CN110954472A - 一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法，利用分布式探头，每隔一段时间测量深海构筑物表面多点的电位，也可对构筑物保护系统的保护电流进行监测，测量间隔内设休眠。电位数据测试结果表明构筑物处于保护状态时，装置将继续休眠，直到下一次测量。电位数据测量显示深海构筑物处于欠保护状态时，装置的控制电路将启动数据传输功能，将测试数据通过数据电缆传输到数据浮标内，并按照顺序启动浮标内的释放结构和数据远程传输程序，将载有测试数据的浮标与装置脱离，浮标在自身浮力的作用下浮到水面，数据浮标在释放后按照一定的时间间隔通过传输天线不断向实验室发送数据，实验室可根据获得的数据，分析深海构筑物的整体保护情况。

Description

一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法

技术领域

本发明属于深海环境金属构筑物腐蚀监测技术领域，尤其涉及一种深海金属构筑物保护失效结果评定及预警技术。

背景技术

深海蕴藏着丰富的石油天然气等矿产资源，据统计，全球发现的油气储备中，有三分之二来自深海。目前发达国家已经开始研发3000米左右深海油气开采技术和装备。中国海洋石油开发正在走向深海，南海石油储量非常丰富，但75%处在2000～3000米的深海。另外，海底还存储丰富的可燃冰，可燃冰的开采将缓解人类能源短缺。石油、可燃冰以及其他海底矿物资源的开采，需要在深海环境敷设管道、设置设备，并长期在深海环境下服役。海洋环境是一种苛刻的腐蚀环境，石油平台、海底管线、海洋船舶、深潜器等海洋构筑物在设计和使用过程中都必须仔细考虑海洋环境带来的腐蚀问题，也迫切需要开展相关深海腐蚀防护监测装置的设计研发。许多工程装备的运行环境是在海床上，例如：油井的井口设备、输油管道等，主要采用涂料和牺牲阳极联合防护，对于在陆地上或者浅海的构筑物来说，可设置相应的测试点，监测构筑物的防护电位等数据，数据的获取包括人工测试或远程传输等多种方法，而对于深海金属构筑物的防护效果的监测却比较困难，一般条件下可以通过潜水员或水下机器人（ROV）进行，潜水员最大工作水深在50米，ROV的工作水深50~500米。监测方法包括：水下目视检测、构筑物保护电位测试，还有就是针对构筑物本身结构进行缺陷检测，例如海底管道的水下磁粉检测、水下超声检测、水下射线检测等。这些检测方法通过潜水员或ROV手持或挂载水下相机、非接触式电位检测仪等检测设备完成，虽然具有一定的可操作性，但对测试条件要求较高，成本高，只能相隔较长的时间进行，一旦出现突发情况，造成构筑物的防护水平降低，构筑物将会在不完全保护下运行，形成隐患。由于越来越多的海底管道、采油树、深潜器的服役深度越来越大，直接对其进行测试越来越困难，需要一种在深海环境中对金属构筑物进行腐蚀监测的方法。

发明内容

本发明的技术任务是针对在深海环境中的金属构筑物防护效果检测难、预警难、监测装置复杂等问题，提出了一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法。本发明提出的一种用于深度500米以上深海环境的金属构筑物防护状态监测装置，具有以下功能：深海实时对金属构筑物进行监测、可对金属构筑物的多点同时进行监测、可将监测数据与预先设定的标准数据进行对比、可将监测数据通过释放数据浮标的方式发回实验室，做到保护失效的早期预警功能。装置具有低功耗、自动测量、编程报警等特点，为深海金属构筑物的安全运行提供帮助。

本发明是基于深海构筑物处于涂层和电化学联合保护的防护效果监测，由于深海中金属构筑物处于完全保护状态时，其各处的电位值均较负，随着时间推移，构筑物上的涂层或电化学保护措施均会出现老化现象，构筑物的电位将逐渐向正向移动。当金属结构的电位负于自然腐蚀电位300mV时，金属处于完全保护状态，电位负移小于300mV时，处于欠保护状态，当没有负移时，处于保护失效状态。构筑物的腐蚀将很快造成其性能和功能的失效，影响构筑物的正常运行，例如海底管道腐蚀导致泄漏。

