CN114207337A - 监测履带张紧器的挤压压力 - Google Patents

Abstract

用于阻止诸如海底管道之类的细长产品铺设到水中的张紧器系统(60)。该系统包括至少一个环形循环履带(10)和支撑该履带的辊(30)阵列。该阵列的每个辊被安装成围绕各自的轴(34)旋转。轴中的至少一个包括载荷销(40)，该载荷销被布置成感测在垂直于该辊的旋转轴线的方向上施加到环绕辊的载荷。

Description

监测履带张紧器的挤压压力

技术领域

本发明涉及在海底管道从水面船舶安装期间监测由履带式张紧器施加在海底管道上的挤压压力的技术。

本发明将在本说明书中参照海底管道举例说明。然而，原则上，本发明也可用于安装其他细长的海底元件，例如立管或脐带缆。

背景技术

在海底石油和天然气工业中已知各种用于在海上安装刚性和柔性管道的方法，本领域已知的最常见的方法是S型铺设、J型铺设和卷轴铺设。在每种情况下，管道都在自重的张力下作为悬链线悬挂在安装船和海床之间。

悬链线的悬挂重量由船上的一个系统支撑，该系统向管道施加阻止力。通常，阻止系统包括机械接合管道的衬套或挤压管道以摩擦地夹紧管道的夹具或张紧器。在深水中铺设大直径管道时，阻止系统可能承受数百公吨的重量载荷。

本发明特别涉及包括履带张紧器的阻止系统。在这种张紧器中，环形铰接皮带或链轨式履带挤压它们之间的管道以阻止管道的悬挂重量。至少有两条这样的履带在管道上相互对立。具有围绕击发线或管道的发射轴线等角度间隔开的三个或四个履带的张紧器布置也很常见。

在每种情况下，张紧器的履带在与管道的中心纵向轴线相交的纵向延伸平面中转动。这限定了平行于管道延伸的细长界面区域，其中张紧器被向内挤压成与管道的外表面接触。

WO 98/50719举例说明了使用千斤顶系统来移动履带并向管道施加挤压压力。在附图的图1中也示出了类似的布置。图1的左侧示出了由框架或底盘12支撑的张紧器的履带10之一，该框架或底盘通过限定平行四边形连杆的摆臂16连接到支撑结构14。液压缸18，图1中仅示出其中一个，也在支撑结构14和底盘12之间延伸。因此，底盘12可通过液压缸18相对于支撑结构14移动，液压缸18加长以当连杆的臂16一致枢转时移动履带10与管道接合。

由液压缸18施加在底盘12上的力产生由履带10施加在管道上的挤压力。因此，像WO 98/50719中描述的和图1所示的张紧器系统由千斤顶系统的液压缸18在操作期间施加挤压压力以控制张紧器内的载荷来工作。挤压压力由监测和数据采集(SCADA)系统控制。

图1的右侧还显示了沿由履带10限定的界面区域长度的挤压力的典型分布。具体地，纵轴代表在图1的左侧沿履带10上所示界面区域长度的纵向位置。横轴代表界面区域单位长度的挤压力。应注意，挤压力倾向于在平均值20的任一侧变化，从低于界面区域上部的平均值20的值到高于界面区域下部的平均值20的值。

通过管道外表面(通常由管道的聚合物涂层或聚合物外护套限定)与安装在履带10上的垫之间的静摩擦力施加阻止力。垫通常由附从的弹性材料制成以提高它们对管道的抓持。然而，垫可以替代地由刚性材料例如钢制成，在这种情况下，它们可以设置有高摩擦表面结构，例如脊。

承载垫的履带10被驱动以围绕连续的、环状的环件循环以纵向移动管道。在US3739971中公开了典型的履带张紧器。在US 3669329中公开了典型的垫布置并且也在图2中示出。

