CN110678407A - 管道张紧器 - Google Patents

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Abstract

一种用于铺设或回收海底管线的管道张紧器，该管道张紧器包括能够保持海底管线的至少两个相对的履带，每个履带具有安装在该履带上的用于接触海底管线的多个垫，其特征在于，至少一个垫是负荷垫，该负荷垫具有一个或多个负荷传感器，以用于在处理海底管线期间测量负荷垫上的负荷。

Description

管道张紧器
背景技术
水下海底管线在本领域中已知用于运输流体，例如诸如石油和天然气的碳氢化合物。此类管线可以铺设在海床或海底上，以用于使流体在两个位置之间通过，例如在生产井或井口与相邻的生产平台之间通过。使用后，也需要从海床中回收此类管线。
取决于海床的深度，采用三种铺设管线的方法。称为J铺设的第一种方法包括在垂直的装配线上构造管线并且以垂直位置铺设所述管线。此方法特别适合在非常深的水中(通常深度大于1500m)铺设水下管线。当海床不是非常深时(通常深度小于1500m)，在称为S铺设的第二种方法中，以水平构造铺设管线。海底管线通常由铺管船，(有时也称为海洋铺管船)铺设。在管线足够柔性的情况下，可以采用第三种方法，其中可以“在岸上”形成管线并且将所述管线定位于铺管船上的大型存储滚筒或卷筒上，以用于随后从卷筒直接进行“海上”铺设。这在本领域中称为“卷筒铺设”。为此，需要基于由合适的张紧组件所提供的受控运动将管线卷绕或缠绕到卷筒上并且稍后从卷筒上将管线解除卷绕或解除缠绕。
为了铺设，铺管船通常在其上具有海洋铺管组件，例如塔架，以用于组织从船舶到海中的管线。海洋铺管组件可以在其铺设操作期间控制管线的方向、速度和/或其他参数，并且管线和船舶之间的运动通常由一个或多个设备或装置控制，所述一个或多个设备或装置旨在在管线穿过海洋铺管组件期间抓紧管线和/或向管线施加张力。为此目的合适的装置或设备被称为“张紧器”。
在FR2964441B1中示出张紧器的示例。该较早专利的图1复制为附图中的图1。参照图1，张紧器(1A)包括多个履带(10A)，所述多个履带适于接合管线并且至少支撑管线的重量。履带(10A)各自由底架(13A)支撑，该底架通过缸体(26A)安装在支撑结构(20A)上。缸体(26A)提供履带(10A)的相对运动，以便提供从履带(10A)施加到管线上的夹紧力。这允许通过履带(10A)与管线的外部表面之间的摩擦将管线保持在适当的位置。每条履带(10A)均在其外部表面(管道接触表面)上包含多个管道张紧器垫(16A)。摩擦由每个垫的外部表面，即，管道接触表面提供，该表面由具有粗糙表面或脊的钢形成或者由诸如橡胶或聚氨酯的具有较高摩擦系数的材料形成。该管道接触表面(特别是在非钢制管道接触表面的情况下)被连结到刚性背板或支撑件上，以便为管道张紧器垫提供所需的机械强度。该背板通常由钢制成。
张紧器施加在管线上的夹紧力是管道铺设中的关键参数。太大的夹紧力可能会损坏管线。相反，夹紧力不足会导致不合适或不稳定的管线抓持，以不受控制的方式移动管线可能会损坏管线并且影响附近用户或操作者的安全。因此，测量张紧器施加的夹紧力是有益的。
已知使用具有内置应变仪的“测试管”来测量由张紧器施加的夹紧力，使得一旦将测试管插入到管道张紧器中应变仪便可以记录垫负荷的局部变化。但是，这是一种分离且间接的方法并且无法提供有关穿过管道张紧器的管线的变化的任何信息。例如，大多数待铺设在水下的管线(例如刚性管线)是由一系列彼此焊接的管道“杆”形成，其中，焊接区域被涂层覆盖以便在焊接部周围提供额外的保护。这就是所谓的“现场补口”(field jointcoating)。然而，现场补口的区段通常比管线的其他部分更厚，这将使所必须的夹紧力产生改变，在管线铺设期间，操作员需要随着管线直径变化而考虑该夹紧力的变化。另外，不能利用这种方法测量轴向和侧向负荷，然而这些值将对垫的性能提供有益的指导，并从而为张紧器处理的管线的效率提供有益的指导。
本发明的目的是提供一种能够提供“实时”信息的改进的管道张紧器和监测管线负荷的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于铺设或回收海底管线的管道张紧器，该管道张紧器包括能够保持海底管线的至少两个相对的履带，每个履带具有安装在该履带上的用于接触海底管线的多个垫，其特征在于，至少一个垫是负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理海底管线期间测量作用在负荷垫上的负荷。
