CN103492946A - 远程进水构件检测 - Google Patents

Abstract

本发明披露了利用声纳系统来确定应当充满空气的水下支撑结构的结构部件是否进水。确定应当充满空气的结构部件反而进水表示结构部件有裂缝或受损，使得易于找到受损的部件并进行适当的维修。声纳系统位于与结构部件有一定距离的位置，以便它与结构部件有间隔。

Description

远程进水构件检测

技术领域

本发明涉及确定水下支撑结构的结构部件是充满空气还是进水的方法。

背景技术

存在多个水下支撑结构，需要对潜在的损坏进行检查。水下支撑结构的一个示例是用于海上平台例如石油钻井平台。海上平台的水下支撑结构通常由焊接的管状部件制成，其中的一些通常是充水的并且其中的一些通常是充气的。无论是否充气，管状部件上具有海生物，使得难以视觉检查管状部件的损坏和裂缝。当海上平台被施加应力时例如在飓风中，必须进行结构部件的水下检查。如果在充气部件上产生裂缝，则会进水。在检查过程中识别进水构件是找到裂缝的一种方式。

识别进水构件的先前的方法包括了使用声波装置，所述声波装置被设置成与被检查的部件接触。声波装置的一个示例是超声波探针，当使其与结构部件接触时被设定成忽视最初的几英寸，随后在预设范围上倾听来自可能的钢制品对空气或水、水对空气或空气对水、和水或空气对钢制品界面的反射。使用的另一检查设备是射线照相（即，X射线）设备，它不需要与部件接触，但确实要求极为接近，以便检查淹没环境中的部件，更不必说使用X射线在水下的难度了。

发明内容

本发明披露了一种利用声纳系统来确定水下支撑结构的结构部件是被充满有空气还是水的方法。如果结构部件应该被充有空气但却被水淹没(进水)，则表明所述结构部件破裂或受损，以便易于识别受损的部件并进行合适的维修。

所述声纳系统位于与结构部件有一定距离的位置以便与结构部件有间隔，即声纳系统不与结构部件或结构部件上的海生物靠得很近或亲密接触，而是与结构部件有间隔以便声纳系统和结构部件之间有一定距离。

进水的结构部件与充满空气的结构部件的声波结构响应相比具有不同的声波结构响应。通过引导声波信号朝向感兴趣的结构部件并检测声波结构响应，所检测的声波结构响应随后可被处理以便提取声波结构的特征。当在本文中使用时，特征是指声波信号的幅度（即不同的峰和谷）。将所确定的声波结构特征与该结构部件的期望的声波结构特征作比较可确定是否有足够的匹配。因此，如果结构部件应该是充满空气的，而所确定的声波结构响应对应于进水(淹没)的结构部件，则确定所述结构部件被进水，从而表示所述结构部件是有裂缝的或否则的话是受损的使得水进入结构部件。

所述声纳系统可以是采用低到中频声波的任何系统。所述声纳系统可以是例如潜水员操作的系统，耦合至自主式水下航行器（AUV）、远程操纵潜水器（ROV）或其它主机平台航行器，由航行器牵引、安装在杆上或安装在船体。

在一个实施例，一种方法包括利用声纳系统来确定应该被空气充满的水下支撑结构的结构部件是否进水，其中声纳系统与结构部件间隔有一段距离，因此它不与结构部件接触。

在另一个实施例中，为进水结构部件而对水下支撑结构进行扫描的方法包括从位于与感兴趣的水下结构部件隔开一段距离的一来源引导声波朝向感兴趣的水下结构部件，所述感兴趣的水下结构部件形成水下支撑结构的部分。随后检测由声波入射到感兴趣的水下结构部件上而产生的声波结构响应，并且检测到的声波结构响应被处理以便提取声波结构特征。所提取的声波结构特征随后与感兴趣的水下结构部件的期望的声波结构特征进行比较。根据比较结果，确定感兴趣的水下结构部件是否进水。

