CN114962944B - 一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋装备领域，旨在提供一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置。该装置包括：主体机构、行走机构、抱紧机构和表面测绘机构；其中，主体机构包括主体框架，在其两侧分别设置导轨；行走机构包括两组伸缩机构，且对称地设置在主体框架的首尾两端；伸缩机构包括行走机构支架、行走伸缩油缸、抱紧伸缩油缸和抱箍头；行走机构支架的两侧导向座，所述导轨分别穿过对应的导向孔；抱紧机构至少包括六根抱紧支柱，对称地设置在主体框架和行走机构支架的两侧且竖直向下；表面测绘机构包括轴向位移机构、转盘机构和检测探头。本发明通过抱紧装置极大地增大了工程装备与海底管道结合的稳定性，适用于海流速度快的海域。

Description

一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置

技术领域

本发明涉及海洋装备领域，更具体地说，本发明涉及一种适用于复杂海域的水下三维高精快速检测装置。

背景技术

随着海洋石油资源的进一步开发，海洋将成为未来石油增产的主要来源，对相应的技术需求也越来越大。海底管道是海洋油气开发中不可或缺的组成部分。然而，海底管道地处环境恶劣的海底，一方面其承受着内部较高的温度和压力载荷作用，另一方面，外部承受着较低的温度载荷、静水压力以及波浪海流等动长期作用。因而，海底管道在服役过程中无法避免损伤累积、变形屈曲等情况的发生，从而引发事故。为此，需要定期进行海底管道的检测与修复工作。

对于海底管道的修复，目前采用的主要方法包括如下几大类，有纤维复合材料方法、套筒方法、焊接方法及夹具方法。当管道出现机械损伤，如凹坑等或者管道上点腐蚀比较严重，超过2/3的管道壁厚时便通常采用夹具修复的方案。采用夹具修复的方案，需要对修复段进行精准的外形测绘作业，重构出管道表面的三维外形，以便进行夹具的定制。

从检测的位置来区分，海底管道检测作业包括管内检测和管外检测。管内检测在管道内壁进行检测，常用的内检测方式为漏磁检测、电涡流检测、机械检测，可获取管道内壁腐蚀损伤、内壁裂纹、壁厚、椭圆度等信息。然而内检测技术很少能准确的描述出管道外壁的变形缺陷，难以据此进行夹具的定制作业。管外检测是在管道外部进行检测。现有的管道缺陷检测的技术有MEC组合式管道扫描器、Impresub公司的SUBSEA PEC系列探测系统、Oceaneering公司的Magna检测系统、Tracerco的Discovery海底管道检测装置等；但这些检测技术通常适用于水流速度小、能见度高的水域，难以解决急流速下工程装备与海底管道结合的稳定性问题，以及高含沙量对检测精度的影响，对于海况复杂、海流速度快、能见度极低的海域则不适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置，包括：主体机构、行走机构、抱紧机构和表面测绘机构；其中，

主体机构包括主体框架，在其首尾两端分别设置开口向下的支撑腿，在主体框架的两侧分别设置导向座；两根导轨分别穿过导向座上的导向孔，且与主体框架的对称中轴线保持平行；

行走机构包括两组伸缩机构，且对称地设置在主体框架的首尾两端；伸缩机构包括行走机构支架、行走伸缩油缸、抱紧伸缩油缸和抱箍头；行走伸缩油缸平行于主体框架的对称中轴线布置，其两端分别连接主体框架和行走机构支架；抱紧伸缩油缸垂直向下地安装在行走机构支架的下方，另一端装有抱箍头；行走机构支架的两侧分别设置具有导向孔的导向座，所述导轨分别穿过对应的导向孔；

抱紧机构至少包括六根抱紧支柱，对称地设置在主体框架和行走机构支架的两侧且竖直向下；每根抱紧支柱上装有一组抱紧组件，抱紧组件包括抱紧伸缩油缸、抱箍板和抱箍头；抱箍板的一端活动铰接于抱紧支柱的下端，另一端装有抱箍头；抱紧伸缩油缸的一端连接抱紧支柱的上端，另一端连接抱箍板；

