CN115248092A - 用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法，其中，传感装置包括壳体、差分式压力传感器、传感探头和连通管；本发明的有益技术效果是：提出了一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法，该方案能够消除深海水体引起的背景静压力对检测信号的影响，使我们能够在深海高水压条件下测量微小剪切应力。

Description

用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法

技术领域

本发明涉及一种深海管道安全监测技术，尤其涉及一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法。

背景技术

随着海洋经济开发逐渐向深海迈进，对深海结构物监测需求不断增加，典型的应用场景如：深海的油气管道，油气开采平台FPSO及其所应用的钢悬链线立管（SCR），深海或远海风电平台所应用的水下电缆等；在洋流、恶劣天候等因素影响下，铺设在海底的管路可能会逐渐发生漂移（比如，有些管路是沿直线铺设的，在洋流长期作用下，管路可能会漂移成S形），最终导致管路破损；管路发生漂移时，会与海底发生位移，通过检测海底对管路的剪切应力即可实现漂移监测，因此，有必要对深海管路所受海底剪切应力进行监测。

现有技术中，针对深海环境下的管路安全监测，常见的手段有ROV定期巡检和光纤传感两种。ROV定期巡检虽然不需要基础设施建设，但是无法实现在线实时监测，并且后期人工及运维成本高；光纤传感虽然能实现在线实时监测，但是建设及设备成本高，更重要的是，光纤传感系统受振动影响大，无法在动态环境下准确测量剪切应力，而且易受水下的洋流内波影响，误报率高。

陆上使用的剪切力测量手段主要是以压电材料或者应变材料为主，然而，在高静压力的深海，陆上检测手段会受背景水压力的影响，无法测量微小的应力。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置，其创新在于：所述传感装置包括壳体、差分式压力传感器、传感探头和连通管；

所述差分式压力传感器封装在壳体内；

所述传感探头由传感硬管和导压管组成；所述传感硬管由主管和多个感应头构成；所述主管为单端口管，主管的端口与导压管的外端口连接；主管轴向水平设置时，感应头设置在主管的下侧面上，感应头轴向与主管径向平行，感应头内设空腔且与主管内腔连通，多个感应头在主管下侧面上按阵列形式分布；主管上侧面记为安装面；

导压管的内端口与差分式压力传感器的第一输入口连通；传感硬管置于壳体外；

传感硬管和导压管内填充有液态导压介质；壳体上设置有与导压管匹配的第一通过孔，导压管中部通过连接器一与第一通过孔连接；

所述连通管的内端口与差分式压力传感器的第二输入口连通，连通管的外端口置于壳体外；壳体上设置有与连通管匹配的第二通过孔，连通管中部通过连接器二与第二通过孔连接。

所述壳体的作用是隔绝海水、承担深海压力，对差分式压力传感器起保护效果，具体实施时，应采用具有一定强度的、耐海水腐蚀的材料制作；

所述传感探头固定在深海管路的下侧面上，铺设深海管路时，传感探头随深海管路一起沉入海底，传感探头上的多个感应头会插入海底淤泥中，当深海管路发生漂移时，感应头就会受迫变形，从而使内部液态导压介质的压力发生变化；

所述导压管用于连通传感探头和差分式压力传感器的第一输入口；

所述连通管用于连通外部环境水体和差分式压力传感器的第二输入口；

所述差分式压力传感器用于获取第一输入口和第二输入口所感应到的压力差。

所述连接器起密封、连接和支撑作用，可在现有技术中择优选用。

优选地，所述安装面为内凹的圆柱面，圆柱面的轴向与主管轴向平行。圆柱面与深海管路外形匹配，可以提高传感探头和深海管路的连接稳定性。

优选地，所述传感硬管的材质为钛基金属、高硅铸铁或硫化橡胶。

基于前述传感装置，本发明还提出了一种监测深海管路受海底剪切应力的方法，所涉及的硬件包括多个传感装置和处理装置；单个传感装置的结构如前所述；多个差分式压力传感器的输出部通过电气线缆与处理装置连接；具体的方法是：所述深海管路的下侧面与海底接触，沿深海管路走向，在深海管路的下侧面上每间隔一定距离设置一个监测点；所述方法包括：

1）在每个监测点处设置一个传感装置；设置单个传感装置时，在铺设深海管路前，将主管设置在监测点处深海管路的下侧面上，主管轴向与深海管路轴向平行，壳体固定在深海管路外壁上；传感装置随深海管路一起铺设至海底；

2）投入运行后，处理装置周期性地对各个差分式压力传感器的输出信号进行识别，差分式压力传感器的输出信号超过设定的阈值，说明深海管路在相应部位发生了漂移。

传统的剪切力测量手段主要是以压电材料或者应变材料为主，不适合应用在大深度、高静压力的深海条件，其主要原因是：在深海条件下，传统手段所能获取到的检测信号包含了深海水体引起的背景静压力、传感器噪声和实际应变力，由于深海水体引起的背景静压力远大于实际应变力（通常情况下，漂移过程较为缓慢，应力变化也相对较小），再加上传感器噪声与背景静压力成比例，这就会导致传感器噪声与实际应变力相近，从而严重影响传感装置的动态范围和精度。

