CN113795730A - 紧固件组件传感器单元 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于紧固件组件的传感器单元，该传感器单元包括：安装件，布置成将传感器单元刚性地附接到紧固件组件上或附接到紧固件组件附近；以及传感器，该传感器是光流传感器或感应式传感器，配置成感测紧固件组件的运动。传感器单元可包括处理器。该处理器布置成处理传感器的输出，以检测紧固件组件的松动，并输出表示紧固件组件状态的信号。传感器单元可以包括布置成传送信号的无线通信单元。

Description

紧固件组件传感器单元

技术领域

本发明涉及一种用于监测紧固件组件、尤其是在安全关键或难以接近的应用中的紧固件组件的运动的传感器单元。

背景技术

紧固件和螺栓用于牢固地连接在工业中使用的结构或轮子，例如横梁和托梁、圆盘、轴承、阀、法兰和板，从而例如将上层结构或起重机组装并保持在船舶上或将钻井井架组装并保持在石油或天然气钻井平台上。同样，螺栓对于阀、法兰、密封件、管道配件或防喷器的完整性可能至关重要。在整个结构中提供了各种紧固件，以牢固地连接刚性构件，例如横梁、曲柄、轮子或板。螺栓、铆钉或紧固件用于固定轨道、横梁或托梁部分之间的接头。螺栓配有螺母或紧固件，作为安装到结构上的组件的一部分。组件通常包括：螺栓头、螺纹、垫圈和可旋转地支撑在螺栓螺纹上的螺母。螺母关闭以保持螺栓连接结构。

定期检查螺栓和紧固件，以确保结构的刚度和机械完整性。螺栓和紧固件会以多种方式老化。例如，振动可能导致螺栓松动，暴露在环境中会导致紧固件腐蚀和分解。应力可能导致螺栓疲劳和剪切，应变可能导致螺栓伸长、出现裂纹和故障。如果紧固件被错误地打开并且存在刚性构件(例如横梁)，那么它可能会故障并带来灾难性后果甚至死亡。例如，在井架中，由于钻孔、震动或卡住管道而引起的过度振动会导致结构元件(例如升降机导轨)发生故障。偶尔，螺栓会因过度和长时间的振动而松动，造成破坏性和严重的后果，例如机械部件故障和物体坠落。

在石油工业的背景下，立管由大段管件组装而成，用于连接井口与平台。平台可以包括生产平台、海上浮式生产储油(FPSO)船、移动式海上钻井装置(MODU)，例如钻井船、半潜式或自升式钻井平台。立管段是管件，例如由钢、合金或复合材料制成的管，其将地层流体引导至表面，或者在钻井期间将钻井流体引导至井筒或从井筒引导钻井流体。可以在注入井中部署立管以将流体注入地层。立管可以连接来自多口井的流线和歧管网络。立管有各种尺寸和规格，可以包括用于高压潜艇部署的大段。组装后，立管段堆放在一起，密封法兰将立管段连接到连续管道中，这些管道在压力下输送流体并保持井和平台的完整性。因此，每个立管的状况都至关重要，需要定期检查立管的各段是否存在缺陷、腐蚀和泄漏。紧固件(如螺栓)的厚度和状况尤为重要。无损检测(NDT)技术、目视检查和记录保存是用于记录和验证连接完整性的方法之一。可以在计算和模型中使用各种测量值，例如螺栓横截面厚度、表面状况和手动记录，以分析立管螺栓的状况和完整性。这些方法可以形成特殊定期服务(SPS)或监管制度的一部分，以验证立管完整性和操作安全。例如，可以为立管的每段保存记录，包括用于在水下部署的日志、包括部署深度和持续时间的计数。

不使用时，立管段堆放在船舶或平台的甲板上。立管的这些段通常是手动标记的。立管每一段的定位、类型和历史都被记录下来，并且一般是人工记录的。每当作为SPS或认证过程的一部分，第三方部署或验证立管时，都会检查和生成这些日志。立管段可以永久部署在特定的MODU或平台上，或移动到其他定位进行操作。立管的这些段可以在全球或特定地区使用。立管段具有重要价值，石油或天然气钻井平台的制造商或承包商可能会定期翻新或修理。因此，需要在立管的部署和存放期间在其整个生命周期内监测立管的每一段。

为了验证结构的完整性，紧固件的例行检查可能是强制性的，并且经常根据API、NAS、ASME、ASTI、BSEE等行业机构的标准进行。同样，检查和测试可能需要作为获得或保持船舶类别或类型批准的一部分，如DNV-GL、ABS(美国航运局)或劳埃德船级社。螺栓和紧固件暂时和永久地在海底使用。例如，在操作期间和操作之间，作为维护和验证的一部分，可以例行检查固定下部海洋立管包和BOP(防喷器)部分的螺栓。确认结构接头上紧固件完整性的需求至关重要。

专家团队的手动检查可以包括执行各种扭转刚度和扭矩测试。这些检查在海上结构的生命周期内是连续的，无论是平台还是移动式海上钻井装置(MODU)。这些检查会是劳动密集型、危险和耗时的，需要广泛的培训和安全预防措施。在通常危险的条件下，技术人员团队将手动检查结构并通过绳索、梯子或使用樱桃采摘机或其他方式对紧固件的扭矩和刚度进行测试。技术人员暴露在天气、掉落的物体和其他高空工作的危险中。操作中断可能会导致钻井计划或生产计划的关键路径延迟，代价高昂。这些严重的事件产生了对解决方案的需求，该解决方案无需通过绳索进入或中断服务和停机时间进行手动检查，即可远程检测并确认井架或设备上的紧固件状态。

发明内容

因此，需要一种装置，其将减少对紧固件和紧固件组件进行人工检查的必要性，从而提高工人和操作的安全性，并减少由于检查造成的延误。还需要一种装置，其可以很容易地改装或安装在紧固件上或安装在紧固件附近，并且能够永久监测紧固件的完整性，同时定期以无线方式或通过其他方式将紧固件的状态传输控制器，以分析和显示状态、变化和趋势。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于紧固件组件的传感器单元。传感器单元包括安装件和传感器。安装件布置成将传感器单元刚性地附接到紧固件组件上或附接到紧固件组件附近。传感器是光流传感器或感应式传感器，配置成感测紧固件组件的运动。

通过这种方式，监测设备的优点在于可以减少人工检查的频率，并根据数据和趋势分析、预测性维护和关键状态变化指导技术人员维护某些紧固件。优点将包括降低劳动力成本、支付费用、最小化HSE风险以及减少计划维护的操作中断。

紧固件组件可以是任何类型，包括上面讨论的那些。

在一个实施例中，传感器单元还包括处理器。该处理器布置成处理传感器的输出，以检测紧固件组件的松动并输出表示紧固件组件状态的信号。通过在传感器单元中提供集成处理器，传感器单元可以生成和传输简单的监测信号。与直接传输传感器的输出相比，这将更加稳健且不易丢失数据。

在一个实施例中，传感器单元还包括布置成传送信号的无线通信单元。当传感器单元安装在难以接近或偏远的位置时，无线通信特别有利。

在一个实施例中，传感器配置成感测紧固件组件的角旋转或轴向运动。角旋转和轴向运动表明紧固件组件松动或潜在故障，因此检测此类运动尤为重要。

在一个实施例中，传感器配置成感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的角旋转或轴向运动。这种类型的运动可能表示紧固件组件的拉伸或疲劳，及时检测可以防止紧固件组件发生故障。

在一个实施例中，传感器配置成感测紧固件组件的部件相对于彼此的角旋转或轴向运动。这种类型的运动可能表明紧固件组件松动，例如螺母在其相应螺栓上松动。

在一个实施例中，安装件布置成将传感器单元刚性地附接到紧固件组件。在一个实施例中，传感器单元安装到紧固件组件。这有利于将传感器单元连接到紧固件组件，从而使其保持在正确位置，以便相对于紧固件组件进行稳健感测。

在一个实施例中，紧固件组件包括接合由紧固件组件所紧固的物体的接合部，并且安装件布置成将传感器单元刚性地附接到紧固件组件的接合部上。接合部(例如螺母或螺栓的头部)通常具有标准化的形状和尺寸，因此作为附接点特别方便。

在一个实施例中，传感器是配置成感测接合部相对于物体的角旋转的光流传感器。光流传感器得到了很好的发展，并提供了一种可靠的方法来检测运动，特别是垂直于传感器轴的运动。

在一个实施例中，传感器是配置成感测接合部相对于物体的轴向运动的感应式传感器。感应式传感器是有利的，因为它们特别适用于感测平行于传感器轴的方向上的运动，并且还可用于检测材料特性的变化以及运动。

在一个实施例中，安装件布置成将传感器单元刚性地附接到紧固件组件附近。在一个实施例中，传感器单元安装在紧固件组件附近。根据紧固件组件的环境或设计，将传感器单元定位在紧固件组件附近而不是直接定位在紧固件组件上可能更方便。例如，传感器单元可以附接到紧固件组件附近的表面上。