表面测绘机构包括轴向位移机构、转盘机构和检测探头；轴向位移机构安装在主体框架的下方，由丝杠和丝杠驱动电机组成；转盘机构包括转盘驱动电机、转盘固定件和转盘活动件，转盘固定件呈开口圆环形，转盘活动件活动嵌装在转盘固定件上；在丝杠上装有能随丝杠旋转而位移的悬吊支架，悬吊支架的顶端卡装在平行于丝杠的滑轨中，转盘固定件和转盘驱动电机安装在悬吊支架上；在转盘活动件上装有检测探头，转盘驱动电机能驱动转盘活动件在转盘固定件上绕圆心转动，从而使检测探头绕圆周进行位移。

作为本发明的优选方案，所述主体机构还包括以箍条固定在主体框架上的浮力块，箍条的顶端设有吊环。

作为本发明的优选方案，所述主体机构还包括固定在主体框架上的螺旋桨、探照灯和摄像头；所述螺旋桨有两个且水平安装，两者的转动轴垂直相交。

作为本发明的优选方案，所述伸缩机构中有一个行走伸缩油缸，且布置在主体框架的对称中轴线上。

作为本发明的优选方案，所述行走机构支架与抱紧支柱共同组成门字形的一体式结构，所述导向座设于两个直角端部；行走伸缩油缸和抱紧伸缩油缸均位于主体框架的对称中轴线上。

作为本发明的优选方案，所述主体框架上设有2组或4组抱紧支柱与抱紧组件；当数量为2组时，对称地设于主体框架的中部；当数量为4组时，分别设于主体框架的两端。

作为本发明的优选方案，所述转盘活动件为弧形齿条，转盘驱动电机的输出轴末端装有齿轮，两者相互啮合。

作为本发明的优选方案，在主体框架首尾两端的支撑腿上设有相对布置的安装孔，安装孔中设有轴承；所述丝杠的一端固定于轴承中，另一端穿过轴承后与丝杠驱动电机的输出端相连；丝杠驱动电机的安装支座与主体框架固定连接。

作为本发明的优选方案，所述抱箍头的内侧表面具有与海底管道表面相配合的凹陷形状，且附着了橡胶贴面层。

作为本发明的优选方案，所述行走机构支架的顶部设有姿态传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过抱紧装置极大地增大了工程装备与海底管道结合的稳定性，适用于海流速度快的海域。

2、本发明通过轴向位移机构与转盘机构可精确地提供检测器的周向坐标，并通过导轨准确限制转盘机构的轴向位移进而精准提供检测器的轴向坐标，通过检测器轴向坐标与周向坐标的检测极大地提高了检测精度。

附图说明

图1为本发明中快速检测装置的整体结构示意图；

图2为主体机构的结构示意图；

图3为表面测绘机构的结构示意图；

图4为抱紧机构的结构示意图；

图5为行走机构的结构示意图。

图中的附图标记为：1主体机构，1-1吊环，1-2浮力块，1-3支撑腿，1-4螺旋桨，1-5主体框架，1-6探照灯，1-7摄像头，2表面测绘机构，2-1轴向位移机构，2-2转盘机构，2-3检测探头，3抱紧机构，3-1抱紧伸缩油缸，3-2抱箍头，3-3抱紧伸缩油缸，3-4抱箍板，3-5抱箍头，4行走机构，4-1行走伸缩油缸，4-2行走机构支架，4-3导向孔，4-4导轨，4-5行走机构支架，4-6行走伸缩油缸，4-7姿态传感器，5海底管道。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例详细地描述本发明的技术方案。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1所示，本发明中适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置，包括：主体机构1、行走机构4、抱紧机构3和表面测绘机构2。主体机构1用于执行海底管道外检测装置的下放作业与承载功能。表面测绘机构2用于对海底管道5表面进行精准测绘，抱紧机构3用于实现装置对海底管道5的抱紧，确保能在海况复杂、流速急的施工区域稳定地进行测绘作业。行走机构4用于实现本装置在海底管道5上能够沿轴向方向的移动。

