CN116559881A - 一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法，包括：声呐和多个声呐反弹装置；所述声呐设置在海上风电浮式基础平台的水下部分；所述多个声呐反弹装置间隔设置在所述动态电缆上。本发明通过设置在海上风电浮式基础平台的水下部分的声呐以及间隔设置在动态电缆上的多个声呐反弹装置，可以实时获取海中动态电缆的形态，进而可以对动态电缆疲劳分析，为预防动态电缆故障的发生提供有力支撑。
Description
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法。
背景技术
海上风电动态电缆位于海上浮式风电基础平台和海床之间的波浪区，由于海水水文状况复杂，在浮体运动、波浪荷载及自身重量作用下，与浮体连接的顶部受到较大的拉伸荷载与反复弯曲荷载的组合作用，其荷载往复周期往往较长，为典型的低周振动疲劳荷载。在使用期间，长期的动态响应将导致动态电缆内部单元交变应力的累积，进而产生损伤引起疲劳破坏。此外，动态电缆因其固有的顺应性，加上典型的内部构件布置和几何形状，使得其特别容易受到交替弯曲荷载的影响，径向压缩层/构件受到相对运动的影响，导致磨损、变形和物理性能退化等重大风险。为保证动态电缆服役期间失效事故的发生，对动态电缆进行形态监测是十分必要的，但是由于海况复杂，且动态电缆深度不一，受到洋流的影响，现有技术无法做到对动态电缆的实时的监测。
发明内容
本发明实施例通过提供一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法，解决了现有技术无法做到对动态电缆进行实时监测的技术问题。
本发明的技术方案是：一种海上风电动态电缆监测装置，包括：声呐和多个声呐反弹装置；
所述声呐设置在海上风电浮式基础平台的水下部分；
所述多个声呐反弹装置间隔设置在所述动态电缆上。
所述声呐反弹装置融合安装在所述动态电缆上，或者，所述声呐反弹装置悬浮安装在所述动态电缆上部。
进一步的，当所述声呐反弹装置悬浮安装在所述动态电缆上部时，所述声呐反弹装置包括定位件和声呐反弹装置本体；
所述声呐反弹装置本体的一侧面设有声呐反弹面，所述声呐反弹装置本体的上部设有浮力调节腔，所述声呐反弹装置本体的下部固定设有活动连接件；
所述定位件一端与所述声呐反弹装置本体的活动连接件连接，另一端与所述动态电缆连接，用于控制所述声呐反弹装置本体的位置和反弹方向。
进一步的，所述多个声呐反弹装置包括第一声呐反弹装置和第二声呐反弹装置；
所述第二声呐反弹装置的声呐反弹面的材质硬度和密度大于所述第一声呐反弹装置的声呐反弹面的硬度和密度；
所述第二声呐反弹装置设置在所述动态电缆的关键部位，所述第一声呐反弹装置设置在所述动态电缆的其他部位。
进一步的，所述声呐反弹面为内凹于所述声呐反弹装置本体的弧面；
所述声呐反弹面的材质硬度和和密度大于所述声呐反弹装置本体的其余部分。
进一步的，所述定位件包括套接件、限位连接件和封闭件；
所述套接件用于将所述定位件套接在所述动态电缆的铠装上；
所述限位连接件用于连接所述声呐反弹装置本体的活动连接件并用于控制所述声呐反弹装置本体的反弹方向；
所述封闭件用于封闭所述套接件。
进一步的，所述限位连接件包括两个平行设置的连接板，所述两个平行设置的连接板的一端固定连接所述套接件，另一端设有第一轴孔；
所述活动连接件为板状，所述活动连接件的一端与所述声呐反弹装置本体的底部固定连接，另一端设有第二轴孔；
所述活动连接板插入所述两个平行设置的连接板之间，所述第一轴孔和第二轴孔通过轴销连接，所述活动连接板可沿所述轴销旋转。
进一步的，浮力调节腔设置在所述声呐反弹装置本体内部靠近顶部的空间，所述浮力调节腔设有压力调节装置，所述压力调节装置用于根据所述声呐反弹装置本体的深度调节所述浮力调节腔内部的气压。
进一步的，所述压力调节装置包括气缸和活塞；
所述气缸一端连通所述浮力调节腔，另一端的缸套内部套入所述活塞；
所述活塞远离所述缸套的一端设有限位保护帽，所述限位保护帽的直径大于所述缸套的直径。
依据上述海上风电动态电缆监测装置，本发明还提供一种海上风电动态电缆监测方法，包括：