图2是详细视图，示出了围绕挤压在它们之间的管道22相互相对的两个张紧器履带10。显然，在相应的背板28上支撑垫26的铰接履带元件或链节24的链在沿着界面区域的长度延伸的支撑辊30的阵列上循环。

当从侧面观察时，阵列的交替辊30看起来比阵列的其他散布辊30具有更大的半径。这是因为明显更大半径的辊在其端部具有任选的引导凸缘，如图5和图7中最佳理解的，用于将履带10保持在平面路径上。实际上，所有辊30在它们与履带10支撑接触处具有基本相同的滚动半径。

阵列的辊30由各自的履带体32支撑，作为图1中所示的底盘12的结构的一部分。阵列的辊30在各自的平行轴线上转动，所述平行轴线正交于管道22的中心纵向轴线并且位于与管道22的中心纵向轴线平行的平面中。在FR 2964441中公开了这种辊系统的改进。

阵列的辊30围绕由履带体支撑的相应杆或轴34在平行且共面的轴线上转动。辊30是管状的，每个都限定了中心腔，该中心腔同轴地接收轴34中的一个。轴34由此用作辊30的心轴。

图3是图2的履带10之一的放大图，示出了向内挤压力和向外反作用力之间的平衡。履带10在辊阵列30和垫24之间传递那些力，辊阵列30和垫24与图2所示的管道22形成界面区域。

在广义的结构方面，本发明的张紧器基本上是传统的。实际上，本发明的一个优点是对传统张紧器的最小适应是必要的，并且因此可以容易地改装预先存在的张紧器以根据本发明重新配置。因此，虽然图2和图3显示了本发明张紧器的一些方面，但它们也有助于说明传统张紧器的主要结构特征。

通常，张紧器沿界面区域施加每米履带约一百五十公吨的挤压力。由于一米履带通常由五个辊支撑，因此每个辊通常将承载大约三十公吨的载荷。

保持张紧器和管道之间的静摩擦至关重要。一旦开始，几乎不可能抑制张紧器内以及相对于张紧器的管道滑动。因此，管道的滑动存在对安装船上的人员造成严重伤害的风险，以及对管道和靠近发射线的船舶设备造成灾难性损坏的可能性。

因此，在使用张紧器向管道施加阻止力的情况下，在铺管操作期间要监测的关键参数是：

顶部张力，即悬链线的悬挂重量施加到张紧器上的纵向力或轴向力；以及

张紧器施加的挤压压力，它是管道相对于张紧器的滑动的静摩擦阻力的主要因素。

在现有的张紧器系统中，确认和检查施加到管道上的挤压力所需的所有参数都是通过液压变化以及履带的几何形状和定位间接测量的。甚至管道的外径也只能在施加挤压力期间间接测量。

海底管道安装的张紧器制造商和客户通常指定最大允许挤压力变化为±10％。因此，需要仪表控制系统，它可以连续检查挤压力并预测在操作期间可能需要的任何调整。

如US 3658222中所述，顶部张力和/或挤压压力通常由插入张紧器的框架与其支撑件之间的相应销接口中的一个或两个测力传感器监测。这种测力传感器在本领域中也称为载荷销。替代地或组合地，挤压压力可以通过监测作用在张紧器履带上的千斤顶的液压缸中的液压来测量。

就目前而言，通过US 3658222中描述的方法监测顶部张力和挤压压力是简单而有效的，但它无法提供足够详细的载荷数据以预测所有潜在问题。因此，WO 2018/189567提出了一种替代监测方法，其中测力传感器安装在张紧器履带的一个或多个单独垫中或这些垫的支撑背板中。

每当通过张紧器降低或升高管道时，垫必须围绕履带循环远离然后回到履带和管道之间的界面。因此，每个单独的垫不能总是与管道接触。因此，除非所有或大部分垫或其背板都装有仪器，否则像WO 2018/189567中提出的解决方案不能一致地监测挤压压力。来自垫或背板中的测力传感器的信号也需要无线传送到监测系统。因此，必要的电子设备必须独立安装在每个垫或背板中，与电池一起作为电源。此外，应变计可能难以安装在弹性垫中。所有这些因素都会增加复杂性并降低可靠性。