如图2所示，主体机构1包括主体框架1-5，在其首尾两端分别固定设置开口向下的倒Y字形状的支撑腿1-3，在主体框架1-5的两侧分别设置具有导向孔4-3的导向座；两根导轨4-4分别穿过导向孔4-3，且与主体框架1-5的对称中轴线保持平行；主体机构1还包括以箍条包围方式固定在主体框架1-5上的浮力块1-2，在箍条的顶端设有吊环1-1。主体框架1-5上固定设有螺旋桨1-4、探照灯1-6和摄像头1-7，螺旋桨1-4有两个且水平安装，两者的转动轴垂直相交。主体框架1-5用于承载和支撑作用；浮力块1-2用于在吊放过程中平衡整个装置的重力，以提高安全性与可靠性；支撑腿1-3用于装置与海底管道5对接时的支撑与导向作用，以保证本发明在与海底管道5对接的准确性；螺旋桨1-4用于在吊放过程中辅助推进以准确吊放到指定位置；探照灯1-6与摄像头1-7用于检测作业时照明与检测作业。

如图3所示，表面测绘机构2包括轴向位移机构2-1、转盘机构2-2和检测探头2-3；轴向位移机构2-1安装在主体框架1-5的下方，由丝杠和丝杠驱动电机组成；转盘机构2-2包括转盘驱动电机、转盘固定件和转盘活动件，转盘固定件呈开口圆环形，转盘活动件活动嵌装在转盘固定件上；在丝杠上装有能随丝杠旋转而位移的悬吊支架，转盘固定件和转盘驱动电机安装在悬吊支架上；在转盘活动件上装有检测探头2-3，当转盘驱动电机驱动转盘活动件在转盘固定件上绕圆心转动时，检测探头2-3能随之绕圆周进行位移。可选地，转盘活动件为弧形齿条，转盘驱动电机的输出轴末端装有齿轮，两者相互啮合。可选地，在主体框架1-5首尾两端的支撑腿1-3上设有相对布置的安装孔，安装孔中设有轴承；丝杠的一端固定于轴承中，另一端穿过轴承后与丝杠驱动电机的输出端相连；丝杠驱动电机的安装支座与主体框架1-5固定连接。悬吊支架具有通孔，通孔内设有与丝杠表面啮合的齿，悬吊支架顶端卡装在平行于丝杠的滑轨中，滑轨的两端可选地固定在两个支撑腿1-3之间。检测探头2-3用于检测海底管道5的表面状况，可选超声或者激光类型的检测探头，能适应一定程度的浑水检测。转盘机构2-2能带动检测探头2-3沿海底管道5的表面进行周向移动，进而实现对管道表面及横向截面的扫描，并能在移动过程中精准控制检测探头2-3的位置。轴向位移机构2-1可实现转盘机构2-2沿海底管道5的轴向位移，并可以精准控制转盘机构2-2的轴向位置。

如图4所示，抱紧机构3至少包括六根抱紧支柱，对称地设置在主体框架1-5和行走机构支架4-2(4-5)的两侧且竖直向下；每根抱紧支柱上装有一组抱紧组件，抱紧组件包括抱紧伸缩油缸3-3、抱箍板3-4和抱箍头3-5；抱箍板3-4的一端活动铰接于抱紧支柱的下端，另一端装有抱箍头3-5；抱紧伸缩油缸3-3的一端连接抱紧支柱的上端，另一端连接抱箍板3-4。可选地，行走机构支架4-2(4-5)与其抱紧支柱共同组成门字形的一体式结构。可选地，主体框架1-5上设有2组或4组抱紧支柱与抱紧组件；当数量为2组时，对称地设于主体框架1-5的中部；当数量为4组时，分别设于主体框架1-5的两端。