本发明的思路是：主管与深海管路连接在一起随深海管路同步铺设至海底，深海管路铺设好后，主管上的感应头就会插如海底淤泥中；某一传感装置投入运行后，如管路的相应部位没有发生漂移，感应头与海底的相对位置也不会发生改变，差分式压力传感器所测得的对应第一输入口的信号为“背景静压力A+传感器噪声A”，同时，对应第二输入口的信号为“背景静压力B+传感器噪声B”，由于传感硬管、导压管和连通管都处于海中相同深度位置，由水体压力引起的背景静压力是相同的，因此，“背景静压力A=背景静压力B”，并且由于是同一差分式压力传感器，对应两个输入口的传感器噪声是相同的，于是有“传感器噪声A=传感器噪声B”，此时，通过差分式压力传感器的处理，对应两个输入口的信号两相抵消，最终得到的输出信号就是“0”；

当管路的相应部位发生漂移时，由于主管与深海管路连接在一起，主管会随着深海管路移动，而感应头由于插在海底淤泥中，且尺寸相对较小，感应头就会在淤泥的阻挡作用下发生形变，导致传感硬管内的液态导压介质受到挤压，此时，差分式压力传感器所测得的对应第一输入口的信号就为“背景静压力A+传感器噪声A+传感应变力”（传感应变力即为液态导压介质受挤压产生的作用力），对应第二输入口的信号仍然是“背景静压力B+传感器噪声B”，如前所述，由于对应两个输入口的背景静压力和传感器噪声能够相互抵消，此时差分式压力传感器最终的输出信号就是“传感应变力”，依据“传感应变力”及其数值，我们就能知道相应部位是否发生了漂移以及漂移的严重程度，最终就能实现对深海管路漂移的在线实时监测。采用本发明方案后，可以使深海高水压引起的背景静压力和传感器噪声自我抵消，解决现有技术无法在深海高水压条件下测量微小形变应力的问题。

优选地，所述深海管路为输油管、输气管、钢悬链线立管或水下电缆。

本发明的有益技术效果是：提出了一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置及方法，该方案能够消除深海水体引起的背景静压力对检测信号的影响，使我们能够在深海高水压条件下测量微小剪切应力。

附图说明

图1、传感装置结构示意图；

图2、传感装置使用状态示意图；

图3、传感硬管下侧面示意图；

图4、传感硬管外端面示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：壳体1、差分式压力传感器2、传感硬管3、主管31、感应头32、导压管4、连通管5、海底淤泥层6、深海管路7。

具体实施方式

一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置，其创新在于：所述传感装置包括壳体1、差分式压力传感器2、传感探头和连通管5；

所述差分式压力传感器2封装在壳体1内；

所述传感探头由传感硬管3和导压管4组成；所述传感硬管3由主管31和多个感应头32构成；所述主管31为单端口管，主管31的端口与导压管4的外端口连接；主管31轴向水平设置时，感应头32设置在主管31的下侧面上，感应头32轴向与主管31径向平行，感应头32内设空腔且与主管31内腔连通，多个感应头32在主管31下侧面上按阵列形式分布；主管31上侧面记为安装面；

导压管4的内端口与差分式压力传感器2的第一输入口连通；传感硬管3置于壳体1外；

传感硬管3和导压管4内填充有液态导压介质；壳体1上设置有与导压管4匹配的第一通过孔，导压管4中部通过连接器一与第一通过孔连接；

所述连通管5的内端口与差分式压力传感器2的第二输入口连通，连通管5的外端口置于壳体1外；壳体1上设置有与连通管5匹配的第二通过孔，连通管5中部通过连接器二与第二通过孔连接。

进一步地，所述安装面为内凹的圆柱面，圆柱面的轴向与主管31轴向平行。

进一步地，所述传感硬管3的材质为钛基金属、高硅铸铁或硫化橡胶。

一种监测深海管路受海底剪切应力的方法，所涉及的硬件包括多个传感装置和处理装置；单个传感装置包括壳体1、差分式压力传感器2、传感探头和连通管5；

所述差分式压力传感器2封装在壳体1内；

所述传感探头由传感硬管3和导压管4组成；所述传感硬管3由主管31和多个感应头32构成；所述主管31为单端口管，主管31的端口与导压管4的外端口连接；主管31轴向水平设置时，感应头32设置在主管31的下侧面上，感应头32轴向与主管31径向平行，感应头32内设空腔且与主管31内腔连通，多个感应头32在主管31下侧面上按阵列形式分布；主管31上侧面记为安装面；

导压管4的内端口与差分式压力传感器2的第一输入口连通；传感硬管3置于壳体1外；

传感硬管3和导压管4内填充有液态导压介质；壳体1上设置有与导压管4匹配的第一通过孔，导压管4中部通过连接器一与第一通过孔连接；

所述连通管5的内端口与差分式压力传感器2的第二输入口连通，连通管5的外端口置于壳体1外；壳体1上设置有与连通管5匹配的第二通过孔，连通管5中部通过连接器二与第二通过孔连接；