根据本发明的第二方面，提供了一种监测海底管线与用于铺设或回收该海底管线的管道张紧器之间的负荷的方法，所述管道张紧器包括能够保持海底管线的至少两个相对的履带，并且每个履带具有安装在该履带上的用于接触海底管线的多个垫，所述方法至少包括以下步骤：
提供至少一个垫作为负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理海底管线期间测量负荷垫上的负荷；和
测量每个负荷垫上的负荷。
根据本发明的第三方面，提供了一种海洋铺管组件，所述海洋铺管组件包括如本文所限定的管道张紧器。
可选地，本发明还提供一种从铺管船铺设海洋管线或将海洋管线回收到铺管船的方法，所述铺管船包括海洋铺管组件，所述海洋铺管组件包括如上所限定的管道张紧器，该方法包括以下步骤：
(a)通过海洋铺管组件提供管线，
(b)使管线的外表面与垫接触，至少一个垫是负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理海底管线期间测量所述负荷垫上的负荷，和
(c)在海洋铺管组件中移动或保持管线，以便帮助铺设或回收管线。
可选地，本发明还提供一种将海洋管线缠绕到卷筒或从该卷筒上将海洋管线解除缠绕的方法，该方法包括以下步骤：
(a)通过管道张紧器提供管线，所述管道张紧器包括多个垫，至少一个垫是负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理海底管线期间测量负荷垫上的负荷，
(b)使管线的外表面与垫或每个垫的管道接触表面相接触，以及
(c)将管线移至卷筒或从卷筒移走所述管线。
附图说明
将参考以下附图进一步描述本发明，所述附图不旨在限制要求保护的本发明的范围，其中：
图1示出了现有技术的张紧器；
图2示出了根据本发明的实施例的管道张紧器；
图3是可用于根据本发明的实施例的管道张紧器中的第一负荷垫的透视图；
图4是可用于图3所示的第一负荷垫中的负荷传感器的详细视图；
图5A和图5B分别是可用于根据本发明的实施例的管道张紧器中的第二负荷垫的透视图和侧视图；
图6A和图6B示出了穿过根据本发明的实施例的管道张紧器的管线的两个位置的示意性侧视图；和
图7示出了从图6A和图6B得出的负荷相对于负荷垫位置的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种管道张紧器，该管道张紧器包括至少两个相对的履带，以用于处理海底管线，该处理通常是从船舶铺设海底管线或者将海底管线回收到船舶上并且通常是在海洋铺管组件中、上或通过所述海洋铺管组件进行处理，其中在所述管道张紧器的履带中的一个履带上的至少一个垫是包括一个或多个负荷传感器的负荷垫，所述负荷传感器用于在处理海底管线期间测量该负荷垫上的负荷。根据本发明，术语“铺设”涵盖海底管线铺设所涉及的所有操作，其包括但不限于将海底管线缠绕在铺管船上的卷筒上或从该卷筒将海底管线解除缠绕。
管道张紧器的形状、设计、形式或布置不限于本发明。管道张紧器通常具有2个，3个或4个相对的履带，这些履带通常以对称的方式围绕通过这些履带的管线路径布置。通常，管道张紧器由塔架支撑或者位于所述塔架内，该塔架有时可以称为铺管塔架，其可以是海洋铺管组件的一部分。这样的塔架为海底管线提供了方向或“靶线(firing line)”，尤其是在铺设期间。
管道张紧器的预期功能是在铺设或回收期间以预期的控制量(包括以合适的速度)处理海底管线。可选地，这包括当希望在管线铺设或回收期间执行一个或多个其他动作时能够保持或暂停任何管线运动，所述其他动作例如为将中间单元、装置或设备添加到管线中、连结管线段或管线杆或者在管线上进行已知的海底作业。因此，期望管道张紧器能够始终以夹紧力的形式提供正确的张紧量。
通常，从履带施加到管线上的总夹紧力由张紧器支撑结构和用于每个履带的底架之间的缸体提供，并且所述总夹紧力在铺设或回收海底管线期间分布在与海底管线接触的每个张紧器的履带的垫之间。在所述垫中的每个垫之间，总夹紧力的分布可以是均匀或不均匀的。所分布的总夹紧力被认为是海底管线和管道张紧器之间的负荷。
在处理和使管线通过管道张紧器期间，所述垫承受三种主要负荷形式中的一种或多种，即轴向负荷(Fx)、法向负荷(Fz)和侧向负荷(Fy)。轴向负荷(Fx)是平行于管线的纵向轴线的负荷的分量。法向负荷(Fz)是沿与所述垫的管道接触表面的中心连接的管线半径定向的负荷分量。侧向负荷(Fy)是与轴向负荷和法向负荷正交的负荷分量。这些负荷导致垫上的压缩应力、剪切应力、扭转应力和弯曲应力中的一种或多种。履带的每个垫上的法向负荷可以高达425kN，通常介于50kN和368kN之间；履带的每个垫上的轴向负荷可以高达85kN，通常介于3kN和35kN之间；并且每个垫上的侧向负荷可以高达95kN，通常介于0.75kN和105kN之间。管线中的任何变化，特别是管线直径的任何变化都将明显改变管线与管道张紧器之间的负荷。
