CN115824029A - 一种海底管道变形监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底管道变形监测装置，包括姿态传感器阵列、控制基点和定位环；姿态传感器阵列设置有两条，一条姿态传感器阵列布置于控制基点与海底管道之间，用于监测海底管道监测区域的整体沉降状态，另一条姿态传感器布置于待测海底管道上，用于监测海底管道的表面形变状态；控制基点用于采集姿态传感器阵列的数据，并通过通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道表面形变状态数据及海床沉降状态数据；本发明能够实现海底管道的形变监测，方便携带与布放，简单便捷操作成本低，具有较强的科研效益和经济效益，通过海底管道位移监测技术服务，监测海底管道长期的位移变化过程，为管道沉降变形提供预警。

Description

一种海底管道变形监测装置

技术领域

本发明涉及海底管道监测技术领域，特别是涉及一种海底管道变形监测装置。

背景技术

随着国家对开发利用海洋油气资源力度的加大，作为海洋油气运输生命线的海底管线铺设也逐渐增多，海底管道作为海上油气集输系统的主要形式在海上油气田开发过程中发挥着重要的作用。由于工作环境条件恶劣，海底管道既要受到管外波流等环境荷载的作用，又要受到管内油气腐蚀、压力等作用以及海上坠落物撞击、渔网拖拉等意外荷载的作用，其失效概率高，运行风险大。为了避免因海底管道失效所造成的重大经济损失和不良社会影响，必须采取有效的措施防止发生海底管道失效问题，保障海底管线的安全运行显得愈发重要。

海底管线监测是保障海底管线安全可靠运行的一个重要手段，定期对其进行沉降和位移观测，及时收集海底管线沉降和位移数据，通过数据及时反馈管线状态，如有异常便于及时采取应急措施。但目前多采用潜水探摸及传统监测手段对管线直接进行监控，具有操作难度大，费用高，不便于操作的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底管道变形监测装置，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现海底管道的形变监测，方便携带与布放，简单便捷操作成本低，具有较强的科研效益和经济效益，通过海底管道位移监测技术服务，监测海底管道长期的位移变化过程，为管道沉降变形提供预警。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种海底管道变形监测装置，包括姿态传感器阵列、控制基点和定位环；

所述姿态传感器阵列设置有两条，一条所述姿态传感器阵列布置于控制基点与海底管道之间，用于监测海底管道监测区域的整体沉降状态，另一条所述姿态传感器阵列沿着所述海底管道铺设方向布置于待测所述海底管道上，用于监测海底管道的表面形变状态；

所述控制基点用于采集姿态传感器阵列的数据，并通过通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道表面形变状态数据及海床沉降状态数据；

所述定位环设置于所述海底管道上，用于固定所述姿态传感器阵列于所述海底管道上。

优选地，所述姿态传感器包括以阵列式布置的多个MEMS传感器单元、套管和水密接插缆，各所述MEMS传感器单元通过所述水密接插缆以柔性连接方式依次串接，形成MEMS传感器阵列，所述MEMS传感器阵列整体贯穿于套管内，所述MEMS传感器阵列通过所述水密接插缆连接所述控制基点。

优选地，所述MEMS传感器单元包括传感器舱体和设置于所述传感器舱体轴心处的MEMS传感器，所述传感器舱体为316L不锈钢材料，所述MEMS传感器通过定位螺栓固定于所述传感器舱体内，所述MEMS传感器单元两端设有水密接插件，所述水密接插件用于连接所述水密接插缆。

优选地，所述套管由铝合金管和橡胶软管交替串接而成，所述MEMS传感器单元设置于所述铝合金管的后端。

优选地，每节所述铝合金管的内径为40mm、外径为50mm、长度为1000mm，相邻两个所述铝合金管之间通过所述橡胶软管进行柔性连接。

优选地，所述控制基点包括电子舱和水泥块，所述电子舱内嵌于所述水泥块内，两条所述姿态传感器阵列的一端分别通过所述水密接插缆连接所述电子舱；所述电子舱内设置有锂电池、控制板、采集板及通讯模块，所述锂电池为所述控制板、采集板、通讯模块和MEMS传感器供电，通过所述控制板控制所述采集板采集MEMS传感器数据，并通过所述通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道表面形变状态数据及海床沉降状态数据。