CN 202056412显示了管道张紧器系统的另一个示例，而CN 201844115显示了用于S铺设型铺管的支撑辊的示例。

发明内容

正是在这种背景下设计了本发明。在某种意义上，本发明提供了一种用于阻止细长产品被放入水中的张紧器系统。该系统包括：至少一个环形循环履带；以及支撑该履带或每个履带的辊阵列，该阵列的每个辊被安装用于在相应的轴上旋转。轴中的至少一个包括载荷销，该载荷销被布置成感测在垂直于该辊的旋转轴线的方向上施加到该阵列的环绕辊上的载荷。

轴由底盘结构支撑，并且该载荷销或每个载荷销相对于底盘结构固定。便利地，这允许该载荷销或每个载荷销硬连线到处理器，该处理器被布置成处理来自载荷销的载荷信号并将处理后的信号输出到张紧器控制系统。类似地，处理器可以与张紧器控制系统集成或硬连线到张紧器控制系统。

该载荷销或每个载荷销适当地在底盘结构的相互隔开的壁之间延伸，并且可以在该辊的相对端处向外突出超过环绕辊和壁之间的界面。在那种情况下，该载荷销或每个载荷销可包括与环绕辊和壁之间的界面对齐的周向凹槽。此外，该载荷销或每个载荷销可包括与环绕辊和壁之间的界面对齐的应变计。例如，应变计可以设置在沿着载荷销纵向延伸的孔中。

作为辅助措施，该履带或每个履带可以安装在框架上，该框架结合了一个或多个附加载荷销，该载荷销被布置为感测施加到框架上的载荷。

本发明的概念还包括在阻止细长产品放入水中时监测张紧器系统的方法。该方法包括感测施加到支撑环形循环履带的至少一个辊上的载荷，载荷沿垂直于该辊的旋转轴线的方向施加。根据本发明，载荷由至少一个载荷销感测，该辊或每个辊安装在该载荷销上以用于旋转。该方法还包括在该辊或每个辊旋转并且该载荷销或每个载荷销与支撑底盘结构保持固定关系的同时推进履带。

剪切力可以通过施加到载荷销的中心部分的力和施加到载荷销的端部的相反的力施加到该载荷销或每个载荷销上。例如，施加到载荷销的中心部分的力可以由环绕辊施加。此外，施加到载荷销的端部的相反力可以通过相互间隔的支撑结构施加，例如与底盘结构一体或固定到底盘结构的壁。

有利地，当该辊或每个辊旋转并且该载荷销或每个载荷销与支撑底盘结构保持固定关系时，履带前进。因此，方便地，可以通过有线连接将载荷信号从该载荷销或每个载荷销传送到处理器。然后，在处理载荷信号之后，可以将处理后的信号输出到张紧器控制系统。处理后的信号也可以通过有线连接输出到张紧器控制系统。

本发明的方法可以包括感测施加到沿履带延伸的多个辊阵列的各个载荷。例如，可以记录各个载荷以确定沿履带的挤压力的分布。还可以记录单个载荷以确定在铺设时通过张紧器系统的产品的外径偏差。

本发明构思延伸至包括本发明的张紧器系统或采用本发明的监测方法的安装船。

本发明提供了系统，该系统可以连续检查张紧器施加到细长产品(例如正在铺设的管道)上的挤压力。该系统可以与采用自由轮模式履带的任何类型的张紧器系统配合使用。

本发明的挤压力控制系统使用反作用力直接测量每个履带长度局部施加到管上的挤压力。通过这种方式，可以自动确定履带对管的压缩效果以及允许的挤压力公差。

本发明在履带系统的背景下运行，该履带系统包括能够围绕底盘的上铸件和下铸件旋转的垫和链节链。在这种情况下，本发明旨在通过监测主要接触点或履带与管之间的界面区域来控制挤压力。为此，本发明采用相对于底盘固定的稳定元件，特别是用作辊的轮轴或心轴的轴向辊销、杆或轴。因此，本发明的原理是通过检查履带体的一个或多个辊所承受的反作用力来测量由挤压缸施加到被夹紧的管上的反作用力。