管道张紧器的履带的形状、设计、形式或布置不对本发明构成限制，并且通常呈围绕支撑底架的一个或多个端部辊或端部滚筒的细长设备的形式，所述一个或多个端部辊或端部滚筒中的至少一个由合适的驱动设备或机构驱动，以便以本领域已知的方式产生履带的“传送带”型运动。该履带及其底架在本文中不再进一步描述。
在管道张紧器的常规履带上使用的常规垫在本领域中是已知的。常规垫通常包括履带支撑部分和管线接合部分。履带支撑部分可以包括基部或板，例如底板或背板，所述基部或板可以为刚性的并且被设计成使用一种或多种已知的配合件或固定件将垫接合和固定到履带上。
常规垫的管线接合部分可以具有由具有相对高摩擦系数的材料(例如橡胶、聚氨酯或钢)形成的管道接触表面。管道接触表面还可包括粗糙的表面或脊或类似物，以便辅助垫与管线之间的接合。管线接合部分的最上部(例如任何管道接触表面)可以以本领域已知的方式成形为改善垫与管线的接触，例如所述管线具有凹谷和成角度的管道接合表面，所述凹谷在使用中沿平行于由表面所接触的管线的纵向轴线的方向延伸。管线的纵向轴线是沿着管线的长度延伸的纵向轴线。
常规垫还可以具有布置在管线接合部分和履带支撑部分之间的壳体。该壳体可以具有任何合适的形状，例如矩形、圆形或T形。壳体可以由任何合适的材料形成，例如塑料或金属。中间壳体可以通过诸如销、螺栓或粘合剂的任何方式固定到管线接合部分和/或履带支撑部分。
常规垫还可以在履带支撑部分和中间壳体之间具有弹簧块，以用于提供期望的垫的弹性。弹簧块可以具有任何合适的形状，例如但不限于矩形、圆形。弹簧块可以由任何合适的材料形成，例如橡胶或聚氨酯。通常，弹簧块将管线负荷传递至壳体，然后，所述壳体将负荷传递至管线接合部分。这可以通过壳体与管线接合部分之间的接触和/或通过在壳体的上表面上处理得到的剪力键来完成。
通常，常规垫的总高度介于100mm和250mm之间，特别是介于200mm和250mm之间。从管道接触表面的凹谷线的下部至履带支撑部分来测量总高度。常规垫的长度通常介于150mm和250mm之间，而宽度通常介于200mm和400mm之间。
通常，常规垫的刚度介于9kN/mm和90kN/mm之间，例如介于10kN/mm和25kN/mm之间。
本发明限定：管道张紧器的至少一个垫是包括一个或多个负荷传感器的负荷垫。本文中使用的术语“负荷垫”限定为这样的用于管道张紧器的垫：该垫包括一个或多个负荷传感器，该负荷传感器能够检测并且优选地提供对海底管线与管道张紧器之间的至少一种负荷测量结果。
在可固定到履带上并且可选地与履带上的常规垫或任何常规垫匹配的要求内，负荷垫可以具有合适的形状、设计、形式或布置。
可选地，负荷垫具有与常规垫相同或相似的高度、宽度和长度尺寸，使得通过利用负荷垫代替常规垫而可以直接将所述负荷垫用于现有的管道张紧器中。这也确保了由负荷垫测量的负荷是“真实”负荷，即与常规垫所承受的负荷相同或相似的负荷，从而增加了所提供的测量结果的可靠性和准确性。
本发明不限于增加到管线张紧器的履带中的每个、部分或全部履带的负荷垫的数量。具有多个履带的管道张紧器可以在履带中的每个、部分或全部履带上包括不同数量的负荷垫，也可以不包括负荷垫。可选地，履带中的至少一个履带(可选地两个履带)的每个垫都是负荷垫。进一步可选地，履带的每个垫都是负荷垫。
用于测量负荷的负荷传感器在本领域中是已知的。通常，负荷传感器包括产生电信号的换能器，该电信号的大小与施加到负荷传感器的力成比例，通常成正比。取决于所使用的负荷传感器，电信号输出可以是包括以下项的组中的一项或多项：电压变化、电流变化或频率变化。任何电信号通常都很小，例如为毫伏大小等，并且通常需要放大。可以提供各种形状、大小和尺寸的负荷传感器。
可选地，至少一个负荷垫测量包括以下项的组中的一项或多项：轴向负荷(Fx)、法向负荷(Fz)和侧向负荷(Fy)。
可选地，负荷垫具有与常规垫相同的附接和固定到履带的形式。可选地，本发明中使用的负荷垫或每个负荷垫包括履带支撑部分和管线接合部分。履带支撑部分可以包括基部或板，例如底板或背板，所述基部或板特别是刚性的并且能够提供将负荷垫接合和固定到履带。履带支撑部分可以包括一个或多个固定件、配合件或孔，它们能够允许一个或多个接合件，例如螺钉、螺栓、销、钩或其他紧固件，以便实现负荷垫与履带的接合和固定。