优选地，所述定位环为环形结构，所述定位环包括两个半圆弧状的不锈钢环、螺栓固定结构和管夹；两个半圆弧状的不锈钢环一端铰接连接，另一端通过螺栓固定结构连接，所述管夹固定于所述定位环上，所述姿态传感器阵列的外部套管穿过所述管夹由所述管夹固定于所述定位环上。

优选地，所述定位环设置有两个，两个所述定位环之间的管道为海底管道监测区域；布置于控制基点与海底管道之间的所述姿态传感器阵列一端连接其中一个所述定位环，另一端连接所述控制基点；另一条所述姿态传感器阵列连接于两个所述定位环之间。

优选地，布置于控制基点与海底管道之间的所述姿态传感器阵列垂直于所述海底管道。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

1、本发明提供的海底管道变形监测装置，方便携带与布放，简单便捷操作成本低，具有较强的科研效益和经济效益，通过海底管道位移监测技术服务，监测海底管道长期的位移变化过程，为管道沉降变形提供预警；装置整体结构简单，无须额外ROV、钻进电机等设备，能在很大程度上降低成本。

2、本发明提供的海底管道变形监测装置，基于套管的保护，能将原本柔性的监测装置布放于指定位置管段上方。为保证MEMS传感器阵列在水下40m防水性、耐压性以及防腐蚀性能，根据MEMS传感器结构设计传感器舱体尺寸，使用316L不锈钢材料，更好的提高传感器舱对环境的适应性，温度过高或者过低，都不会影响316L不锈钢的耐腐蚀能力，保证传感阵列长期监测的稳定性。

3、本发明提供的海底管道变形监测装置，采用被传感器舱包裹保护的MEMS传感器组成的多个MEMS传感器单元，在安装固定至指定管段位置后，MEMS传感器模块获取得初始角度位置数据，当装置所在位置的管段位移形变时，MEMS传感器模块也随之产生位移角度变化，进而将自身的位移变化通过采集电路板采集并存储数据，实现海底管道长期位移变化监测，并可通过监测数据设置管道位移预警系统。

4、本发明提供的海底管道变形监测装置，采用水泥块控制基点、定位环为姿态传感器设定了监测基点，可根据与基点间的相对姿态变化计算海底管道表面形变及海底管道监测区海床的整体沉降变化，保障了监测数据的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中海底管道变形监测装置的整体结构示意图；

图2为本发明中姿态传感器阵列的结构示意图；

图3为本发明中控制基点的结构示意图；

图4为本发明中MEMS传感器单元的结构示意图；

图5为本发明中定位环的结构示意图；

图中：1为姿态传感器阵列；1-1为MEMS传感器单元；1-2为套管；1-3为水密接插缆；1-1-1为传感器舱体；1-1-2为MEMS传感器；1-1-3为水密接插件；1-2-1为铝合金管；1-2-2为橡胶软管；2为控制基点；2-1为电子舱；2-2为水泥块；3为定位环；3-1为不锈钢环；3-2为螺栓固定结构；3-3为管夹；4为海底管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种海底管道变形监测装置，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例中的海底管道变形监测装置，如图1-图5所示，包括姿态传感器阵列1、控制基点2和定位环3；

姿态传感器阵列1设置有两条，一条姿态传感器阵列1布置于控制基点2与海底管道4之间，用于监测海底管道4监测区域的整体沉降状态，另一条姿态传感器阵列1沿着海底管道4铺设方向布置于待测海底管道4上，用于监测海底管道4的表面形变状态；

控制基点2用于采集姿态传感器阵列1的数据，并通过通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道4表面形变状态数据及海床沉降状态数据；