辊轴是静止的，不旋转；只有辊在轴承的引导下绕辊轴旋转。由夹紧引起的反作用力由履带体或底盘的部件承受，这些部件在相应的孔或轴承中接收辊轴。

本发明可以通过用载荷销代替辊或辊轴来实现，该载荷销被布置成测量法向载荷并且连续监测由张紧器施加的挤压力。如上所述，每个销承受的载荷通常预计在三十公吨的数量级。

可以用根据本发明的载荷销从履带组件的一个辊轴替换为所有辊轴。由载荷销代替的辊轴的数量可能会有所不同。有必要根据此类轴的数量调整计算，以便监测挤压力并向SCADA系统提供输入。

本发明使得能够自动连续地检查挤压载荷公差，并且可以沿着履带长度连续地和直接地测量、检查和控制挤压力。本发明还可以确定挤压力沿履带体的分布。例如，该信息可用于通过测量通过张紧器系统的载荷增量来确定管道外径的偏差。

本发明使监测系统足够灵敏以更精确地测量张紧器极限附近的载荷，包括低于五十公吨的载荷。本发明所允许的灵敏度还有助于监测张紧器的两个或更多个履带之间的对齐，其中一个履带与另一个履带之间不同的载荷可能表明张紧器和/或管道没有正确对齐。

本发明还有助于间接获得从挤压力和张紧器系统的几何形状导出的管道直径读数。

由于辊轴可以固定，因此不会相对于支撑底盘移动，代表挤压力的信号可以通过电线或电缆传送，而不是依赖WiFi或其他无线通信。类似地，从单一来源向固定辊轴提供电力也很简单，而不是使用多个单独的电池。然而，无线通信仍然是可能的并且不排除在本发明的范围之外。

如上所述，根据本发明，可以容易地改装预先存在的张紧器以重新配置。改装只需将一个或多个辊轴更换为相同尺寸的载荷销，在每个履带体附近安装额外的载荷控制系统电缆或WiFi，然后定制SCADA系统，使该系统能够监测载荷销感测到的载荷。

本发明的实施方案实施了在管铺设操作期间监测履带张紧器的方法，该方法包括：在每个履带的辊的轴中安装至少一个载荷销；以及监测载荷销测量的值。

本发明的实施方案还提供用于管铺设张紧器的监测系统，该系统包括每个履带至少一个仪表化辊，该或每个仪表化辊包括在其轴中的载荷销。

载荷销可以通过电缆或无线方式与控制系统通信。控制系统可以是提供自动挤压压力调节和警报的张紧器控制系统。为了本发明的目的，可以采用与它所替代的辊轴相同尺寸的商用载荷销。

附图说明

为了将本发明置于其上下文中，已经参考了附图的图1至图3，其中：

图1是由底盘支撑的传统张紧器履带的示意性侧视图，底盘通过液压缸安装到支撑结构，并且还包括典型的沿履带长度的挤压力分布图；

图2是本发明的张紧器的相对张紧器履带的示意性详细侧视图，示出了在它们各自的一系列垫之间夹紧管道；以及

图3是图2中所示的张紧器履带之一的示意性放大细节图，示出了通过垫和支撑辊作用在履带上的载荷和反作用力。

为了可以更容易地理解本发明，现在将通过示例的方式参考附图的其余部分，其中：

图4是与图3对应的立体图；

图5是与图4对应的局部剖视分解立体图；

图6是与图5对应的分解透视图，但显示了辊的进一步细节；

图7是根据本发明的围绕载荷销的辊之一的纵向剖视图；

图8是图7的辊内的载荷销的示意侧视图，载荷销连接到感测和控制电路；

图9是张紧器的透视图，示出了辅助载荷销的可能位置。

具体实施方式

现在参考附图的图4至图6，张紧器包括支撑辊30阵列的履带体32。该阵列的辊30进而支撑包括铰接链节24的链的履带10，每个铰接链节24具有支撑相应垫26的背板28。

