CN105181795A - 一种海底管道安全监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底管道安全监测装置，属于海底管道检测技术领域。该装置包括设置在海底管道上的压电传感器单元、通信电缆、信号发生系统和数据采集系统，所述的压电传感器单元包括压电传感器组和与之相连的声信号接收换能器，其中信号发生系统通过通信电缆与压电传感单元组连接，压电传感器单元通过通信电缆与数据采集系统连接；所述信号发生系统包括信号发生器、低频激振器、高频激振器和声纳发射换能器。本发明自动化程度高，避免了维护人员潜入海底的不便和危险，且可以及时发现海底管道上的裂纹，避免更大事故的发生。

Description

一种海底管道安全监测装置

技术领域

本发明涉及一种海底管道安全监测装置，属于海底管道检测技术领域。

背景技术

海底管道是输送油、气的经济且便利的方法，这些管道负责收集、输送和分送海上油气田的资源，因此，这些海底管道连续有效地工作就显得尤为重要。而由于海水的长期冲刷、微生物的腐蚀以及使用年限的增长等因素，很可能会造成海底管道的断裂，从而造成环境污染以及经济损失。

申请号为201310579242.6，申请日为2013年11月15日的发明专利申请涉及一种基于浅海吹填区海底管线的监测方法，其特征在于：（1）根据有限元分析结果选择监测区域；（2）采用人工潜水的方式找出海底管线的准确位置；（3）监测区域内设有固定的监测平台，监测平台上预留有探测槽口；（4）在预留的探测槽口内设有一排垂直于海底管线的套管；（5）在上述的套管内逐一下放探杆；（6）根据第5步确定的海底管线的位置，下放探杆，并记录海底管线位置的初始数据；（7）间隔一定周期，重新下放探杆，并与第6步中的初始数据进行对比，从而推定海底管线的沉降和位移。测量人员监测时站在平台上等同于站在陆地上进行测量，消除了借助测量船因风浪而影响监测结果的弊端，而且不受海底管线上方泥层厚度的影响，采集数据快速。

申请号为201310416401.0，申请日为2013年9月13日的发明专利申请公开了一种海底管道弯曲变形状态监测系统及方法，属于测量技术领域。数据处理器和多波束声纳控制器位于测量船的船舱内，多波束声纳控制器通过电缆与多波束声纳发射换能器和声信号接收换能器连接；多波束声纳发射换能器和声信号接收换能器通过多波束系统固定安装辅助装置固定在测量船一侧的船舷上，并置于海面以下；数据处理器通过电缆与多波束声纳发射换能器、声信号接收换能器、多波束系统GPS定位设备、测量船姿态传感器、潮位矫正传感器、水深测量装置连接；托管架GPS定位设备通过无线方式与数据处理器连接。该发明实时监控管道铺设过程的变形状态，通过分析得出管道应力应变参数，供管道施工作业参考。

申请号为201410499347.5，申请日为2014年9月25日的发明专利申请公开了一种用于海底管道电位分布非接触式检测的数据采集系统，涉及数据采集系统领域，所述数据采集系统包括：通信电缆，所述通信电缆一端电连接设置在陆地上的数据采集器，另一端电连接设置在水下的矩阵式电位传感器，所述矩阵式电位传感器监测海管电位，同时将管道电位数据通过所述通信电缆传输到所述数据采集器，所述数据采集器进行处理并显示。该数据采集系统的数据采集与处理性能较强，工作性能稳定，可靠性高，实现了复杂环境下的连续作业；并且该数据采集系统的结构简单，实用性强，具有较强的推广与应用价值，满足了实际应用中的多种需要。

现有技术中多采用安装智能传感器对海底管道进行监控，但有的技术还需要借助人工测量或测量船，智能化程度不高，且监测的精度不够，对细小裂纹不够敏感。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种海底管道安全监测装置，可避免了维护人员潜入海底的不便和危险，且可以及时发现海底管道上的裂纹，避免更大事故的发生。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种海底管道安全监测装置，包括设置在海底管道上的压电传感器单元、通信电缆、信号发生系统和数据采集系统，所述的压电传感器单元包括压电传感器组和与之相连的声信号接收换能器，其中信号发生系统通过通信电缆与压电传感器单元连接，压电传感器单元通过通信电缆与数据采集系统连接；