多个差分式压力传感器2的输出部通过电气线缆与处理装置连接；

其创新在于：所述深海管路的下侧面与海底接触，沿深海管路走向，在深海管路的下侧面上每间隔一定距离设置一个监测点；所述方法包括：

1）在每个监测点处设置一个传感装置；设置单个传感装置时，在铺设深海管路前，将主管31设置在监测点处深海管路的下侧面上，主管31轴向与深海管路轴向平行，壳体1固定在深海管路外壁上；传感装置随深海管路一起铺设至海底；

2）投入运行后，处理装置周期性地对各个差分式压力传感器2的输出信号进行识别，差分式压力传感器2的输出信号超过设定的阈值，说明深海管路在相应部位发生了漂移。

进一步地，所述深海管路为输油管、输气管、钢悬链线立管或水下电缆。

Claims (5)

1.一种用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置，其特征在于：所述传感装置包括壳体（1）、差分式压力传感器（2）、传感探头和连通管（5）；

所述差分式压力传感器（2）封装在壳体（1）内；

所述传感探头由传感硬管（3）和导压管（4）组成；所述传感硬管（3）由主管（31）和多个感应头（32）构成；所述主管（31）为单端口管，主管（31）的端口与导压管（4）的外端口连接；主管（31）轴向水平设置时，感应头（32）设置在主管（31）的下侧面上，感应头（32）轴向与主管（31）径向平行，感应头（32）内设空腔且与主管（31）内腔连通，多个感应头（32）在主管（31）下侧面上按阵列形式分布；主管（31）上侧面记为安装面；

导压管（4）的内端口与差分式压力传感器（2）的第一输入口连通；传感硬管（3）置于壳体（1）外；

传感硬管（3）和导压管（4）内填充有液态导压介质；壳体（1）上设置有与导压管（4）匹配的第一通过孔，导压管（4）中部通过连接器一与第一通过孔连接；

所述连通管（5）的内端口与差分式压力传感器（2）的第二输入口连通，连通管（5）的外端口置于壳体（1）外；壳体（1）上设置有与连通管（5）匹配的第二通过孔，连通管（5）中部通过连接器二与第二通过孔连接。

2.根据权利要求1所述的用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置，其特征在于：所述安装面为内凹的圆柱面，圆柱面的轴向与主管（31）轴向平行。

3.根据权利要求1或2所述的用于监测深海管路受海底剪切应力的传感装置，其特征在于：所述传感硬管（3）的材质为钛基金属、高硅铸铁或硫化橡胶。

4.一种监测深海管路受海底剪切应力的方法，所涉及的硬件包括多个传感装置和处理装置；单个传感装置包括壳体（1）、差分式压力传感器（2）、传感探头和连通管（5）；

所述差分式压力传感器（2）封装在壳体（1）内；

所述传感探头由传感硬管（3）和导压管（4）组成；所述传感硬管（3）由主管（31）和多个感应头（32）构成；所述主管（31）为单端口管，主管（31）的端口与导压管（4）的外端口连接；主管（31）轴向水平设置时，感应头（32）设置在主管（31）的下侧面上，感应头（32）轴向与主管（31）径向平行，感应头（32）内设空腔且与主管（31）内腔连通，多个感应头（32）在主管（31）下侧面上按阵列形式分布；主管（31）上侧面记为安装面；

导压管（4）的内端口与差分式压力传感器（2）的第一输入口连通；传感硬管（3）置于壳体（1）外；

传感硬管（3）和导压管（4）内填充有液态导压介质；壳体（1）上设置有与导压管（4）匹配的第一通过孔，导压管（4）中部通过连接器一与第一通过孔连接；

所述连通管（5）的内端口与差分式压力传感器（2）的第二输入口连通，连通管（5）的外端口置于壳体（1）外；壳体（1）上设置有与连通管（5）匹配的第二通过孔，连通管（5）中部通过连接器二与第二通过孔连接；

多个差分式压力传感器（2）的输出部通过电气线缆与处理装置连接；

其特征在于：所述深海管路的下侧面与海底接触，沿深海管路走向，在深海管路的下侧面上每间隔一定距离设置一个监测点；所述方法包括：

1）在每个监测点处设置一个传感装置；设置单个传感装置时，在铺设深海管路前，将主管（31）设置在监测点处深海管路的下侧面上，主管（31）轴向与深海管路轴向平行，壳体（1）固定在深海管路外壁上；传感装置随深海管路一起铺设至海底；

2）投入运行后，处理装置周期性地对各个差分式压力传感器（2）的输出信号进行识别，差分式压力传感器（2）的输出信号超过设定的阈值，说明深海管路在相应部位发生了漂移。

5.根据权利要求4所述的监测深海管路受海底剪切应力的方法，其特征在于：所述深海管路为输油管、输气管、钢悬链线立管或水下电缆。

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