本发明监测装置及预警方法的工作原理是：

利用分布式探头，每隔一段时间测量深海构筑物表面多点的电位，也可对构筑物保护系统的保护电流进行监测，测量间隔内设休眠。电位数据测试结果表明构筑物处于保护状态时，装置将继续休眠，直到下一次测量。电位数据测量显示深海构筑物处于欠保护状态时，装置的控制电路将启动数据传输功能，将测试数据通过数据电缆传输到数据浮标内，并按照顺序启动浮标内的释放结构和数据远程传输程序，将载有测试数据的浮标与装置脱离，浮标在自身浮力的作用下浮到水面，数据浮标在释放后按照一定的时间间隔通过传输天线不断向实验室发送数据，直到电池耗尽，实验室可根据获得的数据，分析深海构筑物的整体保护情况，确定下一步维护工作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种深海金属构筑物防护效果监测装置，由耐压水密电子舱、数据浮标、测试系统和支架四部分组成，

所述耐压水密电子舱包括耐压壳体和端盖，耐压壳体内安装测试电路、测试控制电路、数据传输电路和电源，测试缆和数据传输缆通过端盖上的水密插接件与测试系统和数据浮标相连；

所述数据浮标为一个具有保护壳的玻璃浮球，内部装有数据传输系统、释放机构，用于将检测数据传回实验室；

所述测试系统用于对构筑物各部分的电位和保护电流进行监测；

所述支架的作用是保持耐压水密电子舱的稳定和姿态，由耐压舱同种材料构成，数据浮标安装在支架上部，耐压水密电子舱安装在支架下部，保证耐压水密电子舱不会被海泥埋没。

方案优选地，所述测试系统为分布式多点测试系统，由测试探头和测试电路构成，在被测构筑物重要部位分布6~12个测试点，对构筑物各部分的电位和保护电流进行监测。

方案优选地，所述耐压水壳体为圆筒状中空结构，材质为钛合金或其他耐蚀合金，耐压20Mpa。

方案优选地，所述数据浮标为一个带PE保护壳的玻璃浮球，耐压20Mpa，数据传输系统中集成了数据存储、卫星通信天线。

方案优选地，所述数据浮标的数量至少一个。

2、本发明另提供一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，基于上述的监测装置，通过监测水下金属构筑物的电位或电化学保护系统的保护电流数据，采用多点分布式探头，同时采集构筑物上重要部位的电位数据，以便对构筑物的整体保护状况进行评估。

具体如下：

1）耐压水密电子舱中安装测试电路，通过水密穿舱接插件与测试探头相连；测试电路采用低功耗设计，按照预先设定或测试控制单片机的信号进行测试，测试结果按时间顺序存在存储卡中；

2）耐压水密电子舱中安装测试控制单片机，用于读取测试数据，然后将数据与设定的保护程度标准进行对比，

如果测试结果在完全保护方位内，则装置恢复休眠，等待下一次测试；

如果测试结果表明构筑物部分测试点已处于欠保护状态，则激活一个数据浮标，将数据通过传输到数据浮标中储存，随后发出释放命令将数据浮标释放；

3）数据浮标释放后，靠自身浮力上升到海面，浮标中集成了数据存储、卫星通信天线，在数据浮标脱离装置主体后，按照预设程序，每隔1小时通过卫星将数据发送到实验室；

4）发送一次数据后，单控制板机重新设定一个较短的休眠时间，开始休眠，等待下一次测试；实验室根据收回的结果，分析评价深海构筑物防护效果，以确定采取何种后续技术措施。

方案优选地，步骤2）中，如果测试结果表明构筑物部分测试点已处于欠保护状态，激活一个数据浮标，将数据通过电缆或基于感应耦合的非接触数据传输方法传输到数据浮标中储存，随后发出释放命令将数据浮标释放。

方案优选地，根据需要，在装置支架上安装3～4个数据浮标，分别将不同时间的测试数据传回到实验室。

本发明的一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法与现有技术相比，所产生的有益效果是，

本项发明是深海金属构筑物防护效果监测装置，其结构简单紧凑，方便水下布放；可同时进行多点测量；可以按照程序设定将防护数据传输到实验室，起到防护效果失效预警作用，同时可根据数据进行深海构筑物的防护效果分析。借助于本项发明，可以在监控深海金属构筑物的防护效果，为深海海备的安全运行提供一种监控方法。