通过设置在海上风电浮式基础平台的水下部分的声呐的发送装置发射特定频率的声波；
所述声呐的接收装置接收间隔设置在所述动态电缆上的多个声呐反弹装置的反弹声波；
根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆的实时形态。
进一步的，前述根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆的实时形态，包括：
获取水文参数，包括：海水的密度和温度；
获取发送声波参数，包括：所述发送装置发射特定频率的声波的时间；
获取接收声波参数，包括：所述接收装置接收所述反弹声波的时间和角度；
根据所述水文参数、发送声波参数和接收声波参数计算所述动态电缆的实时形态。
本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：通过设置在海上风电浮式基础平台的水下部分的声呐以及间隔设置在动态电缆上的多个声呐反弹装置，可以实时获取海中动态电缆的实时形态，进而可以对动态电缆疲劳分析，为预防动态电缆故障发生提供有力支撑。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中海上风电动态电缆监测装置的整体安装示意图；
图2为本发明实施例中的声呐反弹装置本体的正面示意图；
图3为本发明实施例中的声呐反弹装置本体的侧面示意图；
图4为本发明实施例中的定位件的正面示意图；
图5为本发明实施例中的定位件的侧面示意图；
图6为本发明实施例中的声呐反弹装置的安装结构示意图。
其中，1-第一声呐反弹装置；1’-第二声呐反弹装置；101-声呐反弹装置本体；102-声呐反弹面；103-浮力调节腔；104-活动连接件；106-压力调节装置；201-套接件；202-限位连接件；203-封闭件；3-海上风电浮式基础平台；4-动态电缆；5-声呐；6-轴销。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
参考图1～图6所示，本发明实施例提供的一种海上风电动态电缆监测装置，包括：声呐5和多个声呐反弹装置；所述声呐5设置在海上风电浮式基础平台3的水下部分；所述多个声呐反弹装置间隔设置在所述动态电缆4上。
基于上述海上风电动态电缆监测装置，可以通过设置在海上风电浮式基础平台3的水下部分的声呐5的发送装置发射特定频率的声波；所述声呐5的接收装置接收间隔设置在所述动态电缆4上的多个声呐反弹装置的反弹声波；根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆4的实时形态。
本实施例的声呐5可以采用现有技术中的声呐，包括声波的发送装置和接收装置，声呐5可以采用柱型结构，通过焊接或者其他的固定方式直接固定在海上风电浮式基础平台3的水下部分，为了有效地保护声呐5，可在不影响声纳信号发送和接收的前提下，声呐5外部可安装塑料或其他材质的保护壳。
上述声呐反弹装置可以融合安装在所述动态电缆4上，由于动态电缆4一般采用双铠装的形式，可通过铠装与声纳反弹装置融合的方式。该方式即可以利用铠装层保护动态电缆4和声呐反弹装置，也可以利用内部安装的声纳反弹装置获取动态电缆4的形态，该种结构比较耐用，施工也较为简单，直接将动态电缆4放入海中即可。但是上述结构使得声波容易受到电缆本体的影响，因此声呐反弹装置需要设置较大的体积、密度或硬度。同时上述结构需要对动态电缆4进行较大的改造，并且电缆的运输也较为复杂，无法缠绕在线盘上，进而增加生产和运输的成本。
作为优选的实施例，所述声呐反弹装置可以悬浮安装在所述动态电缆上部，具体的，声呐反弹装置包括定位件和声呐反弹装置本体101；所述声呐反弹装置本体101的一侧面设有声呐反弹面102，所述声呐反弹装置本体101的上部设有浮力调节腔103，所述声呐反弹装置本体101的下部固定设有活动连接件104；所述定位件一端与所述声呐反弹装置本体101的活动连接件104连接，另一端与所述动态电缆4连接，用于控制所述声呐反弹装置本体101的位置和反弹方向。