在一个实施例中，传感器是配置成感测接合部相对于物体的角旋转的感应式传感器。当感应式传感器定位在紧固件组件附近时(例如，偏离螺栓的轴线)，由于接合部与传感器的距离发生变化，它可以更稳健地检测角旋转。

在一个实施例中，传感器单元还包括配置成监测紧固件组件的状况的涡流传感器。在一个实施例中，传感器单元还包括布置成处理涡流传感器的输出的处理器。涡流传感器可用于检测可能不会导致紧固件组件运动的紧固件组件状况(例如金属疲劳)的变化。

根据本发明的一方面，提供了与紧固件组件结合的根据本发明的传感器单元。这可以提高安装传感器单元的便利性，例如如果传感器单元被集成到紧固件组件中。

根据本发明的一个方面，提供了一种感测紧固件组件状态的方法，该方法包括通过传感器感测紧固件组件的运动。该传感器是刚性附接到紧固件组件上或附接到紧固件组件附近的光流传感器或感应式传感器。在一个实施例中，该方法还包括：处理传感器的输出，以检测紧固件组件的松动并输出表示紧固件组件状态的信号；以及无线传送该信号。该方法为根据本发明的传感器单元提供了相应的优点。

附图说明

现在将参考附图通过非限制性示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1(a)至1(d)描绘了标准紧固件组件的典型构造；

图2示出了类型为可以在其上使用传感器单元的立管段的长度；

图3示出了带有类型为可以在其上使用传感器单元的浮力模块的立管段的长度；

图4示出了使用中的立管组件；

图5示出了立管组件及其上的紧固件组件的详细视图；

图6示出了具有主体和盖子的传感器单元的立体图；

图7示出了具有主体和盖子的传感器单元的侧视图；

图8是传感器单元的示意图，该传感器单元使用光流传感器，并安装到紧固件组件的螺栓上，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图9是传感器单元的示意图，该传感器单元使用光流传感器，并安装到紧固件组件的螺母上，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图10是传感器单元的示意图，该传感器单元使用光流传感器，并安装到紧固件组件的螺母上，以感测紧固件组件的一部分相对于紧固件组件的另一部分的旋转；

图11是图8所示类型的并且还包括涡流传感器的传感器单元的示意图；

图12是传感器单元的示意图，该传感器单元使用感应式传感器，并安装到紧固件组件的螺栓上，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图13是传感器单元的示意图，该传感器单元使用感应式传感器，并安装到紧固件组件的螺母上，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图14(a)至14(h)示出了传感器单元和用于将传感器单元安装到物体上的布置的视图；

图15(a)和15(b)示出了图14的传感器单元的视图，该传感器单元安装到紧固件组件上，以检测轴向取向和角旋转；

图16(a)至16(h)示出了具有可安装到多种紧固件组件的替代安装件的传感器单元的视图；

图17(a)至17(c)示出了图16的传感器单元的视图，该传感器单元安装到紧固件组件上，以检测轴向取向或角旋转，从而确定紧固件组件的状态或行为或功能；

图18示出了传感器单元，该传感器单元可以使用模块化安装布置和公共传感器包改装到各种尺寸的紧固件组件上；

图19示出了图10中所示类型的传感器单元，该传感器单元可以使用模块化安装布置和公共传感器包改装到各种尺寸的紧固件组件上；

图20示出了传感器单元的不同安装方式；

图21示出了传感器单元的示意图，该传感器单元使用感应式传感器，并安装在紧固件组件的螺栓附近，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图22示出了传感器单元的示意图，该传感器单元使用感应式传感器，并安装在紧固件组件的螺母附近，以感测紧固件组件相对于由紧固件组件所紧固的物体的旋转；

图23(a)和23(b)示出了用于图21和22所示类型的传感器单元的安装件；

图24(a)至24(c)示出了图23所示类型的安装件，该安装件用于将传感器单元附接到紧固件组件附近；

图25(a)和25(b)示出了用于图21和22中所示类型的传感器单元的替代安装件；

图26(a)至26(c)示出了图25所示类型的安装件，该安装件用于将传感器单元附接到紧固件组件附近；

图27示出了传感器单元，该传感器单元安装在紧固件组件附近的接头或表面上，以测量紧固件组件的部件(例如螺栓六角头)的表面的间隙并确定紧固件组件是否已经相对于传感器单元移动；

图28是图27的传感器单元的另一种视图；

图29示出了替代传感器单元，其安装在紧固件组件附近，以检测紧固件组件运动；

图30示出了又一替代传感器单元，其安装在紧固件组件附近，以检测紧固件组件部件的相对运动。

图31示出了图30的传感器单元的线圈设计；

图32示出了传感器单元的示意图；以及

图33是感测紧固件组件状态的方法的流程图。

具体实施方式

本公开涉及用于紧固件组件100的传感器单元10。传感器单元10也可称为监测单元或传感器组件。传感器单元10可以是无线传感器单元10，其可以改装到紧固件组件100上，以检测用于刚性结构或安装旋转部件的紧固件、螺栓、帽、螺栓头、螺柱、螺钉、帽螺钉、垫圈或铆钉。传感器单元10的应用可用于特别关键的紧固件，例如在烃加工或高压容器或易燃环境中，或在难以到达的位置，例如海底立管或风力发电机叶片。同样，传感器单元10可以应用于经常制造和损坏的紧固件组件100，例如用于海底钻井立管的连接件上。传感器单元10可用于监测井架内经受高冲击、振动或应变的结构，例如固定用于顶驱的导轨的螺栓。类似地，传感器单元10可以安装在顶驱的连杆机构上的紧固件组件100上，或安装在轮子或旋转机器上，或安装在法兰上，以确认设备、旋转机械和管道系统的状态、完整性和状况，以及以避免在井架内或装置周围发生掉落的物体或使用中的设备故障。同样，传感器单元10可用于监测接头、紧固件、铆钉、螺栓和焊缝，并证明符合API推荐的操作、检查、维护和维修钻井和维修结构的实践4G以及钻井结构的4F。传感器单元10可以部署在紧固件对连接件和接头的完整性至关重要的任何地方。例如，难以检查的接头，如风力发电机叶片、塔架、单桩、铁路接头、海底螺栓、海底立管、海底圣诞树(x树)、表面x树、扼流管、紧固件或连接件和法兰用于可燃环境，例如碳氢化合物加工、整个水力压裂船队、下部海洋立管包或夹套。特别是，用于海底钻井立管和较低的海上立管组件的H4螺栓故障可能导致钻井液和碳氢化合物泄漏或井控和井喷的灾难性损失。传感器单元10可用作用于钻井或生产立管的区段的监测系统。传感器单元10可用于紧固件关键且频繁制造和断开的任何地方，例如在钻井立管的螺栓连接部分上。

在操作使用中，传感器单元10可以消除对井架中被视为DROPS风险的松动接头、螺栓和紧固件进行检查的观察员的需要。传感器单元10可用于跟踪关键结构、法兰、板、接头、阀、管道系统或机器上使用的紧固件的状态及其输出用于反馈以计划和指导维护并及时防止故障.

图1中描绘的紧固件组件100包括两个板或表面101和102，以形成接头、螺栓103或螺钉、头部104、垫圈106和螺母105。类似地，这可以形成铆钉或螺钉。可选地，紧固件组件100可以是立管紧固件。

图2示出了石油和天然气工业中常用的立管段5的示例，其可以使用诸如图1中所示的紧固件组件100连接在一起。图3示出了包括浮力模块的立管段5的进一步示例。图4示出了由多个立管段5组成的立管1，其在使用中并连接到油井架。

图5示出了标准立管1的构造，每个立管具有多个立管段5。立管段5各自作为沿立管1成阵列安装的相应立管组件2的一部分提供。每个立管组件2可以包括两个或更多个立管段5。

将描述两种类型的立管组件2，第一种类型用于钻井，第二种类型用于生产。这两种立管组件2的结构大体相同，只是立管段5的规格不同，可酌情留存不同类型的流体，制成立管段5的管壁的宽度和材料也有相应的变化。因此，使用共同的附图标记给出共同的描述。下面的描述同样适用于第一和第二类型的立管组件2，实际上适用于任何立管组件2，除非特别提到第一和第二类型中的一种。

立管组件2包括立管段5。立管段5包括立管法兰3a和在法兰3a之间延伸的细长主体3b。立管组件2使用通过立管法兰3a中的螺柱孔附接的螺柱(也称为螺栓)4和螺母4a联接。立管组件2还包括都固定到立管段5的浮力套5a和系泊设备6a。

传感器单元10可以改装或与立管螺柱4或螺母4a集成。传感器单元10包括外壳11、电源14、一个或多个传感器和一个或多个光源、声学或无线通信装置。

传感器单元10可以可选地安装在立管组件2的立管段5、螺柱4、螺母4a或法兰3a上，其中立管组件2例如可以是上面参考图5描述的类型。例如，传感器单元10在制造期间可以与立管段5或螺柱4或螺母4a一体地提供。替代地，传感器单元10可以配置成附接到预先存在的立管段5。