所述信号发生系统包括信号发生器、低频激振器、高频激振器和声纳发射换能器，所述信号发生器发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号经声纳发射换能器转化成电信号通过通信电缆传送给传感器组，安装在海底管道上的压电传感器组接收到电信号后响应后为海底管道的振动信号，振动信号经声信号接收换能器接收转化成电信号通过通信电缆传送给数据采集系统，所述的数据采集系统对接收到的电信号进行分析处理，判断海底管道是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果存储在系统内。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的数据采集系统包括数据采集单元、数据放大单元、数据处理单元和数据存储单元。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的数据放大单元采用前置放大器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的通信电缆采用3G网络通信。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的压电传感器组采用的压电传感器的型号为AD200TT。

本发明所述的一种海底管道安全监测装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明自动化程度高，避免了维护人员潜入海底的不便和危险，且可以及时发现海底管道上的裂纹，避免更大事故的发生。

（2）本发明采用超声检测技术，实现对海底管道的无损伤检测。

（3）本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，可以显著提高超声检测的灵敏度，克服了常规线性超声方法对微小裂纹及闭合裂纹不敏感的不足。

具体实施方式

下面结合对本发明创造做进一步详细说明。

一种海底管道安全监测装置，包括设置在海底管道上的压电传感器单元、通信电缆、信号发生系统和数据采集系统，所述的压电传感器单元包括压电传感器组和与之相连的声信号接收换能器，其中信号发生系统通过通信电缆与压电传感器单元连接，压电传感器单元通过通信电缆与数据采集系统连接；

所述信号发生系统包括信号发生器、低频激振器、高频激振器和声纳发射换能器，所述信号发生器发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号经声纳发射换能器转化成电信号通过通信电缆传送给传感器组，安装在海底管道上的压电传感器组接收到电信号后响应后为海底管道的振动信号，振动信号经声信号接收换能器接收转化成电信号通过通信电缆传送给数据采集系统，所述的数据采集系统对接收到的电信号进行分析处理，判断海底管道是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果存储在系统内。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的数据采集系统包括数据采集单元、数据放大单元、数据处理单元和数据存储单元。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的数据放大单元采用前置放大器。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的通信电缆采用3G网络通信。

作为本发明的一种优选技术方案：所述的压电传感器组采用的压电传感器的型号为AD200TT。

本发明采用超声检测技术，实现对海底管道的无损伤检测。

超声波检测技术是当今社会无损检测技术领域中的一种非常重要的手段和方法，已被广泛地应用于各行各业的质量监控和安全保障。通常人耳能够听到的声波的频率范围在20-20000Hz之间，人们习惯上把频率超过20KHz的声波称为超声波。

声波在介质中向前传播的速度，称为声速。对于不同种类的超声波，其传播速度不同。超声波在介质中的传播速度与介质的弹性模量及介质的密度有关，对一定的介质，弹性模量和密度为常数，故声速也是常数。不同的介质，有不同的声速。超声波波形不同时，介质弹性变形的方式不同，速度也不一样。因此，超声波在介质中传播的速度是表征介质声学特性的一个重要参数。超声波的频率、波长和声速之间的关系如下:

其中，为超声波的波长、为超声波在介质中的的波速、为超声波的频率。可见，在同一种介质中超声波的波长与超声波的频率成反比。

超声波探伤是利用超声波在物体中传播的一些物理特性来发现物体内部的不连续性(即通常所说的缺陷)的一种方法。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。

超声波探伤法的种类很多，在目前的实际使用中，广泛使用的是接触式脉冲反射法。超声波以持续极短的时间发射脉冲到被检工件内，利用被检工件底面或内部缺陷的反射回波探测反射源的位置和大小的方法，称为脉冲反射法。超声探伤主要是判断工件材料有无缺陷，若有缺陷时，确定缺陷的大小和位置，进而评价其有无使用价值和修复的可能性。