管线接合部分优选具有管道接触表面，该管道接触表面由具有相对较高摩擦系数的材料(例如橡胶或聚氨酯)形成。可选地，将管线接合部分的最上部(例如任何管道接触表面)以本领域中已知的方式成形为改善负荷垫与管线的接触，所述管线例如具有凹谷和成角度的管道接合表面。
可选地，管道接触表面的内表面成形为或机加工为配合一个或多个负荷传感器。
可选地，负荷垫的管道接触表面的外表面与常规垫相同。
负荷垫的负荷传感器或每个负荷传感器可以位于负荷垫附近和/或在负荷垫上和/或在负荷垫内的任何合适的位置。可选地，负荷传感器或每个负荷传感器均能够测量作用在管线接合部分的管道接合表面上的负荷。可选地，至少一个负荷传感器位于履带支撑部分和管线接合部分之间。
根据本发明的一个实施例，负荷传感器位于负荷垫的管线接合部分内。
可选地，负荷垫还包括在履带支撑部分和管线接合部分之间的中间部分，所述中间部分包括用于一个或多个负荷传感器的一个或多个壳体。壳体或多个壳体可以与任何履带支撑部分或任何管线接合部分一体化形成或与这两者一体化形成。
因此，根据本发明的另外的实施例，负荷传感器位于管线接合部分和负荷垫的中间部分之间。
可选地，除了通过负荷传感器或每个负荷传感器之外，履带支撑部分与管线接合部分之间没有接触。这提供了通过负荷传感器或每个负荷传感器对负荷或多个负荷的更精确的测量。优选地，在履带支撑部分和管线接合部分之间存在至少一个间隙。
可选地，包括履带支撑部分、管线接合部分和中间部分的组中的一项或多项是可分离的。履带支撑部分和管线接合部分以及任何中间部分都可以使用一个或多个固定装置而可释放或不可释放地固定在一起，所述固定装置包括选自包括以下项的组中的一项或多项：粘合剂、销、螺栓、螺钉和紧固件。根据其中固定装置是销、螺栓或螺钉的示例，负荷垫优选地包括4个固定装置。
在本发明的一个实施例中，在中间壳体和管线接合部分之间定位有负荷传感器，并且在中间壳体和管线接合部分之间存在间隙，以便确保将总负荷传递给负荷传感器。这种布置的附加优点是减少了由于管线接合部分的磨损而导致的频繁拆卸负荷传感器的需要。根据其中固定装置是销、螺栓或螺钉的示例，所述固定装置包括杆，该杆优选地延伸穿过形成在管线接合部分中的孔。优选地，在所述孔和所述杆之间还存在间隙，以防止所述杆在处理管线期间承受负荷，其中总负荷通过负荷传感器从管线接合部分传递到中间部分。
可选地，至少一个负荷传感器是测力传感器(load cell)。可选地，该测力传感器是三轴测力传感器。测力传感器的抗压刚度应该至少优于常规垫的抗压刚度。这样可以实现更准确且更可靠的负荷测量。负荷垫的整体刚度应该与常规垫的整体刚度相同或相似，例如在常规垫的刚度的+/-1％之内。
可选地，负荷垫或每个负荷垫具有至少3个负荷传感器以便增加负荷垫的灵敏度。进一步可选地，负荷垫或每个负荷垫具有4个负荷传感器以便改善负荷垫的稳定性。优选地，这四个负荷传感器对称地位于负荷垫内。
可选地，管道张紧器包括一个或多个数据记录器/存储介质或数据发送器，或同时包括两者。
由负荷垫产生的数据可以被存储在任何合适的数据记录器/存储介质中，或者可以经由任何合适的传输介质(有线或无线传输介质)从负荷垫传输到用于存储和/或处理或进一步重新铺设或其任意组合的单独的位置，所述数据记录器/存储介质可以位于负荷垫附近和/或负荷垫上和/或负荷垫中。
数据记录器/存储介质可以包括能够记录和/或存储数据以用于后续处理的任何形式的数据记录或存储装置或设备，所述数据记录或存储装置或设备通常是存储芯片或存储装置等。可选地，将数据记录器上的数据下载或中继到合适的接收器，以用于存储和/或处理和/或进一步的中继或传输。
可选地，数据发送器包括一个或多个发送器，所述一个或多个发送器可选地具有天线并且能够将数据从负荷垫发送到合适的接收器。一个示例包括无线传输到无线接收器，该无线接收器部分或完全地位于管道张紧器上或与所述管道张紧器相邻或远离所述管道张紧器。无线数据传输技术的示例包括但不限于蓝牙和基于IEEE 802.11标准的wi-fi。
可选地，管道张紧器包括一个或多个中继单元或设备，所述一个或多个中继单元或设备能够将数据或其他信息从负荷垫经由任何合适的传输介质(有线或无线传输介质)中继到一个或多个远程位置，例如中继到管道张紧器的用户或操作者处或合适的控制室或远程控制位置。
可选地，负荷垫包括无线数据发送器。可选地，无线数据发送器可释放地固定到中间壳体。无线数据发送器可以发送由负荷垫生成的实时数据或缓冲数据，或者发送在传输之前已经由负荷垫本地存储的数据。可以将数据从负荷垫传输到上述的数据记录器/存储介质或中继单元等中的任何一者或多者。