传感器单元10包括安装件。该安装件布置成将传感器单元10刚性地附接到紧固件组件100上或附接到紧固件组件100附近。传感器单元10可以可选地包括用作安装件的固定构件。安装件可以配置成将传感器单元10固定到立管段5、紧固件组件100、螺柱4或螺母4a。

图6和图7示出了一个实施例，其中传感器单元10的外壳11可以插入穿过立管段5中的孔(例如螺栓孔或螺柱孔)，安装件设置在孔的与外壳11相对的端部处并配置成将外壳11固定到立管段5。例如，固定构件可以配置成拧入外壳11内部的螺纹中。然而，可以使用任何固定系统来将安装件固定到外壳11。替代地，外壳11可以设置有螺纹部分，传感器单元10配置成拧入立管段5内部的螺纹中。替代地，传感器单元10可以设置有孔。螺栓可以穿过该孔以螺纹连接，从而保持传感器单元10。最后，外壳11可以包括一体形成的孔或板。该板可以焊接成永久连接到立管紧固件组件100，以提供立管紧固件部署、定位和状况的连续记录。因此，可以提供紧凑且易于安装的传感器单元10。传感器单元10可以可选地进一步包括备用保持装置。该备用保持装置配置成将传感器单元10附接到立管紧固件组件100的部件。例如，备用保持装置可以包括附接到立管段5和传感器单元10两者上的线股或绳股。因此，如果安装件故障，则备用保持装置确保传感器单元10不会掉落并损坏其他设备或人员。因此可以提供更安全的传感器单元10。

可选地，传感器单元10可以集成到立管段5、或螺栓4、或螺母4a、或立管段5的法兰3a中。在该实施例中，传感器单元10设置为包。该包可以在紧固件组件100内部设置的合适空腔内安装到立管段5的紧固件中。空腔可以位于紧固件组件的任何部分中，例如位于螺栓4的头部、或螺母4a中。头部和螺母4a也可以被称为接合部。空腔也可以设置在紧固件组件100附近，例如，设置在法兰3a内。

传感器单元10可以是包含本文公开的所有特征的OEM设备，但是其可以在紧固件或法兰3a或螺栓4的主体内部插入该空腔中。可以通过螺纹孔进入空腔，以使得例如当电池耗尽或需要维护时，可以更换传感器单元10。空腔可以优选地是圆柱形的，并且传感器单元10可以是具有螺纹外部的包。可以将传感器单元10插入到空腔中并将其旋转到位，直到固定。可以用盖子13或胶水或环氧树脂密封该孔。可以使用弹性构件、螺纹部件、螺钉或合适的灌封化合物、胶水或环氧树脂将传感器单元10封装并固定在浮力套5a内。

图8至20描绘了传感器单元10的实施例，其中传感器单元10的安装件布置成将传感器单元10刚性地附接到紧固件组件100上。例如，传感器单元10可以安装到紧固件组件100。有利地，传感器单元10可安装在紧固件组件100的部件(例如螺栓头104、螺钉、帽、垫圈或螺母105)上。在一些实施例中，紧固件组件100可包括接合部(例如螺栓头104、垫圈或螺母105)，并且安装件可以布置成将传感器单元10刚性地附接到紧固件组件100的接合部。该接合部接合由紧固件组件100所紧固的物体。在图8、11和12中，传感器单元10安装到紧固件组件100的螺栓103的头部104上。在图9、10和13中，传感器单元10安装到紧固件组件100的螺母105上。在其他实施例中，传感器单元10可以安装到螺栓103上。

在图8至图11的实施例中，传感器单元10包括壳体12(相当于图6和图7的外壳11)、电池14和电路板18。O形环22存在于传感器单元10的底部，以在紧固件组件100周围提供抵靠板101的表面的密封。O形环可以保护传感器单元10的内部部件，特别是当传感器单元10在危险环境、水下、或类似环境下时。

在优选实施例中，传感器单元10包装成使得：它可以例如通过作为帽安装在紧固件的头部104和/或螺母105上而快速改装到紧固件组件100上。有利地，传感器单元10可安装在立管紧固件组件100上，例如改装到H4立管螺栓103的头部104或螺母105上。将传感器单元10安装在立管段5上意味着：传感器单元10根据立管1的运动或位置检测到定位和取向，从而允许使用比手动检查和记录保存更简单且功率更低的传感器。因此，立管1能够长时间运行而无需脱机检查或无损检测(NDT)。

将传感器单元10安装在紧固件组件100上意味着：传感器单元10的传感器检测并确认结构或板101的两侧上的螺栓头104和螺母105的位置和轴向取向，从而允许比较传感器数据，以检测相对轴向取向或角旋转的变化。类似地，传感器可以测量倾斜或对齐，以检测变形、屈曲或断裂。传感器单元10附接到紧固件、螺栓103或铆钉，并以与视觉指示器相同的方式无线地监测螺栓103、铆钉或紧固件的轴向取向。传感器单元10可以在结构的组装期间与螺栓103一起安装，或者随后改装，以测量、处理、分析、局部确定和传输紧固件的状态。替代地，传感器单元10可在制造期间与紧固件组件100集成。传感器单元10可以一体地形成在紧固件组件100的一个或多个部件中，并插入到螺栓103、头部104、螺柱、夹子、螺母105或垫圈的凹部中。集成传感器单元10的紧固件组件100的部件可由复合材料、非金属材料、层压材料或部分非金属材料制成，以允许发射和接收电磁辐射。以此方式，包含用于检测部件与固定表面之间或部件与另一部件之间的绝对或相对运动的变化的传感器的传感器单元10可集成到例如复合螺母105或螺栓头104中，以远程警告紧固件组件100或刚性结构的完整性或状态或行为或功能的变化。

图14描绘了传感器单元401的另一个实施例的各种视图。传感器单元401结合了一种安装件装置。该安装件装置可以通过围绕头部104或螺母105夹紧而改装到紧固件组件100上。传感器单元401具有凹部403。凹部403可以夹在现有螺栓头104上(但不能夹在螺母105上，这是因为没有孔供螺栓103穿过)。可以使用各种方法来保持传感器单元401，例如平头螺钉404从侧面402进入并拧紧到螺栓头104的六角形(见图14(a)和14(b))。替代地，凸轮405可用于将头部104联接到凹部403中(见图14(e)和14(f))。通过分度，凸轮405首先咬入并夹紧头部104的外部六角形，而且还将在六角形下的物理约束406旋转并进入倒角/底切(见图14(g)和14(h))。这种设计的缺点是对于每个六角尺寸都需要专用的凹部403，因此对于螺栓头104的每个直径都需要各种传感器单元401。

图15描绘了图14中的传感器单元401，其安装在螺栓头104上并监测包括螺母105、垫圈106和螺栓103的紧固件组件100。装置401结合了用于测量头部104的角旋转或轴向取向的传感器技术(例如光流传感器)，并基于检测到头部104的绝对倾角、振动、偏移、倾斜、角旋转或轴向取向的微小变化，确定和无线通信紧固件组件100的状态。类似地，传感器单元401可以结合用于测量轴向磁通量、涡流和/或电导率的变化或趋势的传感器技术，以检测裂纹的传播、腐蚀或紧固件组件100的完整性的其他变化。

图16描绘了传感器单元701的另一个实施例的视图。传感器单元701可完全改装到包括各种六角头直径的各种紧固件组件100部件。凹部703设有面702。这些面702是来自虹膜式布置的叶子的一部分。通过分度滚花特征704，面702夹住六角头并减小凹部703的直径。设置多个面702或虹膜叶，其与由滚花特征704致动的棘轮自锁机构相互作用。扭曲滚花特征704将面702制成棘轮形，直到它们围绕头部104或螺母105锁定。传感器单元701包含孔706，以在特征704夹住六角头部时允许螺栓103、螺柱或螺钉穿过传感器单元701。面702可以包括联接和锁定六角形头部104的外部特征，而且还旋转在六角形下的物理约束406并进入六角形头部104的倒角/底切。图17描绘了传感器单元701安装在头部104和螺母105上，其中螺栓103穿过凹部703和孔706。传感器单元701可以改装到各种紧固件组件上。传感器单元701结合了用于测量头部104或螺母105的角旋转或轴向取向的传感器技术，并基于检测到头部104或螺母105的绝对倾角、光流、振动、偏移、倾斜、角旋转或轴向取向的微小变化，确定和无线通信紧固件组件100的状态。传感器单元701可以比较头部104和螺母105的取向，以发现角取向或光流的相对变化，这种相对变化指示扭矩的松动或损失。类似地，传感器单元701可以结合用于测量光流、轴向磁通量、涡流和/或电导率的变化或趋势的传感器技术，以检测裂纹的传播、腐蚀或紧固件组件100完整性的其他变化，如将下面进一步讨论。

