CN105318964B - 一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统及其方法，涡激振动监测装置用于获取并传输所述悬跨的涡激振动信息，当X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，悬跨发生涡激振动，涡激振动监测装置将涡激振动频率通过水声信道传输至涡激振动监控中心；接收与显示装置用于通过水声信道接收声信号并转换为电信号，对电信号进行处理，显示涡激振动的频率信息。悬跨未发生涡激振动时，不进行数据传输，涡激振动监控中心保持静默。本发明改变了以往悬跨涡激振动被动监测的观念，涡激振动发生时才进行数据传输，降低了数据传输频率，降低了监测装置的能耗，缩短了确知涡激振动的时间，提高了悬跨监测与治理的效率。

Description

一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及海底管道监测领域，尤其涉及一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统及其方法。

背景技术

海底管道是海洋石油集输与储运系统的重要组成部分，在海洋石油资源的开发中发挥重要作用，被誉为海上油田的“生命线”。自1936年，第一条海底管线在美国加尔维斯顿(Galvestan)铺设以来，海底管线已经在世界范围内的海洋油气开发中得到了广泛应用。1985年我国在埕北油田铺设第一条海底管线。截至2013年底，我国在役海底管线已经超过6000公里。但是，由于海洋石油集输的特殊性和海洋环境的复杂性，海底管道在服役期间的安全完整性遭遇多方面的严峻挑战。其中，悬跨管段因涡激振动导致的疲劳失效，是威胁海底管线安全完整性的重要因素之一。海床起伏、地震、波流冲刷等导致海底管线的某些区段失去支撑，形成悬跨。一定条件下，洋流流经悬跨时，发生以流固耦合为特征的涡激振动。涡激振动产生的交变应力将导致悬跨疲劳乃至失效，严重危及海底管线的安全运行。

针对海底管线悬跨面临疲劳失效问题，国外已开展涡激振动监测技术的研究，通过采集悬跨的加速度来监测其涡激振动。目前的涡激振动监测方法都是基于被动理念，定期地进行数据采集、传输和分析。考虑到海洋环境的限制，数据传输是悬跨涡激振动监测最具挑战的环节。

现有的数据传输存在机械传输法、线缆传输法和水声传输法三种。机械传输通过ROV(无人遥控潜水器)将传输监测设备取回后，进行数据分析，然后，再判断是否发生涡激振动。该方法的数据5～6个月传输一次，严重滞后，无法及时对悬跨的涡激振动进行预警。线缆传输法的数据由电缆或光缆传输。该方法费用高昂，安全性和冗余度极低，一旦某个位置出现故障，整个系统将陷入瘫痪状态。在深远海域，大规模线缆铺设面临多重困难。水声传输法，即各测点数据通过水声通信进行无线传输。由于采用能量受限的电池供电，所以监测设备的寿命有限。基于被动的涡激振动监测时，若没发生涡激振动，也要进行数据传输，导致能量浪费，降低监测设备的使用寿命。国内尚未发现相关的技术研究。

发明内容

本发明提供了一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统及其方法，本发明提高了海底管线悬跨涡激振动监测的效率，减少了数据传输次数，降低了涡激振动的危害，详见下文描述：

一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，所述监测系统包括：设置在海底管线悬跨上的涡激振动监测装置、设置在位于水面或岸基的接收与显示装置、以及涡激振动监控中心，

所述涡激振动监测装置用于获取并传输所述悬跨的涡激振动信息，当X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，所述悬跨发生涡激振动，所述涡激振动监测装置将涡激振动频率通过水声信道传输至所述涡激振动监控中心；

所述接收与显示装置用于通过水声信道接收声信号并转换为电信号，对电信号进行处理，显示涡激振动的频率信息。

进一步地，所述涡激振动监测装置包括：双轴加速度传感器，

双轴加速度传感器通过X轴加速度传感器，获取悬跨涡激振动的线内振动；通过Y轴加速度传感器，获取悬跨涡激振动的横向振动。

进一步地，所述涡激振动监测装置包括：DSP，

所述DSP对双轴加速度传感器采集的数据进行快速傅立叶变换，获得悬跨的振动频率；若X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，悬跨发生涡激振动。

其中，所述涡激振动监测装置还包括：控制器和水声发射换能器，所述控制器依次对信源编码器、信道编码器、信号调制器、功率放大器进行控制，

所述涡激振动频率依次在所述信源编码器和所述信道编码器中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号，进入所述信号调制器，进行调制；