作为一种优选的实施例，所述声呐反弹面102为内凹于所述声呐反弹装置本体101的弧面，通常的声呐发出的声波信号在探测到物体后，由于物体的形状各异，会发生不同方向的反射，这就导致声呐接收到的反弹信号只是所发出的信号的极少部分，为了对上述反弹信号进行分析，需要大面积的声波接收装置，如声呐阵列，或者是提高声波发射装置的功率，这显然会增加声呐的制造成本。本实施例通过将声呐反弹面102制作为内凹于所述声呐反弹装置本体101的弧面，使得声波在接触到该反弹面后，上述声波会大部分原路返回，相对于普通的球形声呐信标，本实施例的结构可以大大降低声呐本身的制造和使用成本，提高监测的精度。
本实施例的声呐反弹装置本体101可以一体成型制造，作为优选，可以采用分体制造的方法制作，例如将声呐反弹面102与声呐反弹装置本体101的其他部分分别制造，然后在组装时，通过粘结或者螺接的常见方式装配为一体，采用这种制作方式，可以使得所述声呐反弹面102的材质硬度和密度大于所述声呐反弹装置本体101的其余部分，如声呐反弹面102采用陶瓷、大理石或者合金材质，而其他部分则可以采用工程塑料材质，采用上述材质和结构，可以有效地提高声呐反弹面102对声波的反弹向效率，从而提高监测的精度；而其他部分采用硬度和密度较小的材质，这可以在降低声呐反弹装置本体101制造成本的前提下，有效地降低声呐反弹装置本体101的密度，从而使得声呐反弹装置本体101可以在海水中实现悬浮，避免声呐反弹装置本体101下沉，使得声呐反弹装置本体101无法有效地接收和反弹声呐的声波。
作为优选的实施例，声呐反弹装置本体101的表面可以涂覆一层船底漆，由于船底漆可以抑制海底生物的生长，从而可以避免海藻或者贝类在声呐反弹装置本体101上寄生，使得声呐反弹装置本体101可以长时间的在海水中保持较强的声波反弹效果。
本实施例的定位件包括套接件201、限位连接件202和封闭件203；具体的作用分别是：套接件201用于将上述定位件套接在所述动态电缆4的铠装上；限位连接件202用于连接所述声呐反弹装置本体的活动连接件并用于控制所述声呐反弹装置本体的反弹方向；所述封闭件203用于封闭所述套接件。
作为一种优选的实施例，套接件201可以采用弹性塑料或者金属材质，为圆环形状，一端开口；限位连接件202可以包括两个平行设置的连接板，所述两个平行设置的连接板的一端固定连接所述套接件201远离开口的一端，另一端设有第一轴孔；所述活动连接件104为板状，所述活动连接件104的一端与所述声呐反弹装置本体101的底部固定连接，另一端设有第二轴孔；封闭件203设置在套接件201开口的一端，可以采用卡口的形式，也可以采用螺栓螺孔的形式封闭套接件201远离开口的一端。
在使用时，定位件可以采用预装的形式提前安装在动态电缆4上，也可以在电缆敷设时再安装。在动态电缆4敷设时，所述活动连接件104插入所述两个平行设置的连接板之间，所述第一轴孔和第二轴孔通过轴销6连接，而两个平行设置的连接板则对板状的活动连接件104进行限位，使得所述活动连接件104只能沿所述轴销6旋转，从而使得声呐反弹装置本体101的声呐反弹面102始终朝向声呐的方向，从而提高声呐的效率。
本实施例的浮力调节腔103设置在所述声呐反弹装置本体101内部靠近顶部的空间，采用上述结构，在调整声呐反弹装置本体101整体密度的同时，可以进一步使得声呐反弹装置本体101在定位件和自身浮力的作用下始终浮在动态电缆4的上部，并且不会因为重心靠下而导致声呐反弹装置本体101在水中倾斜或者倒置，避免浮动电缆4对声呐反弹装置本体101的阻挡，从而影响声波的接收和反弹。
在动态电缆4敷设于海水中后，为避免海水压力损坏声呐反弹装置本体101，作为一种优选的实施例，上述浮力调节腔103还设有压力调节装置106，所述压力调节装置106可以根据所述声呐反弹装置本体的深度调节所述浮力调节腔内部的气压。具体的，所述压力调节装置106可以设计为以下结构：其包括气缸和活塞；所述气缸一端连通所述浮力调节腔106，另一端的缸套内部套入所述活塞；所述活塞远离所述缸套的一端设有限位保护帽，所述限位保护帽的直径大于所述缸套的直径。在施工中，将活塞部分插入气缸中，使得浮力调节腔103处于封闭状态，声呐反弹装置本体101跟随动态电缆4沉入海水中，随着海水深度的增加，海水的压力也同步增加，海水的压力会压缩活塞向汽缸内部移动，活塞的移动使得浮力调节腔103内部的气压增加，从而实现与海水压力的平衡，避免水压压坏声呐反弹装置本体101。而限位保护帽的设计可以避免活塞被水压压入浮力调节腔103内部，从而导致海水进入浮力调节腔103，使得浮力调节腔103失去浮力，无法起到浮力调节作用。