在图18至20的实施例中，传感器单元10包括标准传感器包。标准传感器包包括传感器单元10的传感器，用于测量紧固件组件100的一个部件相对于另一部件的旋转，例如螺栓端面相对于螺母105的面的旋转，和/或紧固件组件100相对于接头、孔或固定结构的绝对运动。标准传感器包可以安装在用作传感器单元10的安装件的可互换的安装件模块上。安装件模块包括用于将安装件固定到紧固件组件100的弹性抓握特征(或“齿”)。可以根据紧固件类型选择安装件模块，例如M10到M40等的安装件。可以通过挂绳提供额外的固定。

作为将传感器单元10刚性地附接到紧固件组件100的替代方案，安装件可以布置成将传感器单元10刚性地附接到紧固件组件100上。换言之，传感器单元10可以安装在紧固件组件100附近。

图21至31描绘了传感器单元10的实施例，其中安装件布置成将传感器单元安装在紧固件组件100附近。在这样的替代实施例中，传感器单元安装在紧固件组件100附近，以检测组件的部件或整体的旋转。本发明的装置可以附接到感兴趣的紧固件组件100附近。该装置可以通过焊接或使用粘合剂磁性地安装到附近的刚性结构或接头。例如，传感器单元10可以附接到由紧固件组件100所紧固的物体上。可通过保持线或复合材料(例如

系绳或网)提供次要或额外保持。

此外，传感器单元10可以以位于紧固件组件100附近但不与其接触的方式安装，因此将允许接近紧固件组件100，以进行目视检查(例如腐蚀或变色)和维护(例如附接扳手，以检查和施加扭矩和/或重新拧紧紧固件)。

图23包括传感器单元201的实施例的若干视图。传感器单元201可以通过可改装的安装件装置204安装。安装件装置204用作传感器单元201的安装件，包括用于固定到各种紧固件组件上的标准不锈钢(或聚合物、聚脂薄膜或凯夫拉(Kevlar))带203，如图24所示。带203可以附接到紧固件组件100的部件(例如螺母105或头部104的六角形)上，并改装成多种直径。传感器单元201使用安装件装置204上的齿205来咬合并锁定到螺母105或头部104的倒角或底切上。可以通过拧紧螺钉202拧紧带203，以牢固地配合在紧固件组件100的部件周围。平头螺钉202可以转动到棘轮带203，直到齿205在螺母105或头部104的倒角下方锁定。螺钉202的锁定机构提供了辅助保持，以防止传感器单元201掉落。

图24描绘了图23的传感器单元201，其安装到紧固件组件100上并且可操作地监测其密封性。传感器单元201在其螺母105和/或头部104上牢固地附接到螺栓103，并用于检测头部104和/或螺母105的绝对或相对角旋转或轴向取向的微小变化。如果两个传感器单元201安装在螺母105和头部104两者上，则它们的取向或角旋转的比较可以确定它们的相对角旋转或轴向取向的微小变化，并可以指示新生故障。传感器单元201测量轴向取向、角旋转并在本地处理测量值，从而确定紧固件组件100的状态，并将该状态通过集成到传感器单元201的射频和/或光通信接口传送到远程控制器，如下面将讨论的。传感器单元201可以包括安装在螺母105上的光流传感器16。光流传感器16定期对螺栓103上的螺纹进行成像，以进行移动。

图25描绘了传感器单元601的另一实施例。在该实施例中，传感器单元601装配在现有螺栓头104或螺母105下方。传感器单元601可以是图8至20中任一个的标准装置，使用简单的金属板602适应头部104和/或螺母105的六角尺寸。传感器单元601用螺钉604保持在板602上。安装板602需要移除螺母105和/或螺栓103，这对改装不利，但可能对新安装有利，并且在考虑涂漆时可能不理想。图26描绘了包括在头部104下方安装在紧固件组件100上的传感器单元601和在螺母105下方的另一个传感器单元601。传感器单元601结合了用于测量头部104或螺母105的角旋转或轴向取向的传感器技术，并基于检测到头部104或螺母105的绝对倾角、光流、振动、偏移、倾斜、角旋转或轴向取向的微小变化，确定和无线通信紧固件组件100的状态。安装在相同紧固件组件100的螺母105和头部104上的传感器单元601可以比较头部104和螺母105的取向，以发现角取向的相对变化，这种相对变化指示松动或扭矩损失。

在图27和28所示的替代实施例中，传感器单元10安装在紧固件组件100附近，以检测紧固件组件100的部件或整体的旋转。结合到本发明的传感器单元10中的接近度传感器可用于检测紧固件组件100的运动。例如，该传感器可以是感应式传感器或涡流传感器，其检测紧固件组件100附近的变化，例如螺栓六角头104相对于结合到传感器单元10的传感器的运动。传感器10安装在紧固件组件100附近并安装在固定表面上(例如由紧固件组件100紧固的接头或接头的一部分)。以这种方式，感应式传感器或涡流传感器测量传感器单元10和六角头104的面之间的距离，并检测由于紧固件组件100或紧固件组件100的某个部件(例如螺栓头104)的运动或旋转而导致的该距离的任何变化。接近度传感器(其可以是光学(例如光流)传感器、磁力传感器或电磁力传感器)之间间隙的变化用于确定紧固件组件100是否已经移动，并且可以设置阈值。高于该阈值将消息中继到中央显示器、计算机或控制器。

传感器单元10还包括配置成感测紧固件组件100的运动的传感器，即光流传感器16或感应式传感器。例如，在实施例中，该传感器配置成感测紧固件组件100的角旋转或轴向运动。传感器单元10结合了用于测量和确定紧固件组件100的角旋转、轴向取向的传感器。传感器单元10测量紧固件的主体相对于螺母105的旋转以及紧固件组件100相对于它所固定的固定接头的旋转。

特别地，图8、9、11、12、13、21、22、27、28和29中所示的传感器单元10的传感器配置成感测紧固件组件100相对于由紧固件组件100所紧固的物体的角旋转或轴向运动。紧固件组件100相对于它所安装的结构的旋转可以指示张力损失，例如，如果螺母105由于腐蚀或退化、由于结构的运动、热膨胀、螺栓103的拉伸或结构的逐渐变薄而卡住。

类似地，为了测量角度并确定螺母105、头部104或紧固件组件100的其他部件的绝对角旋转的变化，传感器单元10可以依赖于WO2018087511中描述的方法来补偿附接到移动参考系(例如船舶、车辆、海上钻井平台或铁路车厢)上的紧固件的运动。以这种方式，传感器单元10可以测量螺母105或头部104或紧固件组件100的其他部件的角旋转变化，并确定相对于移动结构或参考系(例如移动式海上钻井装置(MODU)上的井架)的绝对角度变化。

传感器单元10的传感器可包括光流传感器16。在一些实施例中，紧固件组件100可包括与由紧固件组件100所紧固的物体接合的接合部(例如螺栓头104、垫圈或螺母105)。传感器单元10的安装件可以布置成将传感器单元10刚性地附接到接合部，并且光流传感器16可以配置成感测接合部相对于物体的角旋转。

通常，光流传感器16在检测紧固件组件100或其一部分的角旋转方面更可靠。旋转导致光流传感器16的视场中的表面特征发生更显著的变化。轴向运动仍然可以使用光流传感器16检测到，并且当传感器单元10安装在紧固件组件附近时可以更可靠地检测到，以使得紧固件组件100的轴向运动发生在光流传感器16的视图平面内(例如，在传感器单元10的安装件是图23至25所示类型的情况下)。当安装件具有图14至20所示的类型时(即布置成将传感器单元10安装到接合部上)，紧固件组件100的轴向运动将垂直于光流传感器16的视图平面，因此仅可见为图像的轻微放大或缩小。

图8至11和图18至20示出了包括光流传感器16的传感器单元10的实施例。传感器单元10可以利用光流技术来检测螺栓103、紧固件组件100或螺母105相对于固定表面的角旋转，例如螺母105和螺栓103或螺纹螺钉之间，或螺栓头104相对于它被紧固到其上的表面。光流传感器16是能够测量光流或视觉运动并输出基于光流的测量值的视觉传感器。光流传感器16可用于检测和测量轴、螺纹的角位置或旋转的变化。光流传感器16可以测量轴上的不连续性或粗糙度的运动，或者光流传感器16周围的运动，例如诸如附近的灯的突出特征，或者由于取向的变化而引起的对比度或亮度的变化。CCD或某个其他成像设备将定期拍摄图像，以确定螺钉螺纹或表面相对于紧固件螺母105或头部104移动了多少。光流传感器16可以安装在固定表面上以观察移动表面，或者相反。当表面在光流传感器16下方移动时，可以通过匹配从光流传感器16获得的图像来测量移动量。光流技术广泛用于带有个人计算机的光学鼠标，并开始用于无人机和其他自主飞行器，这归因于通用、廉价、低功耗的光流技术组件和设备的广泛可用性。