水下支撑结构及其结构部件可以是任何水下支撑结构的任何结构部件，其中可能希望检查支撑结构以便确定结构部件是否进水。例如，所述水下支撑结构可包括人造结构例如海上石油平台支撑结构等等。

当在本文中使用时，术语水下包括任何类型的水下环境，其中可能探明有水下支撑结构并且可能需要检查水下支撑结构，包括但不限于咸水地点例如海和洋以及淡水地点。

附图说明

图1示出了由水下支撑结构支撑的通常的海上平台。

图2A和图2B分别示出了充气部件和声波入射到充气部件的对应的返回强度。

图3A和图3B分别示出了充水的进水部件和声波入射到进水部件的对应的返回强度。

图4是示出本文所述的进水部件检测方法的流程图。

图5示出了用于所述方法的搜索空间的概念。

图6示出了来自充气部件的返回声波（即声波结构响应）的包络的一个示例。

图7示出了来自进水部件的返回声波（即声波结构响应）的包络的一个示例。

图8示出了如同结构部件被充气所生成的参考返回声波（即声波结构响应）的包络。

图9示出了确定图6所示返回声波包络与图8所示参考返回声波包络之间的差异。

图10示出了确定图7所示返回声波包络与图8所示参考返回声波包络之间的差异。

图11示出了将图9中所确定的差异与阈值进行比较。

图12示出了将图10中所确定的差异与阈值进行比较。

图13示出了水下支撑结构的三维模型上进水结构部件的表示。

具体实施方式

图1示出了具有由水下支撑结构14支撑的海上平台12的水体10。水体10可以是任何水体，咸水或淡水。在本示出的示例中，平台12是石油平台，而支撑结构14被安装至水体的底部。不过，石油平台和相关的支撑结构的示图仅是示例性的，并应当理解，水下支撑结构可以是任何类型的水下支撑结构，人造和天然产生的，安装到海底或浮在水中，并且平台12可以是其它类型的平台。

支撑结构14由多个焊接或以其它方式连接的管状结构部件16构成，其中的一些应该通常是充水的并且其中的一些应该通常是充满空气的。当在本文中使用时，通常充水的结构部件不同于通常充满空气的结构部件，所述通常充水的结构部件已经有裂缝或否则已经受损并进水。为了强调这个差别，应该通常充气但无论什么原因进水的结构部件会被称为进水结构部件，其中术语进水(flooded)暗示背离其想要或通常的状况的结构部件的状况。因此，应该充水的结构部件不是进水部件。

声纳系统18被示出为与支撑结构14和各结构部件16间隔，因此它不与支撑结构或结构部件接触。本文中所用的短语“不与…接触(notincontact)”表示声纳系统18不与支撑结构14或任何其结构部件16或结构部件上的海生物亲密接触，而是与支撑结构及其结构部件有间隔，因此在声纳系统和支撑结构及结构部件之间有一定距离。

如在下文中进一步所描述的，采用声纳系统18来确定应该充气的水下支撑结构14的结构部件是否已进水。以这种方式使用声纳系统18是基于发明人认识到进水的结构部件对入射声波的声波结构响应不同于充气结构部件的声波结构响应。通过引导声波朝向感兴趣的结构部件并检测返回声波结构响应，所检测到的声波结构响应随后可被处理以便提取声波结构特征。将所提取的声波结构特征与该结构部件的期望的声波结构特征作比较可以确定是否有足够的匹配。如果结构部件应该是充气的，而所确定的声波结构响应对应于进水的结构部件，则确定所述结构部件进水，从而表示所述结构部件有裂缝或否则是受损的使得水进入结构部件。

声纳系统18使用低到中频声波，能够穿透并刺激被检查的感兴趣的结构部件的外皮。声波穿透并刺激结构部件的能力取决于若干因素，例如结构部件的材料和外皮的厚度，即结构部件的壁的厚度。因此，所用的频率可能是不同的，并且会足以穿透并刺激感兴趣的结构部件的外皮的任何频率被包含在低-中频的含义内。