可选地，负荷垫包括用于向无线数据发送器供电的电源组。可选地，电源组可释放地固定到中间壳体。可选地，无线数据发送器和电源组可释放地固定到中间壳体的相对两侧，以用于改善负荷垫的稳定性。
本发明还提供了一种监测海底管线和如本文所述的管道张紧器之间的负荷的方法。
本文已经初步讨论了海底管线，所述海底管线通常是细长的、可选地具有数米(包括数公里)的长度，并且具有规则(通常为圆形)的外表面。海底管线的外表面通常是一个或多个涂层或保护套，该涂层或保护套通常是聚合物保护套，管道张紧器的垫抵靠所述涂层或保护套接合。海底管线可以用于运输流体和/或用于其他水下服务，其包括海底或海床通信或化学品供应。本发明不受海底管线的性质的限制。因此，海底管线包括刚性海底管线以及柔性海底管线。
在监测负荷的方法中，相对的履带中的至少一个履带的垫中的至少一个垫是包括一个或多个负荷传感器的负荷垫。本文描述了负荷垫和负荷传感器的性质和作用，所述性质和作用同样适用于根据本发明的测量负荷的方法。
该方法还包括测量负荷垫或每个负荷垫上的负荷的步骤。通常基于海底管线和负荷垫之间的负荷、使用任何合适的处理或布置可以执行测量，所述负荷在一个或多个负荷传感器上引起变形或应变，所述负荷传感器提供例如以一个或多个电信号输出形式的测量结果，可以在本地或远程测量并且优选地记录所述电信号输出。
可选地，本发明的方法还包括将负荷的测量中继到另一处理器和/或位置的步骤。
负荷的测量可以包括单个图形或值，或者可以包括多个测量结果或值，它们可以被单独处理或以汇总的方式处理，以便提供最终的测量结果或数据集。
例如，“法向”负荷的测量结果可以帮助指示张紧器的夹紧力在管道上如何分布。这样的信息可以帮助检测垫或管道上的任何过载(例如现场补口区域上的过载)或夹紧力缺乏。
并且/或者轴向负荷的测量结果可以帮助指示如何承受总夹紧力，以及指示总夹紧力如何在每个垫之间和/或在垫内和/或在管道上分布。
另外，在管道铺设期间，波浪运动可能导致管道的较大且反复的拉伸应力变化，这可能导致管道疲劳。因此，轴向负荷测量结果可以帮助在管道铺设期间提供对拉伸应力变化的指导，从而更好地理解管道在铺设期间的疲劳。这些数据随后可以用于验证管道设计或为了未来项目而用于改善管道的设计。同时，侧向负荷的测量结果可以帮助指示夹紧力在垫内的分布。
根据本发明的一个实施例，本发明的方法还包括对负荷进行实时测量。实时测量可以间断地、连续地或间断和连续相组合地进行，可选地以规律或不规律的周期性频率或规律与不规律的周期性频率之间的周期性变化来进行所述实时测量。可选地，管道张紧器的操作者能够以预定的布置、方式或顺序和/或在处理通过管道张紧器的海底管线期间测量海底管线与管道张紧器之间的负荷。可选地，测量负荷的时间或时机在使用管道张紧器期间是可变的，以便允许操作者改变测量并且改变由本发明的方法提供的数据。
可选地，本发明的方法包括连续测量负荷，特别是在海底管线穿过管道张紧器期间。
可选地，本发明的方法还包括以下步骤：
提供至少一个垫作为负荷垫，该垫能够测量包括轴向负荷、法向负荷和侧向负荷的组中的一项或多项；和
测量负荷垫上的一个或多个负荷。
本文描述了一个或多个负荷垫的性质和设计，并且该性质和设计同样适用于本发明的方法。
可选地，本发明的方法包括测量和记录管道张紧器中的每个负荷垫的负荷。
可选地，本发明的方法包括：沿着所述负荷垫的至少一个轴线、进一步可选地沿着所述负荷垫的所有三个轴线测量负荷。
可选地，负荷垫包括履带支撑部分和管线接合部分，本发明的方法还包括以下步骤：将一个或多个测力传感器定位在履带支撑部分和管线接合部分之间；通过一个或多个测力传感器将总负荷从履带支撑部分传递到管线接合部分；以及使用一个或多个测力传感器测量负荷垫上的负荷。本文描述了履带支撑部分和管线接合部分的性质和设计，并且所述性质和设计同样适用于本发明的方法。进一步可选地，负荷垫包括中间部分，该中间部分可选地具有用于一个或多个测力传感器的壳体，如本文进一步所述。
可选地，本发明的方法还包括以下步骤：
使用相对的履带使海底管线移动通过管道张紧器；和
基于测量负荷垫或每个负荷垫上的负荷来监测海底管线通过管道张紧器。
可选地，本发明的方法包括管线张紧器，该管线张紧器具有至少两个(例如两个或四个)相对的履带，每个履带具有在对称且相对的位置的至少一个负荷垫，并且还包括以下步骤：
使用相对的履带使海底管线移动通过管道张紧器；和
在对称且相对的负荷垫抵靠管线接合期间，监测张紧器上的负荷。
本发明还提供了一种海洋铺管组件，其包括如本文所限定的管道张紧器。通常，该海洋铺管组件包括塔架，该塔架包括管道张紧器。海洋铺管组件通常布置在远洋船舶上，该远洋船舶可以是船或驳船或类似物，并且还可以是可移动的，特别是可旋转的，以便相对于船舶提供“成角度的”管线铺设方向。海洋铺管组件可以包括与本发明的管道张紧器成直线排列的一个或多个其他支撑件、底架或管道张紧器。