在图8、9和11所示的实施例中，光流传感器16或装置检测其所附接的紧固件组件100的部分(例如图8中的头部104和图9中的螺母105)和某个固定表面(例如紧固件组件100周围的刚性结构的螺钉螺纹或固定表面)之间的相对运动。CCD成像设备或某个光学检测设备捕获图像序列并对其进行比较，以测量相对运动。

在图8至图11的实施例中，传感器单元10包括聚焦光流传感器16正在观察的表面的图像的透镜20。位于传感器单元10底部的O形环22可以保护传感器单元10的透镜20和其他内部部件。替代地，传感器单元10可以密封并设置有一个或多个透明窗口，以允许光流传感器16对表面成像。

光流传感器16连接到电路板18，以接收电力并传输来自图像的数据。电路板18可以包括处理器。该处理器用于处理来自光流传感器16的图像，以检测紧固件组件100的松动，并输出表示紧固件组件100的状态的信号。替代地，光流传感器16可以是包含上述处理器的集成包。在图8、9和11的情况下，传感器单元10包括两个光流传感器16和对应的透镜20。使用多个光流传感器16并组合它们的输出可以提高来自处理器的输出信号的可靠性和准确性。例如，可以使用多于两个的光流传感器16，例如三个、四个或更多。然而，这不是必需的，可以使用单个光流传感器16。

光流传感器16可以安装在螺母105、头部104或紧固件组件100的某个固定或移动部件上，并用于测量紧固件组件100的部件的角旋转和/或轴向取向的变化。

光流传感器16可以是在同一管芯上结合了MEMS加速度计、陀螺仪、霍尔效应传感器和处理设备的专用设备。光流传感器16可以结合光源，例如LED或固态激光器，以定期捕获近侧表面的连续图像。紧邻的成像表面可以是螺纹、或垫圈、或固定表面、或销、或刚性结构，并且可以处理该多个连续图像，以确定光流传感器16相对于近侧表面的移动。结合了光流传感器16的传感器单元10可以这种方式确定和测量紧固件组件100的部件的相对运动。由于紧固件组件100的张力的变化可能是非常渐进的，因此图像捕获的周期可能不频繁，间隔长达数周或甚至数月。替代地，可以根据加速度计、陀螺仪或惯性测量单元(IMU)检测到的冲击、振动、运动、磁通量的变化、电导率、pH值或方向变化来动态调整或间歇触发图像捕获频率。

传感器单元10的光流传感器16可用于检测紧固件张力的变化并确认张力满足特定阈值。同样，光流传感器16可用于检测应力、应变或变形的变化。光学传感器可用于监测紧固件组件100的变色和表面质量，作为腐蚀和退化的指示。

传感器单元10的传感器可以包括感应式传感器。在一些实施例中，紧固件组件100包括接合由紧固件组件100所紧固的物体的接合部(例如螺栓头104、垫圈或螺母105)。传感器单元10的安装件可以布置成将传感器单元10刚性地附接或安装到接合部上。在这样的实施例中，感应式传感器可以配置成感测接合部相对于上述物体的轴向运动。在其他实施例中，安装件可布置成将传感器单元10安装在紧固件组件100附近，并且感应式传感器可配置成感测接合部相对于上述物体的角旋转。

一般而言，感应式传感器在检测感应式传感器与另一主体之间的距离变化方面更可靠。因此，当安装件是图14至20所示的类型时(即布置成将传感器单元10安装到接合部上)，紧固件组件100的轴向运动将导致传感器单元10与由紧固件组件100所紧固的物体之间的距离发生变化。这将被感应式传感器更可靠地检测到。然而，紧固件组件100的角旋转不会引起距离的改变，因此检测到的可靠性较低。角旋转的检测仍然是可能的，例如通过在上述物体中产生涡流。当安装件是如图23至25所示的类型时(即，布置成将传感器单元10安装在紧固件组件100附近)，当与螺栓头104或螺母105的面的距离改变时，感应式传感器可以可靠地检测紧固件组件100的角旋转。然而，当到传感器单元10的距离发生非常小的变化时，检测到轴向运动的可靠性将较低。

图12、13、21、22和27至30示出了包括感应式传感器的传感器单元10的实施例。感应式传感器包括感应式传感器电子器件28和线圈30。在一些实施例中，感应式传感器电子器件28可以集成到电路板18中，而不是单独提供。线圈30放置在传感器单元10的表面处。该表面在使用中最靠近由紧固件组件100所紧固的物体的表面。这确保了由于紧固件组件100的任何运动引起的信号变化最大。

感应式传感器可以是接近度传感器。该接近度传感器结合到传感器单元10中并用于检测紧固件组件100的运动。例如，传感器单元10的传感器可以是感应式传感器或涡流传感器，其检测紧固件组件100的接近度的变化，例如螺栓六角头104相对于结合到传感器单元10中的传感器的运动。该传感器单元10安装在紧固件组件100附近并安装在固定表面(例如由紧固件组件100紧固的接头或接头的一部分)上。以这种方式，感应式传感器或涡流传感器测量传感器和六角头104的面之间的距离，并检测由于紧固件组件100或紧固件组件100的某个部件(例如螺栓头104)的运动或旋转导致的上述距离的任何变化。可以是磁力传感器或电磁式传感器的感应式传感器之间的间隙变化用于确定紧固件组件100是否已经移动，并且可以设置阈值。高于该阈值将消息中继到中央显示器、计算机或控制器。在进一步的实施例中，感应式传感器或涡流传感器结合了线圈30，以检测螺栓六角头104或螺母105(或紧固件组件100的某个部件)与感应式传感器线圈30之间的距离或间隙。紧固件组件100的部件(例如螺栓头104或螺母105)的旋转可被检测为紧固件组件100的近侧表面与感应式传感器线圈30的间隙或距离的变化。在图12和13所示的示例中，传感器单元10包括两个感应式传感器。每个感应式传感器包括感应式传感器电子器件28和对应的线圈30。使用感应式传感器并组合它们的输出可以提高来自处理器的输出信号的可靠性和准确性。例如，可以使用多于两个的感应式传感器，例如三个、四个或更多。然而，这不是必需的，可以使用单个感应式传感器。

利用感应式或涡流传感器技术来检测和测量紧固件组件100或紧固件组件100的部件的轴向旋转或位置的变化的优点在于：它不受诸如金属颗粒、腐蚀、污垢、油脂或润滑剂或油漆等污染物的存在的影响。在传感器单元10中使用的感应式传感器技术可以是在受让人的专利EP2338032、EP2713137、GB2506424、GB2506912、EP2574735、GB2495388、US9030212、EP2524061、SG10201501801X、US9587657中公开的那种和在WO2019102222中公开的无线设备，这些专利在此通过引用并入本文。以此方式，可以提供用于监测紧固件组件100和接头的完整性的稳定、稳健的测量解决方案，该解决方案可以在使用中快速改装并在广泛的条件下运行并且不受污染、油脂或污垢的影响。

感应式传感器也可以使用目标/传感器检测方案。例如，传感器单元10可以包括设置在由紧固件组件100所紧固的物体上的目标(例如磁性目标)。在这种情况下，感应式传感器可以检测目标相对于感应式传感器的运动，以检测紧固件组件100相对于物体的运动。

在一些实施例中，传感器单元10的传感器配置成感测紧固件组件100的部件相对于彼此的角旋转或轴向运动。例如，传感器可以检测螺母105相对于螺栓103的运动。这可以使用光流传感器16或感应式传感器来实现。

图10示出了使用光流传感器16来检测紧固件组件100的部件相对于彼此的运动的实施例，在这种情况下是螺母105相对于螺栓103。传感器单元10安装在螺母105上，并且放置光流传感器16，以检测螺栓端部的旋转。替代地，传感器单元10可以安装到螺栓103上，并且放置光流传感器16，以检测螺母105的运动。

感应式传感器还可检测紧固件组件100的部件相对于彼此的运动。多个线圈30可用于检测紧固件组件100上不同位置处的间隙。这种类型的布置的示例示于图30和31中。双线圈30可用于执行间隙变化的差分测量，以使得整体测量不受诸如温度变化之类等环境条件的影响。类似地，双线圈30可结合到传感器单元10中，并用于检测螺栓头104或螺母105或紧固件组件100的某个部件的旋转方向。多个线圈30可用于测量紧固件组件100在紧固件组件100的另一部件、或接头或刚性结构上方的高度和位置。例如，线圈30可用于检测螺柱在螺母105上方的高度，并且该暴露高度的微小变化将指示螺栓的张力损失或拉伸或压力，如图29至31所示。线圈30可以结合到传感器单元10中，以检测紧固件组件100的部件(例如螺栓头104或螺柱)的轴向旋转、旋转方向和高度变化，这指示紧固件组件100的张力损失或拉伸。以这种方式，多个线圈30可以结合到传感器单元10中，以检测并测量紧固件组件100的特性的变化(例如轴向旋转、张力、旋转方向、弯曲、裂纹、刚性或扭转)。多个线圈30可以以不同的方式操作，以确保在各种环境条件下的测量稳定性。