以上浮力调节腔103只是一种优选具体实施例，还可以采用其他通用方式对声呐反弹装置本体101的浮力进行调节，在此不做赘述。
作为一种优选的实施例，所述多个声呐反弹装置包括有两种类型，即第一声呐反弹装置1和第二声呐反弹装置1’，其中，所述第二声呐反弹装置1’的声呐反弹面102的材质硬度和密度大于所述第一声呐反弹装置1的声呐反弹面102的硬度和密度，所述第二声呐反弹装置1’设置在所述动态电缆4的关键部位，所述第一声呐反弹装置1设置在所述动态电缆4的其他部位。由于第二声呐反弹装置1’的声呐反弹面102的材质硬度和密度大于所述第一声呐反弹装置1的声呐反弹面102的硬度和密度，因此第二声呐反弹装置1’的声波反射信号相对于第一声呐反弹装置1的声波反射信号会更强，从而使得动态电缆4关键部位的反射信号与其他部位的反射信号形成区别，从而有利于声呐对关键部位的反射信号的获取，更有利于获取关键部位的准确形态。动态电缆的关键部位可以是动态电缆的接头部位、传感器的安装部位等等，具体的设置根据实际的需求确定，本实施例不做限定。
依据上述海上风电动态电缆监测装置，本发明还提供一种海上风电动态电缆监测方法，具体包括：通过设置在海上风电浮式基础平台3的水下部分的声呐5的发送装置发射特定频率的声波；所述声呐5的接收装置接收间隔设置在所述动态电缆4上的多个声呐反弹装置的反弹声波；根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆4的实时形态。
其中，水文参数包括：海水的密度和温度；发送声波参数包括：所述发送装置发射特定频率的声波的时间t1；接收声波参数包括：所述接收装置接收所述反弹声波的时间t2和角度；在获取上述参数后，可以根据上述水文参数、发送声波参数和接收声波参数计算所述动态电缆的实时形态，具体的计算公式是：
X＝sinθX·λ·μ·γ·(1+(β-1)/2)·ρ·(t2-t1)/2
Y＝sinθY·λ·μ·γ·(1+(β-1)/2)·ρ·(t2-t1)/2
Z＝sinθZ·λ·μ·γ·(1+(β-1)/2)·ρ·(t2-t1)/2
其中，(X，Y，Z)是声呐反弹装置的坐标，θX、θY、θZ分别是反弹声波对应坐标轴的角度，λ为海水的帕金斯系数，μ为海水的粘滞系数，γ为海水的比容系数，β为海水的比饱和系数，ρ为海水的密度。
上述海水的帕金斯系数、粘滞系数、比容系数和比饱和系数均可以根据仪器检测或者计算获得，属于本领域的现有技术，在此不再赘述。
通过设置在海上风电浮式基础平台3的水下部分的声呐以及间隔设置在动态电缆4上的多个声呐反弹装置，可以实时获取海中动态电缆4的形态，进而可以对动态电缆4进行疲劳分析，为预防动态电缆4故障发生提供有力支撑。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，包括：声呐和多个声呐反弹装置；
所述声呐设置在海上风电浮式基础平台的水下部分；
所述多个声呐反弹装置间隔设置在所述动态电缆上。
2.根据权利要求1所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，所述声呐反弹装置融合安装在所述动态电缆上，或者，所述声呐反弹装置悬浮安装在所述动态电缆上部。
3.根据权利要求2所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，当所述声呐反弹装置悬浮安装在所述动态电缆上部时，所述声呐反弹装置包括定位件和声呐反弹装置本体；
所述声呐反弹装置本体的一侧面设有声呐反弹面，所述声呐反弹装置本体的上部设有浮力调节腔，所述声呐反弹装置本体的下部固定设有活动连接件；