图2示出了管道张紧器30的简化形式，其类似于图1所示的张紧器1A并且包括多个履带32，所述履带适于接合海底管线(未示出)并且当海底管线沿着如图所示的方向F或相反方向行进时至少支撑管线的重量。
履带32由马达(未示出)驱动并且各自均由底架34支撑，所述底架通过缸体38安装在支撑结构36。缸体38提供履带32的相对运动以便提供履带32和管线之间的夹紧力。
每条履带32均包括多个常规管道张紧器垫40以及至少一个负荷垫42，所述至少一个负荷垫包括一个或多个负荷传感器，在下文描述了所述负荷传感器的示例。
管道张紧器30可以是海洋铺管组件的一部分。
图3示出了可用于本发明的第一负荷垫70。第一负荷垫70具有管线接合部分72、中间壳体74和底板76。第一负荷垫70还具有弹簧块90。
管线接合部分72可以由上部铸件形成，该上部铸件通常具有谷状线形状以在使用中辅助与管线的接合。
中间壳体74容纳位于中间壳体74的上表面和管线接合部分72之间的四个测力传感器80。具体地，每个测力传感器80被螺栓连接到中间壳体74和管线接合部分72。
第一负荷垫70可以用作为图2所示的管道张紧器30中的负荷垫42。第一负荷垫70的底板76包括用于将第一负荷垫70固定到履带的孔。弹簧块90固定在底板76和中间壳体74之间。弹簧块90具有带有中央空芯的矩形体。
图3还示出了第一负荷垫70具有电源组86和无线发送器88。电源组86可以提供操作无线发送器88所需的电力。无线发送器88提供将信号形式的测量结果或数据发送到合适的远程数据记录器进行处理或发送到位于管道张紧器附近的合适的中继站的功能。电源组86和无线发送器88通过螺栓84固定到中间壳体74的侧面。
图4示出了图3中的测力传感器80的细节，其中测力传感器80是与第一负荷垫70的其余部分可分离的单元，因此所述测力传感器在发生故障的情况下可以被移除。这也使得在将测力传感器80安装在第一负荷垫70之前，能够容易地在测试台处或利用测试台校准所述测力传感器。
测力传感器80可以包括主芯100，该主芯的横截面恒定或几乎恒定。主芯100通常具有圆柱形状。优选地，主芯100包括顶盖和底盖101以及位于盖101之间的至少一个支撑件或基座102。可选地，主芯100包括至少两个基座102；更可选地包括四个基座102，所述四个基座通常在顶盖和底盖101之间处于对称构造中，如图4所示。
可选地，基座或每个基座102的横截面和高度使得能够精确测量施加在测力传感器80上的负荷。
在本发明的一个实施例中，测力传感器80的主芯是由单件或单块材料机加工形成的，从而形成单体组件。例如，图4所示的顶盖和底盖101以及基座102可以由单块合适的材料形成。
图4示出了附接到每个基座102的换能器104。通常，施加到第一负荷垫70的负荷导致换能器104的电阻变化，该电阻变化与施加的负荷成比例和/或成正比。由于各种参数(例如温度)也会引起电阻变化，因此换能器104优选地布置成补偿由负荷之外的这些参数所引起的任何电阻变化。因此，最终测量结果优选地不会受温度或其他这样的参数的影响。
图5A和图5B示出了第二负荷垫110，该第二负荷垫具有履带支撑部分112、管线接合部分114和位于履带支撑部分112与管线接合部分114之间的负荷传感器116。管线接合部分114、负荷传感器116和履带支撑部分112都可以由单件或单块合适的材料(例如但不限于钢)机加工形成。这样，管线接合部分114、负荷传感器116和履带支撑部分112因此被“固定”在一起，以便提供更稳健和紧凑的负荷垫。
可选地，在第二负荷垫110中，负荷传感器116包括一个或多个基座118，每个基座118可选地具有在其上的一个或多个换能器120。通常，施加到负荷垫110的负荷导致换能器(多个换能器)120的电阻变化，该电阻变化与施加的负荷成比例和/或成正比。而且，由于各种参数(例如温度)也可能引起电阻变化，因此换能器120优选地布置成补偿由负荷之外的这些参数所引起的任何电阻变化。因此，最终测量结果优选地不会受温度或其他这样的参数的影响。典型地，每个基座118设有若干个换能器120，通常每个基座118设有五个换能器。每个基座具有多个换能器可以提供对整体履带性能的改善或更准确的评估。
可选地，负荷传感器包括六至九个基座。图5A和图5B示出了具有九个基座118的第二负荷传感器。基座或每个基座的数量、横截面和高度允许精确测量负荷。