感应式传感器也可以使用目标/传感器检测方案。例如，传感器单元10可以安装在紧固件组件的第一部分(例如螺栓103)上，并且还包括设置在紧固件组件100的第二部分(例如螺母105)上的目标(例如磁性目标)。在这种情况下，感应式传感器可以检测目标相对于感应式传感器的运动，以检测紧固件组件100的第一部分相对于紧固件组件100的第二部分的运动。

在旋转机器或车轮上，安装在紧固件组件100的头部104和螺母105上的两个传感器单元10可被安装，以检测它们的相对而非绝对取向或角旋转的变化，从而检测新生故障或扭矩损失。这种类型的布置示于图24和26中。传感器单元10可以比较头部104和其对应的螺母105的相对取向，以发现头部104和螺母105的相对取向的变化，从而检测紧固件组件100的新生运动和松动。

传感器单元10的示意图在图32中示出。传感器单元10包括传感器40。提供处理器和存储器，以记录测量值并提供用于立管状况的验证和检查的电子日志。该装置结合了处理器和存储器，以执行软件和分析测量并确定状态。在一些实施例中，传感器单元10还包括处理器42。该处理器42布置成处理传感器40的输出，以检测紧固件组件100的松动并输出表示紧固件组件100的状态的信号。处理器42可以包括在电路板18中，或单独提供。

紧固件组件100或紧固件组件100的部件的角度旋转的微小变化可以被检测到，并用于触发紧固件组件100的完整性的新生变化的警告。紧固件组件100的微小变化或旋转即使是十分之一度的角旋转也可能指示新生故障、扭矩降低、裂纹、腐蚀或刚度损失。可以实施阈值来确定状态，例如，如果轴向旋转超过特定的度数或弧度数。同样，传感器单元10可以结合附加的传感器，以测量张力、扭矩、硬度、电导率、腐蚀、磁通量、剪切、应变、测力传感器、压力、倾斜、角取向、变形和振动。

立管1可以另外包括一个或多个位置传感器，以检测立管1的位置。这种位置传感器可以是任何合适的类型，并且可以优选地是低功率传感器(例如MEMS传感器)，其可以例如配置成作为倾角计或加速度计。可以使用的替代类型位置传感器的示例包括：倾斜球传感器；红外线；激光；声学；电容；磁力或霍尔效应传感器。这些传感器可以集成到传感器单元10中，并且这些信号的处理与来自光流传感器或感应式传感器的信号的处理相结合。传感器单元10的位置传感器可以包括诸如GPS模块之类的位置传感器、诸如加速度计和陀螺仪之类的惯性传感器。

传感器单元10可以位于立管段5两端的螺栓处。在这种情况下，这些传感器单元可以监测用于固定相同长度的立管段5的相应端部。在这种情况下，传感器单元10可以成对，或者它们的输出可以组合，以使得如果这些相应的端部(或法兰3a)不同时操作，则传感器单元10检测到异常。例如，如果立管段5已经放置在立管组中，则在立管段5的上端和下端上的两个相应的传感器单元10应该处于接近的位置，并且它们的取向可以用来给出立管段5在立管1中的位置。可以组合并比较“成对”传感器单元10的输出，以检测异常并通过显示器向操作员发出警告。

在一些实施例中，传感器单元10还包括布置成处理传感器40的输出的处理器42和配置成监测紧固件组件100的状况的涡流传感器，处理器42还布置成处理涡流传感器的输出。传感器单元10可以包括涡流传感器。该涡流传感器配置成测量紧固件组件100的电磁特性。图11中示出了这样的实施例的示例。传感器单元10结合了线圈26。线圈26感应地感测金属紧固件组件100，并测量其电导率、磁通量以及紧固件组件100中是否存在腐蚀。传感器单元10还可包括磁体24。线圈可用于耦合穿过紧固件组件100的磁通量，以测量趋势并检测新生腐蚀、裂纹或变形。可以利用涡流感测来检测局部裂纹。线圈26可设计成使其具有第二功能，并可用于与附近设备进行近场通信或RF通信。

传感器单元10可以结合其他状态传感器，以测量紧固件组件100上的冲击、振动和压力。状态传感器可以依靠安装在螺栓头104和表面之间或螺母105和表面之间的压电材料来测量压力。材料压力的变化将指示紧固件组件100的张力的变化并预测新生故障。类似地，可以记录冲击和振动的测量值，并将其与其他测量值(例如轴向取向和角旋转)相关或比较，以预测紧固件组件100的新生故障或操作不符合规范。可选地，传感器单元10还可包括状况传感器。该状况传感器配置成感测紧固件组件100的部件上的压力。传感器单元10可以结合超声波或声学换能器，以测量声速和沿紧固件组件100的主轴的任何反射。以这种方式，超声波或声学传感器技术可用于检测从换能器到螺栓103或紧固件组件100的相对面或端部的脉冲的反射和飞行时间，并测量螺栓103的长度或横截面积的任何微小变化，这些变化与张力、压力和/或腐蚀或裂纹的变化相关。超声换能器可结合到传感器单元10中，并通过帽安装在紧固件组件100的部件上、安装在螺栓头104或六角头上、安装在螺柱上或安装在螺母105或垫圈内。

为了测量立管组件2的状况，可以测量螺栓状况。涡流或感应式传感器可用于基于跨多个频率的磁化率和电导率来测量裂纹、腐蚀、表面质量、点蚀、退化和状况。频移、幅度以及“Q”因子的测量可用于跟踪材料状况的变化。在低频下，趋肤深度可以从一个表面穿过壁穿透到另一个表面。可以以类似的方式测量表面状况和水垢。

传感器单元10可以改装到螺栓头104或螺母105或两者上，并编程以监测头部104或螺栓103或两者的轴向取向，并检测变化并通过控制器和/或用户界面或显示器无线地警告用户，以改变紧固件组件100、螺栓头104、螺母105或紧固件组件100的部件的绝对或相对轴向取向或角取向。传感器单元10可形成与OEM控制系统接口连接的网络。例如，如图32所示，传感器单元10可以与监测系统50通信。因此，可以从监测系统50中的控制器监测关键紧固件的状态、功能、行为、状况或安全性的变化，并用作对操作期间使用的控制、减慢或互锁设备的反馈，以防止因紧固件组件100(例如关键位置处的螺栓或螺母松动)的故障而引起的掉落物体或其他事故。同样，传感器单元10可用于监测关键螺栓或螺钉的状态，并与OEM控制系统(例如监测系统50)连接，并传达紧固件组件100的状态。紧固件组件100状态的变化(例如超过阈值)可用于互锁机械，以确保在紧固组件100被牢固地拧紧或更换之前设备不被操作。根据紧固件组件100的方向调制信号允许提供适合在远程位置使用而无需进行电连接的无线传感器单元10，这是因为可以监测传感器单元10的输出。

安装在紧固件组件100上的多个传感器单元10一起可以形成传感器阵列。来自该传感器单元10阵列的测量值可以组合，以预测结构的故障、状况和行为。来自该传感器单元10阵列的数据可以一起被分析和显示为结构的三维模型。该显示可包括紧固件组件100的扭转、振动和取向。随着时间的推移，测量值可被记录并用于绘制疲劳图，并预测故障、机械损坏或应力集中。这些日志可以与钻井平台或结构的其他活动相关或比较，以记录关键结构、接头、龙门架、起重机、焊缝、螺栓和紧固件组件100在钻孔、震动、完井、振动、强风、波涛汹涌的海浪、风暴、膨胀、升沉、系泊、“粘滑(stick slip)”、钻头卡死、在采矿或钻井过程中使用炸药、水力压裂或井的“摇摆(rocking)”期间的行为。可以结合各种测量值和参数来分析日志，以预测或预料结构或紧固件组件100的故障、状况或使用寿命。来自安装在紧固件组件100上的传感器单元10阵列的这些日志可用于预测和/或检测井架、绞车、起重机、门、吊艇架、舱壁或钻井平台或船只周围其他关键设备的损坏、屈曲、变形、裂纹、退化或疲劳。传感器单元10可以永久地或临时地部署(例如在装配、提升或退役期间)。当与其他数据源(例如天气、导航、立管张力、系泊索张力、钻井深度、压力、“猛烈震动(kick)”、温度、风速等)相关时，模型的输出可包括疲劳部件、紧固件组件100和结构的故障时间或定位。传感器单元10的阵列可以一起形成用于与结构的有限元分析模型进行比较的模型，并且形成用于在某些操作和环境条件下的结构的模态分析的节点。同样，来自传感器单元10阵列的数据可以被记录和分析，以生成用于结构、机器、法兰或关键接头的动态模型。这些阵列以及对所得模型的分析和压力测试可用于获得美国船级社(ABS)、DNV-GL和劳埃德船级社等公告机构的船级批准。

传感器单元10可以结合GPS设备或其他电子定位技术，以确认和跟踪紧固件组件10的状况以及井架中和甲板上或陆地上存放的立管的连接。传感器单元10可以安装在立管组件的关键部件(例如阻流器、下部海洋立管包和压井管线)上。