随后经过所述功率放大器的功率放大，包含悬跨涡激振动频率信息的电信号被所述水声发射换能器转换为声信号并发射。

进一步地，所述接收与显示装置包括：水声接收换能器、滤波器、前置放大器、A/D转换器、解调器和解码器，

所述水声接收换能器将水声信道传来的声信号转换为电信号；所述滤波器滤除混杂在电信号中的噪声，滤波后的电信号经所述前置放大器放大后，通过所述A/D转换器进行A/D转换，并获得数字信号；

所述数字信号在所述解调器和所述解码器中分别被解调解码后，成为涡激振动频率信息。

另一实施例，一种海底管道悬跨涡激振动主动监测方法，所述监测方法包括以下步骤：

1)判断X轴加速度数据的频率是否为Y轴加速度数据频率的2倍，如果是，悬跨发生涡激振动，执行步骤2)；如果否，悬跨未发生涡激振动，执行步骤4)；

2)水声发射换能器将涡激振动频率通过水声信道传输至涡激振动监控中心，进行预警；

3)水声接收换能器一直处于工作状态，解调器和解码器接收到A/D转换器传来的数字信号，立刻进行解调解码，并显示涡激振动频率信息，流程结束；

4)不进行数据传输，涡激振动监控中心保持静默。

本发明提供的技术方案的有益效果是：与原有的水声传输相比，本发明改变了以往悬跨涡激振动被动监测的观念，涡激振动发生时才进行数据传输，降低了数据传输频率，降低了监测装置的能耗，缩短了确知涡激振动的时间，提高了悬跨监测与治理的效率。本发明可以用于中海油四个海域(渤海、东海、南海东部和南海西部)，水深小于300米的海底管道悬跨管段涡激振动监测。

附图说明

图1为海底管道悬跨涡激振动主动监测系统的结构示意图；

图2为涡激振动监测装置和接收与显示装置的结构示意图；

图3为笛卡尔坐标系下的加速度传感器布放示意图；

图4为一种海底管道悬跨涡激振动主动监测方法的流程图。

其中，X轴为水平方向，此轴向传感器采集的数据为X轴加速度，代表了悬跨涡激振动的线内振动；Y轴为竖直方向，该轴向传感器采集的数据为Y轴加速度，代表了悬跨涡激振动的横向振动。

附图中，各部件的列表如下：

1：悬跨； 2：涡激振动监测装置；

3：接收与显示装置； 4：涡激振动监控中心；

21：双轴加速度传感器； 22：DSP；

23：信源编码器； 24：信道编码器；

25：信号调制器； 26：功率放大器；

27：控制器； 28：水声发射换能器；

31：水声接收换能器； 32：滤波器；

33：前置放大器； 34：A/D转换器；

35：解调器 36：解码器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施了1

一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，参见图1，监测系统包括：设置在海底管线悬跨1上的涡激振动监测装置2、设置在位于水面或岸基的接收与显示装置3、以及涡激振动监控中心4。

参见图2，涡激振动监测装置2用于获取并传输悬跨1的涡激振动信息，该涡激振动监测装置2包含：双轴加速度传感器21、DSP22、信源编码器23、信道编码器24、信号调制器25、功率放大器26、控制器27、水声发射换能器28以及电源(图中未示出)。

双轴加速度传感器21的布放如图3所示，用于获取悬跨1的涡激振动数据。X轴为水平方向，此轴向加速度传感器采集的数据为X轴加速度，代表了悬跨1涡激振动的线内振动；Y轴为竖直方向，该轴向加速度传感器采集的数据为Y轴加速度，代表了悬跨1涡激振动的横向振动。实际应用时，在悬跨1的既定测点放置涡激振动监测装置2。

涡激振动数据在DSP22中完成振动频率分析和涡激振动判别。其具体判别为：DSP22对双轴加速度传感器21采集的X、Y轴数据进行快速傅立叶变换，获得悬跨1的振动频率；将Y轴加速度数据的频率与X轴加速度数据的频率进行比较，若X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，悬跨1发生涡激振动，否则，悬跨1未发生涡激振动。若悬跨1发生涡激振动，水声发射换能器28将涡激振动频率通过水声信道传输至涡激振动监控中心4，进行预警；否则，涡激振动监控中心4保持静默。

涡激振动频率依次在信源编码器23和信道编码器24中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号，进入信号调制器25，进行调制，随后经过功率放大器26的功率放大，包含悬跨涡激振动频率信息的电信号被水声发射换能器28转换为声信号并发射。上述工作在控制器27的控制下自动完成。

参见图2，接收与显示装置3包括：水声接收换能器31、滤波器32、前置放大器33、A/D转换器34、解调器35和解码器36，

水声接收换能器31将水声信道传来的声信号转换为电信号；滤波器32负责滤除混杂在包含悬跨1涡激振动信息的电信号中的噪声，滤波后的电信号经前置放大器33放大后，通过A/D转换器34进行A/D转换，并获得数字信号。数字信号在解调器35和解码器36中分别被解调解码后，成为涡激振动频率信息。