附图说明

附图1是本发明一种深海金属构筑物防护效果监测装置的结构示意图；

附图2是本发明所涉及前端放大滤波模块的电路图；

附图3是本发明所涉及AD转换模块的电路图；

附图4是本发明所涉及Micro CPU的电路图；

附图5是本发明所涉及Flash存储模块的电路图。

图中各标号表示：

1-数据浮标，2-数据传输缆，3-支架，4-耐压水密电子舱，5-测试缆，6-水下构筑物，7-测试探头。

具体实施方式

下面结合附图1-5对本发明的一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法作以下详细地说明。

实施例一

如附图1所示，本发明的一种深海金属构筑物防护效果监测装置及预警方法，由耐压水密电子舱4、数据浮标1、测试系统和支架3四部分组成：

其中耐压水密电子舱4包括耐压壳体和端盖，耐压水壳体为圆筒状中空结构，材质为钛合金或其他耐蚀合金，耐压20Mpa。耐压壳体内安装测试电路、测试控制电路、数据传输电路和电源，测试缆5和数据传输缆2通过端盖上的水密插接件与测试系统和数据浮标1相连；

其中数据浮标1为一个带PE保护壳的玻璃浮球，耐压20Mpa，内部装有数据传输系统、释放机构，用于将检测数据传回实验室，数据传输系统中集成了数据存储、卫星通信天线，数据浮标1的数量至少一个；

其中测试系统为分布式多点测试系统，由测试探头7和测试电路构成，在被测被测构筑物6重要部位分布6~12个测试点，对被测被测构筑物6各部分的电位和保护电流进行监测；

其中支架3的作用是保持耐压水密电子舱4的稳定和姿态，由耐压舱同种材料构成，数据浮标1安装在支架3上部，耐压水密电子舱4安装在支架3下部，保证耐压水密电子舱4不会被海泥埋没。

本发明的装置各部分分别制造，投放前在实验室组装，经过测试后进行实海布放，可与被测深海装备一同布放，也可对在深海中运行一段时间的装备进行补充监测。

实施例二

本发明的一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，基于实施例一的监测装置，通过监测水下被测被测构筑物6的电位或电化学保护系统的保护电流数据，采用多点分布式探头，同时采集被测被测构筑物6上重要部位的电位数据，以便对被测被测构筑物6的整体保护状况进行评估，具体如下：

1、耐压水密电子舱4中安装测试电路，通过水密穿舱接插件与测试探头7相连；测试电路采用低功耗设计，按照预先设定或测试控制单片机的信号进行测试，测试结果按时间顺序存在存储卡中；所涉及测试电路包括前端放大滤波模块、AD转换模块、Micro CPU、Flash存储模块，各模块结构参照附图2、3、4、5，将输入模拟信号相对于标准电压偏置，前端放大滤波模块放大滤波后进入AD转换模块，将模拟量变换为数字量，通过Micro CPU读取AD转换模块数据，并存入Flash存储模块；

2、耐压水密电子舱4中安装测试控制单片机，用于读取测试数据，然后将数据与设定的保护程度标准进行对比，

如果测试结果在完全保护方位内，则装置恢复休眠，等待下一次测试；

如果测试结果表明被测被测构筑物6部分测试点已处于欠保护状态，激活一个数据浮标1，将数据通过电缆或基于感应耦合的非接触数据传输方法传输到数据浮标1中储存，随后发出释放命令将数据浮标1释放；

3、数据浮标1释放后，靠自身浮力上升到海面，浮标中集成了数据存储、卫星通信天线，在数据浮标1脱离装置主体后，按照预设程序，每隔1小时通过卫星将数据发送到实验室；

4、根据需要，可在装置支架3上安装3～4个数据浮标1，分别将不同时间的测试数据传回到实验室；

5、发送一次数据后，单控制板机重新设定一个较短的休眠时间，开始休眠，等待下一次测试；实验室根据几次收回的结果，分析评价深海被测被测构筑物6防护效果，以确定采取何种后续技术措施。

本发明装置程序设定：

电位测试数据使用共同的地线，连接在深海金属被测被测构筑物6上；测试探头7固定在被测被测构筑物6上不同位置；牺牲阳极深海环境中使用的电化学保护方法的保护电流可通过在回路中安装取样电阻的方法，测试取样电阻两端的电压计算电流值。

测试时间间隔可设定在3～6个月，根据被测被测构筑物6涂层种类或状态预估。

被测构筑物6的保护电位可根据预先的电化学测试确定，最好使用被测被测构筑物6本身材料在其服役环境中实际测试获得。

在控制单片机中设定保护电位数值，当测试数据正于设定数据时，将数据传输到数据浮标1内的存储卡内，并顺序激活数据浮标1内的数据卫星发送天线，释放机构等，将数据浮标1释放。