由在整个部署过程中监测立管的传感器单元10生成的数据或元数据将包括立管螺栓特性，例如传感器ID、立管ID、日期、时间、压力循环次数、立管运动计数、立管浸入计数、传感器信号水平、传感器电池电量、自诊断信息、冲击、振动、位置、角度、速度、加速度、温度、压力、电导率、盐度、磁性、腐蚀、水垢、表面缺陷、表面硬度和表面质量等。可以记录和分析这些数据，以识别不符合规格或可能需要维护或更换的立管。记录的数据可用于将立管包状况与行业标准的要求进行比较，例如按照API标准53、7L、15F、RP160、16R、RP17G和DNV-RP-F206等标准对船用立管包进行维护、监测和检查。可以根据SPS和ABS对定期检查的要求分析传感器单元10记录的历史在五年间隔内的历史和状况。可以分析这些数据，以用于对立管进行基于状况的监测，从而最小化停机时间，并且通过基于立管检查故障的可能性来规划维护，最大化可用性和操作效率。此外，可以将数据日志和元数据提交给制造商、供应商、客户、第三方审计师或监管机构，以验证设备保修、表明安全性能并证明符合最佳实践和法规。最后，作为其维护周期或特殊定期服务的一部分，传感器单元10可以提供数据，用于立管状况的模型或模拟中的分析。事实上，这种管道状况测量值的纵向收集可用作定期无损检测和检查的替代方法，从而节省人工流程和审核成本。

传感器单元10可用于监测除立管1之外的设备，包括钻杆、套管、生产油管、切削工具、井底组件、生产立管、柔性立管和出油管线。来自传感器单元10的数据可用于提供沿立管的完整性，并监测它们的位置、定位、取向和状况，以证明立管是安全的。

传感器单元10可以封装在对钻井液、盐水、水泥、阳光、紫外线辐射、油脂、管道涂料、铁屑和其他碎屑具有抵抗力的合适材料中。有利地，材料可以是化学惰性的PEEK塑料。特别是包含碳的PEEK等级，例如TECAPEEK black和TECAPEEKCF30 black(由英国的Ensinger制造)并且使用Victrex PEEK450G作为基础部件。这些等级的PEEK可被焊接，以密封传感器单元10并提供IP67或IP68防水以及符合IECEx和ATEX标准的认证，以用于易燃环境。

传感器单元10及其安装件(固定构件)可由坚韧、耐用的材料制成，以承受冲击、振动、极端温度、冰、直射阳光、紫外线降解和用超过200Psi的高压水射流清洗。用于制造传感器单元10的外壳和安装件的合适材料包括PEEK、碳纤维、玻璃纤维、PEAK、用碳纤维和其他工程热塑性塑料和复合材料或弹性体增强的PEEK。制造传感器单元10和安装件的材料可以是合适的复合材料，例如碳纤维或玻璃纤维，或塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)，或弹性体，例如橡胶。传感器单元10和安装件还可结合非金属衬里材料，以提供额外的摩擦、完整性和密封，从而防止油和碎屑进入。这些可以结合“o”形环，以提供压力从而适应立管臂尺寸的立管公差，该尺寸可能很宽。传感器单元10中使用的非金属材料可以是已知适合用作石油和天然气应用中的衬里的类型。用于传感器单元10中的非金属衬里的合适材料可以包括但不限于：聚异戊二烯、丁苯橡胶、三元乙丙橡胶、聚氯丁二烯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、‘Viton’或丁腈橡胶。该材料也可以是这些和/或其他材料的混合物。

感测单元10还可以包括电源(例如电池14)。电源可以是本领域已知的能够向传感器单元10(包括传感器和其他部件，例如处理器42和无线通信单元44(下面进一步讨论))提供电力的任何类型的独立电源。例如，电源可以包括电池14、太阳能电池或电容器。电源可任选地包括能量收集装置。该能量收集装置配置成从立管组件2的环境中收集能量。例如，电源可配置成从立管段5的运动、冲击或振动中收集能量。电源可以与传感器单元10一体地提供，或者可移除地附接到传感器单元10上。因此可以提供容易维持长期部署的传感器单元10。集成处理电路可以与光流传感器16一起实现以最小化功耗。

可以使用诸如具有长寿命特性的电池14之类的电源来为传感器单元10供电。电池14在形式上理想地紧凑，并且可以安装在通过安装件而安装到立管臂的传感器单元10内。为了避免频繁更换传感器单元10，理想情况下，电池14将具有足够的容量来为传感器单元10供电数年(例如，SPS之间的五年)数万次上升循环。可选地，所使用的电池14可以是已被选择并配置成持续设备的使用寿命的锂亚硫酰氯电池。电池14可以补充有用于存储和释放电荷的超级电容器，例如用于通过无线电或调制光信号以无线方式广播信息。

传感器单元10能够从诸如电池14之类的远程电源运行延长的时间段。可以利用能量回收来产生电力并补充来自电池14或超级电容器的电力。能量可以从机械噪音、振动、冲击、太阳能、气动管线和加压空气、液压管线或热源和热梯度(例如使用珀耳帖和散热器)中收集。

当传感器单元10安装在立管上时，与安装在立管上的间接感测立管紧固件组件100的传感器相比，该传感器可以是相对简单和低功率的类型。因此，可以提供能够从独立电源运行的廉价的传感器单元10。

在传感器单元10包括处理器42的实施例中，传感器单元10还可以包括无线通信单元44。无线通信单元44布置成从处理器42传送信号。无线通信单元44可以是布置成使用射频电磁(EM)波进行通信的无线电通信接口。无线通信单元44可用于在处理器42的控制下将信号无线传送到监测系统50。

在一些应用中，可能没有无线通信单元44，在这种情况下，来自处理器42的信号可以被记录下来并在以后例如通过有线连接传送。例如，立管段5可以包括用于传输来自处理器42的信号的布线。

无线通信单元44可以与监测系统50通信。监测系统50可以具有与WO2018/007804中公开的用于指板闩锁系统的闩锁的监测系统类似的配置。监测系统50例如在显示器上或可听地向用户提供紧固件组件100的状态的指示。当任何紧固件组件100的状态松动或以其他方式处于危险状态时，监测系统50可以提供警告。

理想地，传感器单元10使用无线通信单元44与接收器(例如监测系统50)无线通信，以控制、收集、分析、趋势和显示来自围绕结构或刚性构件安装、附接或夹在关键紧固件组件100上的多个传感器单元10的数据。传感器单元10可以使用WO2019020972中描述的网络协议进行无线通信。传感器单元10可以通过光学、射频或其他电磁方式进行无线通信。传感器单元10可以结合LED作为视觉指示器，或通过光学方式通过LiFi，或依赖专有或商用协议的RF通信接口，例如蓝牙、低功耗蓝牙(BLE)、LORA、4G、5G、ZigBee或WIFI。光通信可由照相机或光电二极管检测，以检测调制光。LIDAR、飞行时间相机、飞行时间无线电可用于定位传感器单元10并检测它们的取向或行为的粗略变化。替代地，提供依赖于无线电通信的无线通信单元44。

为了进行无线通信，传感器单元10可以利用射频。可选地，可以选择具有不受来自堆放或存放在甲板或院子中的管道和管件的衰减或反射的波长的频率。为了使信号的反射和损失最小化，可以选择波长小于存放时堆放的管件之间的最小间距的射频。该最小间距将由立管段5之间的最小间距确定。具有安装件的传感器单元10的实施例有利地利用具有小于立管之间的最小间距的波长的无线通信频率。所选频率不应干扰船舶通信设备，可选地，所选频率可介于1kHz和3GHz之间。通信频率可以是长波，或者当需要一段立管的定位并远程确定其状况时，其频率适合于长距离传输。可选地，水下通信可以通过超声波换能器进行。信号可以从传感器单元10中继到表面，或经由相邻单元中继。

可以提供无线传感器单元10的网络，以在传感器单元10之间以及彼此之间进行通信，以例如经由监测系统50将用于立管状况和定位的处理和显示的信号中继给操作员。这些传感器单元10与网关通信，以最大化接收和信号覆盖。可选地，这些网关可以位于平台或钻井平台上的四个位置，前、后、左和右舷。另一个收发器安装在司钻室和/或本地设备室(LER)处或附近。司钻室和/或LER处的收发器无线网关是中央收发器，其接收来自传感器单元10和钻井平台周围的网络网关收发器的信号。

此外，传感器单元10用于近场通信(NFC)。NFC功能可用于在没有任何外部接触或开关的情况下打开或关闭完全密封的传感器单元10。NFC可以通过传感器40用于在运输之前将传感器单元10置于休眠或低功率状态，并且在到达时或在安装和投入运行时通过NFC“唤醒”传感器单元10。该一个或多个传感器线圈30可结合用于感测管件和NFC装置或两者的线圈。线圈30可以同心地或彼此相邻地安装在印刷电路板或柔性印刷电路板上。类似地，NFC线圈可用于更新传感器单元10的固件和软件，或在调试期间询问传感器单元10。通过这些方式，可以在制造、组装、运输和存放期间节省电力，准备好在安装时重新激活。同样，通信可以通过RFID、光调制、条形码、二维码、逆反射、无线、无线电、蓝牙、以太网供电等方式进行。