优选的，声纳系统会是具有双频率的多束声纳，一个频率在50kHz或低于50kHz，而(另)一个频率在100kHz或高于100kHz。声纳优选具有足以在大于约50ft.范围工作的能力并且可以是参数或传统的类型。发明人认为合适的声频的一个示例是20kHz。合适的声纳系统的一个示例是从TritechInternational Limited ofAberdeen,United Kingdom可购得的SeaKing Parametric SBP浅地层剖面仪。SeaKing Parametric SBP是具有20kHz的低频和200kHz的主频的双频声纳。就SeaKing Parametric SBP来说，声纳可以例如在检查支撑结构时位于距离支撑结构大约50英尺的位置。不过，声纳系统18可以位于距离支撑结构比50英尺更远或更近的位置。当使用多束声纳时，本文所述的方法对于每个声纳的声束可以简单地进行重复。

声纳系统18用于在声学上检测充气的结构部件和充水的进水部件之间的差异。这通过引导声信号或瞬态信号(信号瞬态)朝向感兴趣的结构部件并检测来自结构部件的声波结构响应返回来进行。声波结构响应返回随后被处理以便确定声波结构特征和结构部件是否充气或进水。可选地，被检测到的进水部件可在支撑结构的三维模型上表示以便帮助示出任何进水部件的范围(程度)并帮助更好地了解支撑结构的状况。

参见图2A-B和图3A-B，示出了通过声纳设备18声(脉冲)撞击结构部件16。为了帮助解释该概念，结构部件16被示出为截面形状为矩形。不过，在实践中，结构部件16通常会具有圆的（即圆形）截面形状。但是，结构部件可具有任意截面形状，并不限于矩形或圆/圆形。

图2A示出了充气的结构部件16，其中图2B示出由声纳设备18检测到的返回声结构波24，作为声纳设备发送声波20朝向结构部件16并撞击结构部件16的结果。限定结构部件16的壁在本文中被称为结构部件的外皮22。所述波20具有的频率使其能够穿透并刺激外皮22。如图2B中所示，几乎全部强度的声波20被反射回（由返回波24的包络的幅度26表示），作为波20接触外皮22/部件16内的空气界面的结果。

相反的，图3A示出了充水的结构部件16，其中图3B示出由声纳设备18检测到的返回声结构波28，作为声纳设备发送声波20朝向结构部件16并撞击结构部件16的结果。声波20穿透并刺激外皮22。不过，因为部件是充水的，所以波20继续通过部件中的水到达部件16的相对壁并从另一侧出来。如图3B中所示，返回波包络28示出了两个较小的峰30、32，表示外皮22/水界面。

由图2A-B和3A-B显而易见，充气部件16具有与充水部件16不同的声波结构响应。可利用声波结构响应的这种差异来确定本来应该充满空气的部件是否却进水了。

图4示出了用于解释声波结构返回以便确定结构部件是充满空气还是进水的步骤的流程图。为了解释来自部件16的声波结构返回，利用传感器设备18相对于支撑结构的三维模型的位置和方向（姿态信息）。姿态信息和现有三维模型提供关于哪些部件16应该被充满空气并从而需要检查的知识，提供关于感兴趣的结构部件的信息例如来自声纳18的其范围、部件16的直径、和是否有其它附近的结构可能影响所返回的声结构波并影响检测到的返回。此外，提供合适的软件来运行算法以便将检测到的声波结构的返回与期望的声波结构的返回作比较，即充满空气或进水部件的声波结构返回特征。

在图4中，在步骤40获得支撑结构的三维模型和相对于三维模型的传感器18的姿态。三维模型可以是支撑结构的任何三维模型，在先存在或实时生成，利用下述专利文献所述的方法：申请日为2010年10月25日、发明名称为“BuildingA Three Dimensional Model Of An Underwater Structure”的美国临时专利申请SerialNo.61/406444(律师案号：20057.0147USP1)，该专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用。姿态信息可通过与声纳设备相关的已知结构的惯性导航系统以及采用下述专利文献中所述的技术来提供：申请日为2010年10月25日、发明名称为“Estimating Position and Orientation Of An Underwater Vehicle Relative ToUnderwater Structures”的美国临时专利申请Serial No.61/406424(律师案号：20057.0145USP1)，该专利文献在此以其全文形式被结合入本文作为引用，以便确定相对于三维模型的姿态。