具体实现时，水声接收换能器31一直处于工作状态，一旦接收到A/D转换器34传来的数字信号，解调器35和解码器36立刻进行解调解码，并显示涡激振动频率信息。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

综上所述，本发明实施例在只有涡激振动发生时，才进行数据传输，减少了数据传输次数；只要悬跨有涡激振动，就进行预警，避免了原有涡激振动判别的严重滞后性，提高了悬跨治理的效率，降低了涡激振动的危害。

实施例2

一种海底管道悬跨涡激振动主动监测方法，参见图4，该监测方法包括以下步骤：

101：判断X轴加速度数据的频率是否为Y轴加速度数据频率的2倍，如果是，悬跨1发生涡激振动，执行步骤102；如果否，悬跨1未发生涡激振动，执行步骤104；

102：水声发射换能器28将涡激振动频率通过水声信道传输至涡激振动监控中心4，进行预警；

103：水声接收换能器31一直处于工作状态，解调器35和解码器36接收到A/D转换器34传来的数字信号，立刻进行解调解码，并显示涡激振动频率信息，流程结束；

104：不进行数据传输，涡激振动监控中心4保持静默。

综上所述，本发明实施例在只有涡激振动发生时，才进行数据传输，减少了数据传输次数；只要悬跨有涡激振动，就进行预警，避免了原有涡激振动判别的严重滞后性，提高了悬跨治理的效率，降低了涡激振动的危害。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，所述监测系统包括：设置在海底管线悬跨上的涡激振动监测装置、设置在位于水面或岸基的接收与显示装置、以及涡激振动监控中心，其特征在于，

所述涡激振动监测装置用于获取并传输所述悬跨的涡激振动信息，当X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，所述悬跨发生涡激振动，所述涡激振动监测装置将涡激振动频率通过水声信道传输至所述涡激振动监控中心；

所述接收与显示装置用于通过水声信道接收声信号并转换为电信号，对电信号进行处理，显示涡激振动的频率信息。

2.根据权利要求1所述的一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，其特征在于，所述涡激振动监测装置包括：双轴加速度传感器，

双轴加速度传感器通过X轴加速度传感器，获取悬跨涡激振动的线内振动；通过Y轴加速度传感器，获取悬跨涡激振动的横向振动。

3.根据权利要求2所述的一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，其特征在于，所述涡激振动监测装置包括：DSP，

所述DSP对双轴加速度传感器采集的数据进行快速傅立叶变换，获得悬跨的振动频率；若X轴加速度数据的频率为Y轴加速度数据频率的2倍，悬跨发生涡激振动。

4.根据权利要求1所述的一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，其特征在于，所述涡激振动监测装置还包括：控制器和水声发射换能器，所述控制器依次对信源编码器、信道编码器、信号调制器、功率放大器进行控制，

所述涡激振动频率依次在所述信源编码器和所述信道编码器中完成信源编码和信道编码，经过编码的信号进入所述信号调制器进行调制；

随后经过所述功率放大器的功率放大，包含悬跨涡激振动频率信息的电信号被所述水声发射换能器转换为声信号并发射。

5.根据权利要求1所述的一种海底管道悬跨涡激振动主动监测系统，其特征在于，所述接收与显示装置包括：水声接收换能器、滤波器、前置放大器、A/D转换器、解调器和解码器，

所述水声接收换能器将水声信道传来的声信号转换为电信号；所述滤波器滤除混杂在电信号中的噪声，滤波后的电信号经所述前置放大器放大后，通过所述A/D转换器进行A/D转换，并获得数字信号；

所述数字信号在所述解调器和所述解码器中分别被解调解码后，成为涡激振动频率信息。

6.一种海底管道悬跨涡激振动主动监测方法，其特征在于，在海底管线悬跨上设置涡激振动监测装置，用于获取所述悬跨的涡激振动信息，所述监测方法包括以下步骤：

1)判断X轴加速度数据的频率是否为Y轴加速度数据频率的2倍，如果是，悬跨发生涡激振动，执行步骤2)；如果否，悬跨未发生涡激振动，执行步骤4)；

2)水声发射换能器将涡激振动频率通过水声信道传输至涡激振动监控中心，进行预警；

3)水声接收换能器一直处于工作状态，解调器和解码器接收到A/D转换器传来的数字信号，立刻进行解调解码，并显示涡激振动频率信息，流程结束；

4)不进行数据传输，涡激振动监控中心保持静默。