安装件可包括一个或多个光源。因此，光源指向上方。由于立管组件通常是竖直安装的，这意味着它们从上方可见。它还可以使它们保持清洁，降低遮挡输出光的风险。光源可以发射任何合适波段的光，例如红外线、可见光或紫外线。类似地，光源可以用射频无线通信单元44代替或补充。

该一个或多个光源的输出根据由传感器单元10感测到的立管的位置进行调制。调制可以以多种方式实施。在最简单的情况下，光源可以处于对应于立管的两个不同状况、位置和定位(例如角取向、张力、压力、温度、计数等)的开启或关闭状态。替代地，调制可以传达更多信息。例如，点亮的光源的数量可以识别立管段5的位置、或螺栓厚度、或水的盐度、电导率或负载。替代地，调制可以是点亮光源的颜色或闪烁率的变化，以识别立管段5的位置。在另一个实施例中，点亮的光源可以识别出立管段5处于故障状态，并且未点亮的光源可指示立管段5正常运行。因此，可以提供更可靠的立管光源，其清楚地指示立管何时被安全固定或处于正常状态。

根据传感器单元10的输出调制光源允许提供适合在远程位置使用而无需进行电连接的无线传感器单元10，这是因为可以在海底或水面上监测和/或中继光源的输出。

根据立管的位置调制光源允许提供适用于远程(海底)定位而无需进行电连接的无线传感器单元10。光源提供管件完整性的即时指示以及宽带数据，其可以由人监测或通过检测器系统(例如安装在每个传感器单元10上的光电检测器或照相机)远程监测，以将消息中继到表面上，或例如，当立管存放在甲板上时，中继到表面处的照相机。图像处理可用于提供自动化监测。

在一些情况下，根据本文所述的任何实施例的传感器单元10可以与紧固件组件100结合提供或制造。这在诸如传感器单元10集成到紧固件组件100中的情况下是特别有利的，例如集成到螺栓103、头部104或螺母105的空腔中。

图33示出了感测紧固件组件100的状态的方法的实施例的流程图，其中可以使用上述传感器单元10。该方法包括通过传感器感测紧固件组件100的运动的步骤S10。该传感器是刚性附接到紧固件组件100上或附接到紧固件组件100附近的光流传感器16或感应式传感器。该方法进一步包括处理传感器的输出以检测紧固件组件100的松动并输出表示紧固件组件100的状态的信号的步骤S12。最后，图33的方法包括无线传送信号的步骤S14。例如，该信号可以传送到如图32所示的监测系统50。

条款

根据本发明的另一方面，提供了一种用于紧固件组件的传感器单元，该传感器单元包括：传感器，配置成感测紧固件的轴向取向和/或角旋转；以及处理器，根据传感器感测到的紧固件的取向处理传感器的输出。

以下条款定义了本发明的进一步方面：

条款1.一种用于组件的无线传感器单元，所述传感器单元包括：

安装件，用于将所述传感器刚性附接到组件上，

传感器，配置成感测组件的轴向取向、分度和/或角旋转；以及

处理器，根据所述传感器感测到的所述组件的角取向和/或轴向取向处理所述传感器的输出，测量组件的绝对或相对轴向取向和/或角旋转的变化，

确定所述组件的状态，以及用于根据所述组件的方向传输信号的通信电路。

条款2.一种用于紧固件组件的监测单元，所述监测单元包括支撑在所述紧固件上的监测单元，所述传感器单元包括：

传感器，配置成感测所述紧固件组件的至少一个部件的轴向取向；以及

处理器，以及

存储器装置，

空腔，所述监测单元可以安装在所述空腔中。

条款3.根据条款1或2所述的传感器单元可安装在螺栓主体内并由可旋转固定构件固定。

条款4.根据条款1或2的传感器单元可安装在所述紧固件组件的主体内并由弹性构件、环氧树脂或粘合剂固定，

条款5.一种用于紧固件组件组件的紧固件组件，所述紧固件组件具有集成在其中的根据条款1或2所述的传感器单元，其中所述紧固件组件由非金属材料制成

条款6.一种用于紧固件组件组件的紧固件组件，所述紧固件组件安装有根据条款1或2所述的传感器单元，其中所述紧固件组件由塑料、复合材料、层压材料或碳纤维制成，

条款7.一种用于紧固件组件组件的紧固件组件，所述紧固件组件集成有根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中所述传感器单元包含非金属衬里材料，

条款8.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中所述传感器单元无线地通信

条款9.根据条款8所述的传感器单元，其中所述传感器单元利用小于存放安装或堆放的紧固件组件之间的最小间距的波长进行无线通信，

条款10.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中所述传感器单元利用锂亚硫酰氯电池在长时间的操作期间提供电力，

条款11.根据前述条款中任一项所述的传感器单元经由收发器网络进行无线通信，其中所述收发器可安装到井架周围的现有设备上，并与所述传感器单元以及彼此无线地通信，以将来自所述传感器的数据单元中继到中央处理器和显示器

条款12.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中可以组合多于一个传感器单元的输出，以比较多于一个紧固件组件的紧固件组件位置，并检测紧固件组件位置的异常。

条款13.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中传感器单元的输出可以包括以电子方式记录的元数据，包括日期和时间。

条款14.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中记录的数据可以包括传感器标识、紧固件组件部分标识、压力循环次数、浸入次数、表面存储次数、温度、紧固件组件浸入时间、紧固件组件表面的时间、速度、加速度、角度、方向、水盐度、电导率、磁化率、GPS数据、电池电量、信号电平。

条款15.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中所述传感器结合GPS技术，以提供所述传感器单元在所述紧固件组件组件上的位置，

条款16.根据前述条款中任一项所述的传感器单元，其中所述传感器单元可以从紧固件组件臂中的空腔移除并更换。

条款16.根据前述条款中任一项所述的传感器单元可安装在所述紧固件组件的主体上并由支架固定，并结合涡流传感器，以监测紧固件组件状况。

Claims (18)

1.一种用于紧固件组件的传感器单元，所述传感器单元包括：

安装件，布置成将所述传感器单元刚性地附接到紧固件组件上或附接到紧固件组件附近；以及

传感器，所述传感器是光流传感器或感应式传感器，配置成感测所述紧固件组件的运动。

2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，所述传感器单元还包括处理器，所述处理器布置成处理所述传感器的输出，以检测所述紧固件组件的松动，并输出表示所述紧固件组件的状态的信号。

3.根据权利要求2所述的传感器单元，其中，所述传感器单元还包括布置成传送所述信号的无线通信单元。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，所述传感器配置成感测所述紧固件组件的角旋转或轴向运动。

5.根据权利要求4所述的传感器单元，其中，所述传感器配置成感测所述紧固件组件相对于由所述紧固件组件所紧固的物体的角旋转或轴向运动。

6.根据权利要求4所述的传感器单元，其中，所述传感器配置成感测所述紧固件组件的部件相对于彼此的角旋转或轴向运动。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，所述安装件布置成将所述传感器单元刚性地附接到所述紧固件组件。

8.根据权利要求7所述的传感器单元，其中，所述传感器单元安装到所述紧固件组件上。

9.根据权利要求7或8所述的传感器单元，其中，所述紧固件组件包括接合部，所述接合部接合由所述紧固件组件所紧固的物体，并且所述安装件布置成将所述传感器单元刚性地附接到所述紧固件组件的所述接合部。

10.根据权利要求9所述的传感器单元，其中，所述传感器是光流传感器，其配置成感测所述接合部相对于所述物体的角旋转。

11.根据权利要求9所述的传感器单元，其中，所述传感器是感应式传感器，其配置成感测所述接合部相对于所述物体的轴向运动。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器单元，其中，所述安装件布置成将所述传感器单元刚性地附接到所述紧固件组件附近。

13.根据权利要求12所述的传感器单元，其中，所述传感器单元安装在所述紧固件组件附近。

14.根据权利要求12或13所述的传感器单元，其中，所述传感器是感应式传感器，其配置成感测所述接合部相对于所述物体的角旋转。

15.根据权利要求2或从属于权利要求2的任一项权利要求所述的传感器单元，还包括涡流传感器，其配置成监测所述紧固件组件的状况，所述处理器还布置成处理所述涡流传感器的输出。

16.根据前述权利要求中任一项所述的传感器单元与紧固件组件相结合的装置。

17.一种感测紧固件组件的状态的方法，所述方法包括通过传感器感测所述紧固件组件的运动，所述传感器是刚性地附接到所述紧固件组件上或附接到所述紧固件组件附近的光流传感器或感应式传感器。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法还包括处理所述传感器的输出，以检测所述紧固件组件的松动，并输出表示所述紧固件组件的状态的信号，以及无线地传送所述信号。

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