定位环3设置于海底管道4上，用于固定姿态传感器阵列1于海底管道4上。

于本具体实施例中，姿态传感器包括以阵列式布置的多个MEMS传感器单元1-1、套管1-2和水密接插缆1-3，各MEMS传感器单元1-1通过水密接插缆1-3以柔性连接方式依次串接，形成MEMS传感器1-1-2阵列，MEMS传感器1-1-2阵列整体贯穿于套管1-2内，MEMS传感器1-1-2阵列通过水密接插缆1-3连接控制基点2。MEMS传感器单元1-1包括传感器舱体1-1-1和设置于传感器舱体1-1-1轴心处的MEMS传感器1-1-2，传感器舱体1-1-1为316L不锈钢材料，MEMS传感器1-1-2通过定位螺栓固定于传感器舱体1-1-1内，MEMS传感器单元1-1两端设有水密接插件1-1-3，水密接插件1-1-3用于连接水密接插缆1-3。

套管1-2由铝合金管1-2-1和橡胶软管1-2-2交替串接而成，MEMS传感器单元1-1设置于铝合金管1-2-1的后端(远离控制基点2的一端为后端)。每节铝合金管1-2-1的内径为40mm、外径为50mm、长度为1000mm，相邻两个铝合金管1-2-1之间通过抗拉力400kg的橡胶软管1-2-2进行柔性连接。MEMS传感阵列位于套管1-2内，以提高MEMS传感阵列的抗拉、抗压以及耐腐蚀能力，根据实际工况所需监测区域范围的需求，可布置相应长度的姿态传感器阵列1。

于本具体实施例中，控制基点2包括电子舱2-1和水泥块2-2，电子舱2-1内嵌于水泥块2-2内。两条姿态传感器阵列1的一端分别通过水密接插缆1-3连接电子舱2-1；电子舱2-1内设置有锂电池、控制板、采集板及通讯模块，锂电池为控制板、采集板、通讯模块和MEMS传感器1-1-2供电，通过控制板控制采集板采集MEMS传感器1-1-2数据，并通过通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道4表面形变状态数据及海床沉降状态数据。采用水泥块2-2包覆电子舱2-1有效保证了电子舱2-1不受沙土掩埋或洋流冲刷等水下环境影响，保障了数据传输的稳定性和穿透性，同时将水泥块2-2作为姿态传感器阵列1的监测基点，获取所得的相对姿态变化即为海底管道4的形变状态变化，保证监测数据的稳定性的同时也保证了数据的可靠性。

于本具体实施例中，定位环3为环形结构，定位环3包括两个半圆弧状的不锈钢环3-1、螺栓固定结构3-2和管夹3-3；两个半圆弧状的不锈钢环3-1一端铰接连接，另一端通过螺栓固定结构3-2连接，管夹3-3固定于定位环3上，姿态传感器阵列1的外部套管1-2穿过管夹3-3由管夹3-3固定于定位环3上。

于本具体实施例中，定位环3设置有两个，两个定位环3之间的管道为海底管道4监测区域；布置于控制基点2与海底管道4之间的姿态传感器阵列1一端连接其中一个定位环3，另一端连接控制基点2；另一条姿态传感器阵列1连接于两个定位环3之间。布置于控制基点2与海底管道4之间的姿态传感器阵列1垂直于海底管道4。

本发明中的海底管道变形监测装置使用方法如下：

本发明中的海底管道变形监测装置，搭载科考船至海底管道4监测区域附近后，于船上甲板组装好姿态传感器阵列1、控制基点2及定位环3等装备，开始作业后，船上吊机将定位环3下放并安装在海底管道4监测区域上，潜水员下水，紧固定位环3上螺栓固定结构3-2，实现两个定位环3的水下安装，完成定位环3的水下安装后，潜水员返回甲板。

