和第二圆盘均穿在水下螺栓上并被螺栓紧固，两道密封圈和第一圆盘、第二圆盘之间形成与内孔连通的密闭腔室。

2.根据权利要求1所述的水下螺栓紧固状态监测装置，其特征是：所述气源装置包括与压缩空气源相连的气源总管，气源总管的下游设有压力总表，压力总表下游设有总阀，总阀下游设有气包，气包与压缩空气传输装置相连。

3.一种使用权利要求1所述装置监测水下螺栓紧固状态的方法，其特征在于：通过监测穿在螺栓上并被螺栓紧固的两片圆盘和圆盘两道环形之间所形成的腔室中的气压变化，来监测螺栓的紧固状态。

4.根据权利要求3所述的监测水下螺栓紧固状态的方法，其特征是：监测气压变化是通过设置在压缩空气传输装置的压力传送装置监测压缩空气传输装置中的气压变化来实现的，并将监测信号传输给监控设备或者中央控制系统。

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