所述定位件一端与所述声呐反弹装置本体的活动连接件连接，另一端与所述动态电缆连接，用于控制所述声呐反弹装置本体的位置和反弹方向。
4.根据权利要求3所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，所述多个声呐反弹装置包括第一声呐反弹装置和第二声呐反弹装置；
所述第二声呐反弹装置的声呐反弹面的材质硬度和密度大于所述第一声呐反弹装置的声呐反弹面的硬度和密度；
所述第二声呐反弹装置设置在所述动态电缆的关键部位，所述第一声呐反弹装置设置在所述动态电缆的其他部位。
5.根据权利要求3或4所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，所述声呐反弹面为内凹于所述声呐反弹装置本体的弧面；
所述声呐反弹面的材质硬度和密度大于所述声呐反弹装置本体的其余部分。
6.根据权利要求3或4所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，所述定位件包括套接件、限位连接件和封闭件；
所述套接件用于将所述定位件套接在所述动态电缆的铠装上；
所述限位连接件用于连接所述声呐反弹装置本体的活动连接件并用于控制所述声呐反弹装置本体的反弹方向；
所述封闭件用于封闭所述套接件。
7.根据权利要求6所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，所述限位连接件包括两个平行设置的连接板，所述两个平行设置的连接板的一端固定连接所述套接件，另一端设有第一轴孔；
所述活动连接件为板状，所述活动连接件的一端与所述声呐反弹装置本体的底部固定连接，另一端设有第二轴孔；
所述活动连接板插入所述两个平行设置的连接板之间，所述第一轴孔和第二轴孔通过轴销连接，所述活动连接板可沿所述轴销旋转。
8.根据权利要求3或4所述的海上风电动态电缆监测装置，其特征在于，浮力调节腔设置在所述声呐反弹装置本体内部靠近顶部的空间，所述浮力调节腔设有压力调节装置，所述压力调节装置用于根据所述声呐反弹装置本体的深度调节所述浮力调节腔内部的气压；
所述压力调节装置包括气缸和活塞；
所述气缸一端连通所述浮力调节腔，另一端的缸套内部套入所述活塞；
所述活塞远离所述缸套的一端设有限位保护帽，所述限位保护帽的直径大于所述缸套的直径。
9.一种海上风电动态电缆监测方法，其特征在于；
通过设置在海上风电浮式基础平台的水下部分的声呐的发送装置发射特定频率的声波；
所述声呐的接收装置接收间隔设置在所述动态电缆上的多个声呐反弹装置的反弹声波；
根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆的实时形态。
10.根据权利要求9所述的一种海上风电动态电缆监测方法，其特征在于，
根据所述发送装置发送声波的参数、接收装置接收反弹声波的参数以及水文参数计算所述动态电缆的实时形态，包括：
获取水文参数，包括：海水的密度和温度；
获取发送声波参数，包括：所述发送装置发射特定频率的声波的时间；
获取接收声波参数，包括：所述接收装置接收所述反弹声波的时间和角度；
根据所述水文参数、发送声波参数和接收声波参数计算所述动态电缆的实时形态。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310502518.4A CN116559881A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310502518.4A CN116559881A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种海上风电动态电缆监测装置及其监测方法 |
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|---|---|
| CN116559881A true CN116559881A (zh) | 2023-08-08 |
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