本发明可与各种张紧器履带设计一起使用，这取决于所铺设的细长产品的直径及其刚度、结构和组成，特别是管道是刚性的还是柔性的。例如，V形垫组件是常见的并且可以是每个背板上离散或独特垫的替代，其中每个背板在相交平面上承载两个垫。

阵列的辊30围绕用作心轴的相应销、轮轴或轴34在平行且共面的轴线上转动。辊30是管状的，每个都限定了中心腔，该中心腔同轴地接收轴34中的一个。图6以轮廓示出辊30中的交替辊30以示出在它们内延伸的轴34。

从图4和图6中可以看出，轴34在其相对端部由履带体32的相互间隔开的平行壁36支撑。轴34相对于壁36正交地延伸以桥接壁36之间的间隙。图5和图6示出了壁36中的每一个被对应的孔38阵列穿透，孔38用作接收轴34的相应端部的承窝。

壁36在此以与履带体32一体的连续壁36为例。然而，壁可以被间隙中断以形成纵向连续的壁段或壁部分，每个壁段或壁部分支撑轴34的一端或两端。此外，壁段可以是固定到履带体32的分立部件。

每个轴34的长度稍微超过履带体32的壁36之间的间距。因此，每个轴34的每个端部装配到壁36中的相应孔38中并延伸穿过它们。

图7示出，根据本发明，轴34中的至少一个可包含载荷销40或由载荷销40代替。

载荷销40相对于履带体32固定，使得相关联的辊30围绕载荷销40并相对于载荷销40转动。因此，载荷销40的形状关于中心纵向轴线42旋转对称，中心纵向轴线42也用作围绕载荷销40的辊30的旋转轴线。

载荷销40是圆柱形的，沿其长度具有恒定的圆形横截面，在垂直于中心纵向轴线42的平面中在载荷销40的端部内侧围绕载荷销40的周向凹槽44除外。载荷销40的中央部分40A，在凹槽44的内侧，在履带体32的平行壁36之间延伸并支撑环绕辊30。

载荷销40的长度超过履带体32的平行壁36之间的间距。载荷销40的从环绕辊30的相对端部伸出的端部40B，在凹槽44的外侧，纵向向外延伸穿过壁36中的孔38并且通过承窝结构46固定到履带体32上。

载荷销40的凹槽44与壁36的内侧和辊30的外端之间的界面纵向对齐。凹槽44限定剪切平面并且在正交于或法向于中心纵向轴线42的方向上集中在使用中作用在载荷销40上的剪切力。这些剪切力是由经由履带体的壁36作用在载荷销40的端部40B上的挤压力和经由环绕辊30作用在载荷销40的中心部分40A上的相应反作用力产生的。

窄孔48纵向延伸穿过载荷销40，以中心纵向轴线42为中心。孔48容纳与凹槽44纵向对齐的应变计50。应变计50被定位和布置成感测围绕凹槽44的载荷销40的剪切变形，并因此产生指示由该特定辊30施加的挤压力的载荷信号。

图8示出了将载荷销40的应变计50连接到处理器54以处理来自应变计50的载荷信号的电路52。处理器54将处理后的信号输出到张紧器控制系统56，张紧器控制系统56继而响应这些信号和/或向系统监控器提供相应的输出，例如显示和警报。电路52还包括电源58，其为处理器54供电并在应变计50两端施加电压。有利地，应变计50可以硬连线到电路52的其他部件，因为当辊30围绕载荷销40旋转时载荷销40可以保持静止。电路52的其他部件也可以彼此硬连线或者信号可以通过无线方式在它们之间进行通信。