随后，对于感兴趣的结构部件，所期望的声波结构响应被建立。在所示的示例中，期望的声波结构响应是所期望的声波结构响应，假定感兴趣的水下结构部件是充满空气的。不过，在一些情况，建立期望的声波结构响应是可行的，仿佛感兴趣的水下结构部件被进水。

假定结构部件是充满空气的，建立期望的声波结构响应的两个示例如下。首先，如图4中的框42所示，高频参考声纳脉冲可被投射向感兴趣的结构部件。高频参考声纳脉冲可由声纳设备18的第二转换器或者如果声纳设备能够有不同的频率通过相同的转换器生成。上文所讨论的SeaKing Parametric SBP可生成除20kHz频率声纳脉冲外的200kHz的高频声纳脉冲。高频波不穿透结构部件的外皮，而是从结构部件反射，类似于上文结合图2A所讨论的从外皮/空气界面反射的低频波的第一次返回。一旦被处理，检测到的声波结构返回形成期望的声波结构响应，如同结构部件是充满空气的。

如图4中的框44所示，建立期望的声波结构响应的另一示例是通过从结构部件的三维模型获得的信息模拟低频参考声纳脉冲。这可以通过假定某声纳脉冲强度、计算相对于时间的返回强度和对于自声纳设备18的范围以低频与图5中所表示的暴露的表面区域46成比例的声波结构响应来完成。还可以使用其它更为复杂的声纳模拟。

图8示出了如同部件被充满空气的已建立的期望的声波结构响应48的一个示例。

回到图4，在步骤50，期望的声波结构响应48随后与由实际检测到的返回声波结构响应所确定的声波结构响应进行比较，所述实际检测到的返回声波结构响应通过确定两者间的差异由声纳系统18的低频声波20产生。图6示出了来自充满空气的部件的检测到的返回声波结构响应52（标准化的，对于声损耗），而图7示出了来自进水部件的检测到的返回声波结构响应54（标准化的，对于声损耗）。

图9示出了期望的返回声波结构响应48相对于充满空气的部件检测到的返回声波结构响应52，在下面示出两个信号之间在幅度上的差异56（即声波结构特征之间的差异）。相似地，图10示出了期望的返回声波结构响应48相对于进水部件检测到的返回声波结构响应54，在下面示出了两个信号之间在幅度上的差异58（即声波结构特征之间的差异）。

回到图4，另一步骤包括限定来自三维模型60的搜索空间。参见图5，搜索空间62位于部件16的远侧，并被计算为其中如果接收到声纳返回则表示进水部件的空间。3D空间中并对于被分析的声束转化为时间域的搜索空间传达关于质疑的结构部件的信息，例如大小、范围、角度、和距声束中心的偏移。如果在声纳的声束的通道上有多个物体则需要该信息，以便可聚焦处理算法并避免误报率。搜索空间表示如果检测到返回则它一定是由于进水部件的空间。充满空气的结构部件的空气会阻碍从结构部件的远侧或紧挨着结构部件的任何物体的返回。这就是为何搜索空间可稍微伸过结构部件的远侧的原因。

回到图4，另一步骤64包括将图9和10中在幅度上和声波结构特征的差异56、58与搜索空间62内的阈值进行比较。这在图11和图12中示出，其中图11示出了相对于阈值66极限在幅度上的差异56，而图12示出了相对于阈值66极限在幅度上的差异58。阈值是任意的并且在一个示例中可用给定的声纳系统和要检查的可能结构部件的范围通过实验来确定。

回到图4，根据步骤64的比较结果，判定感兴趣的部件是否进水。如图11中所示，在幅度上的差异56不超过阈值极限。因此，得出结论：感兴趣的部件未进水而是充满空气的。图12示出了在幅度上的差异58超过阈值极限，即幅度差异的部分（即声纳结构特征差异58）在阈值极限框之外。因此，从图12得出结论：感兴趣的部件进水。