图6A和图6B示出了用于监测海底管线200和管道张紧器(未另行示出)(例如图2所示的管道张紧器)的两个相对的履带202之间的负荷的方法的示意图。
图6A和图6B以示意图形式示出了每个履带202具有多个常规张紧器垫204以及一个负荷垫206，该负荷垫包括一个或多个根据本发明的负荷传感器(例如下文描述的第一负荷传感器70和第二负荷传感器110)。负荷垫206处于对称且相对的位置。
图6A和图6B以示意图形式示出了相对的履带202以已知的方式运动，通常以相对对称的方式运动，以便使得管线200以本领域中已知的方式在所述相对的履带之间向下移动。
图6A示出了本发明的负荷垫206的与管线200初始接合并且与管线200一起行进的运动，直到在行进了管道张紧器的接合部分的长度之后所述负荷垫按照图6B与管道200脱离接合。
因此，图6A和图6B显示了使用相对的履带202使海底管线200移动通过管道张紧器以及基于通过监测对称且相对的负荷垫206抵靠管线200接合期间的张紧器上的负荷测量负荷垫或每个负荷垫206上的负荷来监测海底管线200穿过管道张紧器。可选地，该方法包括测量负荷垫206上的压缩负荷和剪切负荷。
图7示出了在负荷垫206通过管道张紧器时，所述负荷垫的负荷的连续测量结果相对于管线位置(和/或相对于时间)的连续(可选地为实时)的曲线图。峰值示出支撑液压缸的位置。因此，图7示出了图6A中所示的布置的初始“零”负荷，其中随着负荷垫206首先与管线200接合，负荷迅速上升至第一峰值。当负荷垫206随着管线200在图6A和图6B之间向下行进时，在第一峰值之后负荷小幅减小，之后当负荷垫206如图6B所示与管线200脱离接合时负荷上升至第二峰值。
图7示出了沿管线的压缩负荷的分布图，这使操作者或用户可以了解该管线的负荷是如何发生的并且确认其合适性，或者了解张紧器对于相同或相似管线会如何实施。该信息可以由操作者或用户修改或更换管道张紧器中的常规垫来提供，并且可以提供不同的负荷垫以便替代不同类型的常规垫和/或以便与不同类型的管道张紧器一起工作。
通过将负荷测量结果传输到合适的处理器(例如附近的笔记本电脑或计算机等)，可以可选地经由一个或多个中继站来实时地提供图7中的数据，或者该数据可以存储于负荷垫206以用于随后的下载和处理。
图7中的数据也可以用作计算的途径或用作对管道张紧器的一部分(例如垫表面、滚柱轴承或缸体等)的疲劳或磨损的指示，在所述一部分中检测到不同的负荷曲线和/或检测管道与管线张紧器之间的任何过载或欠载。例如，除了检测到负荷的预期变化之外，本发明可以帮助指示本文所讨论的“现场补口”的存在、其正确位置、厚度等等。该数据还可以提供关于在铺设期间垫和管线之间的摩擦行为的信息。
本发明提供了一种管道张紧器和一种方法，该方法能够测量并可选地记录压缩负荷和剪切负荷并且能够捕获各种管线类型对管道张紧器的影响，而不同于在其上具有应变仪的标准管线测试件。尤其基于使用无线数据发送器，可以在现场安装期间在岸上或海上完成数据记录，并且该数据记录允许额外的功能，例如能够对实时数据进行后处理以用于疲劳和/或负荷监测。
本发明还有利于长的管道张紧器的测试，所述长的管道张紧器的测试对于已知的测试管是不可能的，已知的测试管仅具有“标准”的短的长度。
本发明还允许以较高的铺管速度，特别是以全速或“正常”的铺管速度进行管道张紧器的测试，这也不同于标准测试管。
如果履带沿其长度设置有足够的根据本发明的负荷垫，则本发明还允许测量施加至管线的总负荷。
本发明允许数据示出沿管线或履带长度的压缩负荷和/或剪切负荷的分布，这允许操作者或用户预见不同管线产品的负荷，所述不同管线产品包括刚性管道或柔性管道或临时连接管(umbilical)，特别是不同直径的管线产品，并且允许操作者或用户为特定管线的抗压刚度或摩擦性能的差异做好准备。
还可以在岸上的测试环境中或在海上的测试环境中或在海上的铺设或回收操作期间应用本发明。
本发明还可以用于验证管线铺设或回收操作的预测模型，从而允许更快或以其他方式更快地进行实际的管线铺设或回收操作，从而节省在管线铺设或回收操作中涉及的大的营运开支。

Claims (22)

1.一种用于铺设或回收海底管线的管道张紧器，所述管道张紧器包括能够保持所述海底管线的至少两个相对的履带，每个履带具有安装在该履带上的用于与所述海底管线接触的多个垫，其特征在于，至少一个垫是负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理所述海底管线期间测量所述负荷垫上的负荷。
2.根据权利要求1所述的管道张紧器，其中，履带中的至少一个履带的每个垫均是负荷垫，可选地两个履带的每个垫均是负荷垫。