便利地，辊阵列30的两个或更多个载荷销40的应变计50可以将信号馈送到单个处理器54。

最后转向图9，这示出了具有相互相对的成对的四个履带10的张紧器系统60，履带10围绕垂直发射线等角度地间隔开。一个或多个履带10可在其支撑辊30的阵列中配备有至少一个载荷销40，如上所述。

履带10由框架62支撑。图9中的圆圈显示了可能的位置，在这些位置可以将附加销安装在框架62上以提供替代的载荷测量，用于验证或核验总挤压力的目的。

可采用框架62上的诸如这些的辅助锁定和反作用销来测量挤压力，并用于替代确认目的。特别地，从辅助销获取载荷测量值可用于验证使用上述方法获取的载荷测量值，该方法涉及放置在支撑辊30内的载荷销40。

Claims (18)

1.用于阻止细长产品放入水中的张紧器系统，该系统包括：

至少一个环形循环履带；以及

支撑该履带或每个履带的辊阵列，该阵列的每个所述辊被安装成用于在各自的轴上旋转；

其中：至少一个所述轴包括载荷销，该载荷销被布置成感测在法向于该辊的旋转轴线的方向上施加到该阵列的环绕辊上的载荷；

所述轴由底盘结构支撑；并且

所述载荷销或每个载荷销相对于所述底盘结构固定。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述载荷销或每个载荷销在所述底盘结构的相互隔开的壁之间延伸并且在所述辊的相对端处向外突出超过所述环绕辊与所述壁之间的界面。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述载荷销或每个载荷销包括与所述环绕辊与壁之间的界面对齐的周向凹槽。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的系统，其中，所述载荷销或每个载荷销包括与环绕辊与壁之间的界面对齐的应变计。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述应变计设置在沿所述载荷销纵向延伸的孔内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述载荷销或每个载荷销硬连线到处理器，所述处理器被布置成处理来自所述载荷销的载荷信号并将处理后的信号输出到张紧器控制系统。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述处理器与所述张紧器控制系统集成或硬连线至所述张紧器控制系统。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述履带或每个履带安装在框架上，所述框架结合了一个或多个附加载荷销，所述附加载荷销被布置为感测施加到所述框架的载荷。

9.在阻止细长产品放入水中时监测张紧器系统的方法，该方法包括：

感测施加到支撑环形循环履带的至少一个辊上的载荷，该载荷沿法向于该辊的旋转轴线的方向施加，其中所述载荷由至少一个载荷销感测，该辊或每个辊安装在该载荷销上以用于旋转；并且

当该辊或每个辊旋转并且该载荷销或每个载荷销与支撑底盘结构保持固定关系时推进所述履带。

10.根据权利要求9所述的方法，包括通过施加到所述载荷销的中心部分的力和施加到所述载荷销的端部的相反的力向所述载荷销或每个载荷销施加剪切力。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，施加到所述载荷销的中心部分的力由所述环绕辊施加。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，施加到所述载荷销的端部的相反的力由相互隔开的支撑结构施加。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括通过有线连接将载荷信号从所述载荷销或每个载荷销传送到处理器，处理所述载荷信号并将处理后的信号输出到张紧器控制系统。

14.根据权利要求13所述的方法，包括通过有线连接将处理后的信号输出到所述张紧器控制系统。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，包括感测施加到沿所述履带延伸的多辊阵列的各个载荷。

16.根据权利要求15所述的方法，包括记录各个载荷以确定沿着所述履带的挤压力的分布。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的方法，包括记录各个载荷以确定在铺设时穿过所述张紧器系统的产品的外径偏差。

18.安装船，包括根据权利要求1至8中任一项所述的张紧器系统或采用根据权利要求9至17中任一项所述的监测方法。

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