如图5所示，行走机构4包括两组伸缩机构，且对称地设置在主体框架1-5的首尾两端；每组伸缩机构包括行走机构支架4-2(4-5)、行走伸缩油缸4-1(4-6)、抱紧伸缩油缸3-1和抱箍头3-2。行走机构支架4-2的顶部设有姿态传感器4-7，两侧分别设置具有导向孔4-3的导向座，导轨4-4分别穿过对应的导向孔4-3；行走伸缩油缸4-1(4-6)布置在主体框架的对称中轴线上(或平行于主体框架1-5的对称中轴线布置)，其两端分别连接主体框架1-5和行走机构支架4-2(4-5)；抱紧伸缩油缸3-1垂直向下地安装在行走机构支架4-2(4-5)的下方，另一端装有抱箍头3-2。导轨4-4用于确保装置仅沿海底管道5的轴向前行，而在其他方向不产生位移；姿态传感器4-7用于监测装置在下放与行进时的姿态。

在抱紧机构3和行走机构4中，抱箍头3-5、3-2的内侧表面可选地具有与海底管道5表面相配合的凹陷形状，且附着了橡胶贴面层，用于增加接触面积和摩擦力。每一组相对设置的抱紧组件的两个抱箍头3-5之间的间距应小于海底管道5的最大直径，且两者连线应位于海底管道5对称中轴线的下方。抱紧伸缩油缸在抱紧机构3和行走机构4中都有应用。在抱紧机构3中是由竖向的抱紧伸缩油缸3-1，与两个抱紧支柱上的抱紧组件共同形成三角形夹持作用。在行走机构4中，是由开口向下的支撑腿1-3与两个(或四个)抱紧支柱上的抱紧组件共同形成三角形夹持作用。

本发明所述装置的使用方法示例如下：

(1)吊放作业：

船舶驶至施工海域后，将船上吊机的吊钩锁死在吊环1-1，逐渐下放装置至海底。下放过程中通过姿态传感器4-7监测装置姿态，并通过控制螺旋桨1-4辅助调整装置的位置与姿态。

(2)对接作业：

当装置被吊放至海底管道5的正上方时，所有抱紧组件执行放松动作；继续向下吊放，并通过螺旋桨1-4和支撑腿1-3对装置进行导向，直至两个支撑腿1-3完全停靠在海底管道5上。然后，所有抱紧组件执行抱紧动作抱紧海底管道5，以免水流对装置产生影响。

(3)测绘作业：

轴向位移机构2-1动作，将转盘机构2-2移动至最前端。转盘机构2-2动作，带动检测探头2-3绕海底管道5表面的周向进行转动，对海底管道5的某一小段完成测扫。然后轴向位移机构2-1动作，带动转盘机构2-2沿海底管道5轴向位移一定距离。转盘机构再次2-2动作，带动检测探头2-3绕海底管道5表面周向进行转动，对海底管道5另一小段完成测扫。重复上述操作，直至完成整段海底管道5的扫描作业。

(4)行进作业：

当针对某段管道完成扫描测绘后，在抱紧机构3和行走机构4的配合下，实现依次抱紧、放松管道的操作，以便使装置在管道上行进。

(4.1)行走机构支架4-2和4-5上的抱紧伸缩油缸3-1、3-3收缩，抱紧管道；(4.2)主体框架1-5两侧的抱紧伸缩油缸伸长，放松管道；(4.3)行走机构支架4-2上的行走伸缩油缸4-1收缩，同时行走机构支架4-5上的行走伸缩油缸4-6伸长，两者配合带动主体框架1-5及所搭载的组件向行走机构支架4-2靠近；(4.4)主体框架1-5上的抱紧伸缩油缸收缩，抱紧管道；(4.5)行走机构支架4-2和4-5上的抱紧伸缩油缸伸长，放松管道；(4.6)行走机构支架4-2上的行走伸缩油缸4-1伸长，同时行走机构支架4-5上的行走伸缩油缸4-6收缩，使两个行走机构支架沿管道同步移动；重复执行步骤(4.1)-(4.6)，整个装置即可在海底管道上实现类似蠕虫爬行动作的移动。