在船上甲板将姿态传感器阵列1与控制基点2上的电子舱2-1相连，通过吊机将姿态传感阵列与控制基点2一起吊放至其中一个定位环3正前方90°左右，潜水员下水，将姿态传感器阵列1垂直牵扯至90°的定位环3，将姿态传感器阵列1一端穿过管夹3-3，通过定位环3上管夹3-3的夹紧结构，将姿态传感器阵列1固定在定位环3上。完成一条姿态传感器阵列1的布设，即完成了海床沉降监测系统，潜水员返回甲板后携带第二条姿态传感器阵列1，姿态传感器阵列1的两端分别通过管夹3-3的夹紧结构，固定于安装完毕的两个定位环3上，完成海底管道4表面形变监测系统的布设后，潜水员返回甲板，完成海底管道4变形监测装置的整体布设。

通过通讯模块的传输，操作员可与岸上实时监测控制采集板采集姿态数据，并于上位机界面实时显示原位监测数据。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种海底管道变形监测装置，其特征在于：包括姿态传感器阵列、控制基点和定位环；

所述姿态传感器阵列设置有两条，一条所述姿态传感器阵列布置于控制基点与海底管道之间，用于监测海底管道监测区域的整体沉降状态，另一条所述姿态传感器阵列沿着所述海底管道铺设方向布置于待测所述海底管道上，用于监测海底管道的表面形变状态；

所述控制基点用于采集姿态传感器阵列的数据，并通过通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道表面形变状态数据及海床沉降状态数据；

所述定位环设置于所述海底管道上，用于固定所述姿态传感器阵列于所述海底管道上。

2.根据权利要求1所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述姿态传感器包括以阵列式布置的多个MEMS传感器单元、套管和水密接插缆，各所述MEMS传感器单元通过所述水密接插缆以柔性连接方式依次串接，形成MEMS传感器阵列，所述MEMS传感器阵列整体贯穿于套管内，所述MEMS传感器阵列通过所述水密接插缆连接所述控制基点。

3.根据权利要求2所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述MEMS传感器单元包括传感器舱体和设置于所述传感器舱体轴心处的MEMS传感器，所述传感器舱体为316L不锈钢材料，所述MEMS传感器通过定位螺栓固定于所述传感器舱体内，所述MEMS传感器单元两端设有水密接插件，所述水密接插件用于连接所述水密接插缆。

4.根据权利要求3所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述套管由铝合金管和橡胶软管交替串接而成，所述MEMS传感器单元设置于所述铝合金管的后端。

5.根据权利要求4所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：每节所述铝合金管的内径为40mm、外径为50mm、长度为1000mm，相邻两个所述铝合金管之间通过所述橡胶软管进行柔性连接。

6.根据权利要求3所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述控制基点包括电子舱和水泥块，所述电子舱内嵌于所述水泥块内，两条所述姿态传感器阵列的一端分别通过所述水密接插缆连接所述电子舱；所述电子舱内设置有锂电池、控制板、采集板及通讯模块，所述锂电池为所述控制板、采集板、通讯模块和MEMS传感器供电，通过所述控制板控制所述采集板采集MEMS传感器数据，并通过所述通讯模块将数据上传于水面上位机界面，显示获取所得的海底管道表面形变状态数据及海床沉降状态数据。

7.根据权利要求3所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述定位环为环形结构，所述定位环包括两个半圆弧状的不锈钢环、螺栓固定结构和管夹；两个半圆弧状的不锈钢环一端铰接连接，另一端通过螺栓固定结构连接，所述管夹固定于所述定位环上，所述姿态传感器阵列的外部套管穿过所述管夹由所述管夹固定于所述定位环上。

8.根据权利要求7所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：所述定位环设置有两个，两个所述定位环之间的管道为海底管道监测区域；布置于控制基点与海底管道之间的所述姿态传感器阵列一端连接其中一个所述定位环，另一端连接所述控制基点；另一条所述姿态传感器阵列连接于两个所述定位环之间。

9.根据权利要求8所述的海底管道变形监测装置，其特征在于：布置于控制基点与海底管道之间的所述姿态传感器阵列垂直于所述海底管道。

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