换能器发射的超声波在工件内部传播时，当遇到不同介质时，将发生反射。反射信号的强度与反射率R的大小有关，而反射率R只与入射介质和反射介质的材料有关。由于反射信号通过的声程是一定的，换能器获得的反射信号的强度也是一定的。当工件无缺陷时，只有始发射脉冲波和底面反射波，两者之间没有其它回波。当工件中有面积小于声束截面的小缺陷，则会在始波和底波之间出现缺陷回波。缺陷回波在时间轴上的位置可以确定缺陷在工件中的位置，缺陷回波幅度的大小取决于缺陷在声束入射方向上的投影面积的大小，当有缺陷回波出现时，底波高度下降。当工件中缺陷大于声束截面时，全部声能被缺陷所反射，只有始波和缺陷回波，不会出现底波。

本发明利用裂纹结构在多频激励下的非线性调制效应来进行缺陷检测，可以显著提高超声检测的灵敏度，克服了常规线性超声方法对微小裂纹及闭合裂纹不敏感的不足。

本发明的基本原理为：向被测构件同时输入高频()超声波和低频()振动信号，如果被测构件中无损伤存在，则输出响应信号为两个激励信号的线性叠加；反之，如果存在结构损伤，则两个激励信号产生非线性调制响应效应，即高频超声波被低频振动信号调制。在响应频域中，这种调制表现为在超声频率的两侧出现包含振动频率分量的边频带()，且边频的幅值和数量与裂纹大小直接相关，故可以通过测量响应谱中的边频数量和幅值来直接判断结构中是否存在裂纹以及裂纹的大小。

本发明自动化程度高，避免了维护人员潜入海底的不便和危险，且可以及时发现海底管道上的裂纹，避免更大事故的发生。

实施例一：

首先在海底管道每隔一段距离设置压电传感器也可根据经验在易于出现裂纹的位置也设置压电传感器，然后根据铺设海底管道的实际材料查找相应的固有频率范围，根据这个频率范围选择合适的输出激励信号频率；高频输出激励信号选择超过20kHz的超声波信号，低频输出激励信号频率选择接近固有频，并且使两个激励信号频率的差或和值等于桥墩固有频率的倍数；利用信号发生器产生两组根据前述方法确定的低频和高频激励信号，分别输入到低频激振器和高频激励器上，两路不同频率的简谐激励信号经声纳发射换能器转化成电信号通过通信电缆传送给传感器组，安装在海底管道上的压电传感器组接收到电信号后响应后为海底管道的振动信号，振动信号经声信号接收换能器接收转化成电信号通过通信电缆传送给数据采集系统，数据采集系统接收到信号后，经前置放大器放大后进行分析处理，根据得到的响应谱中高频超声频率两侧的边频数量和幅值，直接判断海底管道是否存在微裂纹及微裂纹损伤的程度。

上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种海底管道安全监测装置，包括设置在海底管道上的压电传感器单元、通信电缆、信号发生系统和数据采集系统，所述的压电传感器单元包括压电传感器组和与之相连的声信号接收换能器，其中信号发生系统通过通信电缆与压电传感器单元连接，压电传感器单元通过通信电缆与数据采集系统连接；

其特征在于所述信号发生系统包括信号发生器、低频激振器、高频激振器和声纳发射换能器，所述信号发生器发出激励信号，并分别通过低频激振器和高频激振器同时输出两路不同频率的简谐激励信号经声纳发射换能器转化成电信号通过通信电缆传送给传感器组，安装在海底管道上的压电传感器组接收到电信号后响应后为海底管道的振动信号，振动信号经声信号接收换能器接收转化成电信号通过通信电缆传送给数据采集系统，所述的数据采集系统对接收到的电信号进行分析处理，判断海底管道是否有裂纹及裂纹的损伤程度，同时将判断结果存储在系统内。

2.根据权利要求1所述的一种海底管道安全监测装置，其特征在于所述的数据采集系统包括数据采集单元、数据放大单元、数据处理单元和数据存储单元。

3.根据权利要求2所述的一种海底管道安全监测装置，其特征在于所述的数据放大单元采用前置放大器。

4.根据权利要求1所述的一种海底管道安全监测装置，其特征在于所述的通信电缆采用3G网络通信。

5.根据权利要求1所述的一种海底管道安全监测装置，其特征在于所述的压电传感器组采用的压电传感器的型号为AD200TT。