(5)回收作业：

所有抱紧组件执行放松动作后，船上吊机向上收起吊缆，装置与海底管道5脱离。回收过程中通过姿态传感器4-7监测装置的姿态，并通过控制螺旋桨1-4辅助调整装置的位置与姿态。

Claims (9)

1.一种适用于复杂海域的海底管道三维高精快速检测装置，其特征在于，包括：主体机构、行走机构、抱紧机构和表面测绘机构；其中，

主体机构包括主体框架，在其首尾两端分别设置开口向下的支撑腿，在主体框架的两侧分别设置导向座；两根导轨分别穿过导向座上的导向孔，且与主体框架的对称中轴线保持平行；

行走机构包括两组伸缩机构，且对称地设置在主体框架的首尾两端；伸缩机构包括行走机构支架、行走伸缩油缸、抱紧伸缩油缸和抱箍头；行走伸缩油缸平行于主体框架的对称中轴线布置，其两端分别连接主体框架和行走机构支架；抱紧伸缩油缸垂直向下地安装在行走机构支架的下方，另一端装有抱箍头；行走机构支架的两侧分别设置具有导向孔的导向座，所述导轨分别穿过对应的导向孔；

抱紧机构至少包括六根抱紧支柱，对称地设置在主体框架和行走机构支架的两侧且竖直向下；每根抱紧支柱上装有一组抱紧组件，抱紧组件包括抱紧伸缩油缸、抱箍板和抱箍头；抱箍板的一端活动铰接于抱紧支柱的下端，另一端装有抱箍头；抱紧伸缩油缸的一端连接抱紧支柱的上端，另一端连接抱箍板；

表面测绘机构包括轴向位移机构、转盘机构和检测探头；轴向位移机构安装在主体框架的下方，由丝杠和丝杠驱动电机组成；转盘机构包括转盘驱动电机、转盘固定件和转盘活动件，转盘固定件呈开口圆环形，转盘活动件活动嵌装在转盘固定件上；在丝杠上装有能随丝杠旋转而位移的悬吊支架，悬吊支架的顶端卡装在平行于丝杠的滑轨中，转盘固定件和转盘驱动电机安装在悬吊支架上；在转盘活动件上装有检测探头，转盘驱动电机能驱动转盘活动件在转盘固定件上绕圆心转动，从而使检测探头绕圆周进行位移；

在主体框架首尾两端的支撑腿上设有相对布置的安装孔，安装孔中设有轴承；所述丝杠的一端固定于轴承中，另一端穿过轴承后与丝杠驱动电机的输出端相连；丝杠驱动电机的安装支座与主体框架固定连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体机构还包括以箍条固定在主体框架上的浮力块，箍条的顶端设有吊环。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体机构还包括固定在主体框架上的螺旋桨、探照灯和摄像头；所述螺旋桨有两个且水平安装，两者的转动轴垂直相交。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述伸缩机构中有一个行走伸缩油缸，且布置在主体框架的对称中轴线上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行走机构支架与抱紧支柱共同组成门字形的一体式结构，所述导向座设于两个直角端部；行走伸缩油缸和抱紧伸缩油缸均位于主体框架的对称中轴线上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主体框架上设有2组或4组抱紧支柱与抱紧组件；当数量为2组时，对称地设于主体框架的中部；当数量为4组时，分别设于主体框架的两端。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转盘活动件为弧形齿条，转盘驱动电机的输出轴末端装有齿轮，两者相互啮合。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抱箍头的内侧表面具有与海底管道表面相配合的凹陷形状，且附着了橡胶贴面层。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述行走机构支架的顶部设有姿态传感器。

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