3.根据权利要求1或2所述的管道张紧器，其中，至少一个负荷垫测量包括轴向负荷、法向负荷和侧向负荷的组中的一项或多项。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的管道张紧器，其中，负荷垫或每个负荷垫包括履带支撑部分和管线接合部分。
5.根据权利要求4所述的管道张紧器，其中，至少一个负荷传感器位于所述履带支撑部分和所述管线接合部分之间。
6.根据权利要求5所述的管道张紧器，所述管道张紧器在所述履带支撑部分和所述管线接合部分之间具有间隙。
7.根据前述权利要求中任一项所述的管道张紧器，其中，至少一个负荷传感器是测力传感器。
8.根据权利要求7所述的管道张紧器，其中，所述测力传感器中的至少一个是三轴测力传感器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的管道张紧器，其中，负荷垫或每个负荷垫具有至少三个负荷传感器。
10.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的管道张紧器，其中，负荷垫或每个负荷垫具有四个负荷传感器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的管道张紧器，所述管道张紧器还包括一个或多个数据记录器或数据发送器，或同时包括这两者。
12.根据权利要求11所述的管道张紧器，其中，所述负荷垫包括无线数据发送器。
13.一种监测海底管线和用于铺设或回收所述海底管线的管道张紧器之间的负荷的方法，所述管道张紧器包括能够保持所述海底管线的至少两个相对的履带，每个履带具有安装在该履带上的用于与所述海底管线接触的多个垫，所述方法至少包括以下步骤：
提供至少一个垫作为负荷垫，所述负荷垫包括一个或多个负荷传感器，以用于在处理所述海底管线期间测量所述负荷垫上的负荷；和
测量负荷垫或每个负荷垫上的负荷。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括将负荷的测量中继到另外的位置的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，其还包括对负荷垫上的负荷的测量进行记录的步骤。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其还包括实时测量负荷。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其还包括连续测量负荷。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其还包括以下步骤：
提供至少一个垫作为负荷垫，所述负荷垫能够测量包括轴向负荷、法向负荷和侧向负荷的组中的一项或多项；和
测量所述负荷垫上的一个或多个负荷。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述负荷垫包括履带支撑部分和管线接合部分，并且所述方法还包括以下步骤：
在所述履带支撑部分和所述管线接合部分之间定位一个或多个测力传感器；
通过所述一个或多个测力传感器将总负荷从所述履带支撑部分传递到所述管线接合部分；和
使用所述一个或多个测力传感器测量所述负荷垫上的负荷。
20.根据权利要求13至19中的任一项所述的方法，其还包括以下步骤：
使用相对的履带使海底管线移动通过所述管道张紧器；和
基于测量负荷垫或每个负荷垫上的负荷来监测所述海底管线穿过所述管道张紧器。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述管道张紧器具有两个或四个相对的履带，每个履带具有在对称且相对的位置的至少一个负荷垫，并且所述方法还包括以下步骤：
使用相对的履带使海底管线移动通过所述管道张紧器；和
在对称且相对的负荷垫抵靠所述海底管线接合期间，监测所述管道张紧器上的负荷。
22.一种海洋铺管组件，所述海洋铺管组件包括根据权利要求1至12中任一项所述的管道张紧器。
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De Andrade Optimisation of the Offset Distance Between Idler Rolls to Minimise Stress Within Conveyor Belting

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