应当被充满空气而进水的部件的信息表示所述部件有裂缝或否则是受损的。这使得潜水员、ROV、AUV或其它检查系统集中于进水部件以便帮助寻找裂缝或其它损坏，并对受损部件进行合适的维修或替换。

可选地，如图13中所示，检测到的进水部件16可在支撑结构的三维模型70上表示，例如通过如在图13中所示的模型70上突出(加亮)进水部件，以有助于示出进水部件的范围(程度)并帮助更好地了解支撑结构的状况。

水下支撑结构的一些结构部件可能包含同心管或其它内部结构。本文所述的方法可用于在充气的结构部件和充水的结构部件之间进行区分，即使所述结构部件包含任意的内部结构，只要任意的内部结构不引起使得充气的结构部件表现出进水的情况。

本申请所披露的示例在所有方面被视为是说明性的而非限制性的。本发明的保护范围由所附权利要求书表示而非由前述的说明书限定；并且在权利要求的等同的含义和范围内的所有变化旨在包含在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种为进水的结构部件扫描水下支撑结构的方法，包括：

从设置在与感兴趣的水下结构部件有一距离的来源引导声波朝向感兴趣的水下结构部件，所述感兴趣的水下结构部件形成水下支撑结构的一部分；

检测由声波入射到感兴趣的水下结构部件上所产生的返回声波结构响应；

将检测到的返回声波结构响应与对于感兴趣的水下结构部件的期望的返回声波结构响应进行比较；和

根据比较结果，确定感兴趣的水下结构部件是否进水。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述来源是声纳系统，并且所述声波是低频声波。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述水下支撑结构与海上平台相关。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将检测到的返回声波结构响应与期望的返回声波结构响应进行比较包括确定来源相对于水下支撑结构的三维模型的位置和方向。

5.根据权利要求4所述的方法，其中将检测到的返回声波结构响应与期望的返回声波结构响应进行比较还包括建立期望的返回声波结构响应，如同感兴趣的水下结构部件是充满空气的；确定检测到的返回声波结构响应和期望的返回声波结构响应之间的差异；和，将所述差异与阈值进行比较。

6.根据权利要求5所述的方法，其中建立期望的返回声波结构响应包括：利用高频参考声波朝向感兴趣的水下结构部件并检测返回声波结构响应以确定所述结构部件的特征，或者由三维模型模拟期望的返回声波结构响应。

7.根据权利要求4所述的方法，其中如果感兴趣的水下结构部件进水，则在水下支撑结构的三维模型上表示进水的结构部件。

8.一种方法，包括：

利用声纳系统来确定应该被充满空气的水下支撑结构的结构部件是否进水，所述声纳系统与所述结构部件间隔一距离以便不与结构部件接触。

9.根据权利要求8所述的方法，包括利用声纳系统引导声波朝向结构部件，和检测由声波入射到结构部件上产生的返回声波结构响应。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括将检测到的返回声波结构响应与对于所述结构部件的期望的返回声波结构响应进行比较。

11.根据权利要求9所述的方法，其中声波是低频声波。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述水下支撑结构与海上平台相关。

13.根据权利要求10所述的方法，其中将检测到的返回声波结构响应与期望的返回声波结构响应进行比较包括确定声纳系统相对于水下支撑结构的三维模型的位置和方向。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将检测到的返回声波结构响应与期望的返回声波结构响应进行比较还包括建立期望的返回声波结构响应，如同结构部件被充满空气；确定检测到的返回声波结构响应和期望的返回声波结构响应之间的差异；和，将所述差异与阈值进行比较。

15.根据权利要求14所述的方法，其中建立期望的返回声波结构响应包括：利用高频参考声波朝向结构部件并检测返回声波结构响应以便确定结构部件的特征，或者由三维模型模拟期望的返回声波结构响应。

16.根据权利要求13所述的方法，其中如果结构部件进水，则在水下支撑结构的三维模型上表示所述进水的结构部件。

Images