数据浮标1浮到海面，每隔1小时通过卫星将数据发送到实验室。

数据浮标1释放后，单板机控制整套系统重新进入休眠状态，并在下一次测试时唤醒，重复进行数据测试、传输、发送，直到预备的数据浮标1均被释放。

在对数据进行分析后，确定采取何种后续技术措施。如对其进行重新防护，可同时对本发明的监测装置进行电源补充和数据浮标1的补充。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种深海金属构筑物防护效果监测装置，其特征在于，由耐压水密电子舱（4）、数据浮标（1）、测试系统和支架（3）四部分组成，

所述耐压水密电子舱（4）包括耐压壳体和端盖，耐压壳体内安装测试电路、测试控制电路、数据传输电路和电源，测试缆（5）和数据传输缆（2）通过端盖上的水密插接件与测试系统和数据浮标（1）相连；

所述数据浮标（1）为一个具有保护壳的玻璃浮球，内部装有数据传输系统、释放机构，用于将检测数据传回实验室；

所述测试系统用于对被测构筑物（6）各部分的电位和保护电流进行监测；

所述支架（3）的作用是保持耐压水密电子舱（4）的稳定和姿态，由耐压舱同种材料构成，数据浮标（1）安装在支架（3）上部，耐压水密电子舱（4）安装在支架（3）下部，保证耐压水密电子舱（4）不会被海泥埋没。

2.根据权利要求1所述的一种深海金属构筑物防护效果监测装置，其特征在于，所述测试系统为分布式多点测试系统，由测试探头（7）和测试电路构成，在被测构筑物（6）重要部位分布6~12个测试点，对被测构筑物（6）各部分的电位和保护电流进行监测。

3.根据权利要求1所述的一种深海金属构筑物防护效果监测装置，其特征在于，所述耐压水壳体为圆筒状中空结构，材质为钛合金或其他耐蚀合金，耐压20Mpa。

4.根据权利要求1所述的一种深海金属构筑物防护效果监测装置，其特征在于，所述数据浮标（1）为一个带PE保护壳的玻璃浮球，耐压20Mpa，数据传输系统中集成了数据存储、卫星通信天线。

5.根据权利要求1所述的一种深海金属构筑物防护效果监测装置，其特征在于，所述数据浮标（1）的数量至少一个。

6.一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种监测装置，通过监测水下金属被测构筑物（6）的电位或电化学保护系统的保护电流数据，采用多点分布式探头，同时采集被测构筑物（6）上重要部位的电位数据，以便对被测构筑物（6）的整体保护状况进行评估。

7.根据权利要求6所述的一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，其特征在于，具体如下：

1）耐压水密电子舱（4）中安装测试电路，通过水密穿舱接插件与测试探头（7）相连；测试电路采用低功耗设计，按照预先设定或测试控制单片机的信号进行测试，测试结果按时间顺序存在存储卡中；

2）耐压水密电子舱（4）中安装测试控制单片机，用于读取测试数据，然后将数据与设定的保护程度标准进行对比，

如果测试结果在完全保护方位内，则装置恢复休眠，等待下一次测试；

如果测试结果表明被测构筑物（6）部分测试点已处于欠保护状态，则激活一个数据浮标（1），将数据通过传输到数据浮标（1）中储存，随后发出释放命令将数据浮标（1）释放；

3）数据浮标（1）释放后，靠自身浮力上升到海面，浮标中集成了数据存储、卫星通信天线，在数据浮标（1）脱离装置主体后，按照预设程序，每隔1小时通过卫星将数据发送到实验室；

4）发送一次数据后，单控制板机重新设定一个较短的休眠时间，开始休眠，等待下一次测试；实验室根据收回的结果，分析评价深海被测构筑物（6）防护效果，以确定采取何种后续技术措施。

8.根据权利要求6或7所述的一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，其特征在于，步骤2）中，如果测试结果表明被测构筑物（6）部分测试点已处于欠保护状态，激活一个数据浮标（1），将数据通过电缆或基于感应耦合的非接触数据传输方法传输到数据浮标（1）中储存，随后发出释放命令将数据浮标（1）释放。

9.根据权利要求6或7所述的一种深海金属构筑物防护效果监测预警方法，其特征在于，根据需要，在装置支架（3）上安装3～4个数据浮标（1），分别将不同时间的测试数据传回到实验室。

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