CN220957966U - 一种海底管道无线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海底管道无线监测装置，采用电池供电，水声无线传输，低功耗工作，同时搭载了三轴振动传感器与无线声通信模块，将该装置安装在海底管道上，该装置可以通过采集的海底管道三维振动信号，计算管道的涡激振动，并通过无线传输的方式将结果进行回传至海面监测平台。本发明采用无线传输，易于部署，可有效监测海底管道的涡激振动现象与疲劳参数评估，实时监测海洋管道的安全性，可有效弥补监测范围小和实时性的问题，可广泛应用于海底采油管道、输油管道及海底光纤电缆等监测领域，实现对海洋管道实时安全监测。
Description
技术领域
本发明涉及水下信号处理领域，涉及弱信号检测，声学信号处理，无线通信等技术，具体为一种海底监测装置。
背景技术
近年来，我国对海洋资源开采的力度逐年增加，在海洋油气等资源开采的过程中，要用到的海底管道里程也在不断攀增，其安全性缺少保障。
悬跨是海底管道的高风险管段，海流和波浪等复杂的海洋环境载荷作用下发生以流固耦合为特征的涡激振动。涡激振动产生的交变应力，作为低周疲劳载荷，导致海底管线的疲劳、损伤。特别是当漩涡脱落频率与悬跨的固有频率接近时，发生频率锁定现象，使得振幅急剧增加，加速海底管线的疲劳失效，乃至诱发管道断裂、泄漏等一系列问题。
其中涡激振动是悬跨疲劳的主要诱因，亦是主要监测对象。监测涡激振动主要通过监测海底悬跨管道的加速度实现。海底悬跨管道的加速度测量一方面直接监测悬跨涡激振动频率，以指导采取措施避免涡激振动的发生，另一方面为悬跨的疲劳寿命管理提供一手的现场资料。
目前，悬跨涡激振动监测研究较多的有2H Offshore、Kongsberg等，其中2H公司开发的悬跨监测系统既有主动式也有被动式，主动式有光纤与水声两种方式，被动式悬跨监测系统为一独立单元，自带电源，水下数据存储。以挪威为主的几个国家的石油公司、研究所也对VIV实验与分析做了许多研究。其中MIT根据VIV实验数据及振动学理论开发的shear7软件已在工程中得到了广泛应用。但是，由于水流的复杂性和振动现象的不规则性，现在的精度还不够高，监测数据也不能实时传回平台。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种海底管道无线监测装置。针对现有的以有缆监测手段或者水下机器人巡检为主的海底管道监测系统，设备成本较高，巡检费时费力，且水下机器人存在监测盲区，缺乏对海底管道整体实时监测的问题，本发明提出一种海底管道无线监测装置。
针对现有的以有缆监测手段或者水下机器人巡检为主的海底管道监测系统，设备成本较高，巡检费时费力，且水下机器人存在监测盲区，缺乏对海底管道整体实时监测的问题，本发明提出一种海底管道无线监测装置。该装置采用电池供电，水声无线传输，低功耗工作，同时搭载了三轴振动传感器与无线声通信模块，将该装置安装在海底管道上，该装置可以通过采集的海底管道三维振动信号，计算管道的涡激振动，并通过无线传输的方式将结果进行回传至海面监测平台。
本发明提出一种海底管道无线监测装置，该装置采用电池供电，水声无线传输，低功耗工作，同时搭载了三轴振动传感器与无线声通信模块，将该装置安装在海底管道上，该装置可以通过采集的海底管道三维振动信号，计算管道的涡激振动，并通过无线传输的方式将结果进行回传至海面监测平台。该装置采用无线传输，易于部署，可有效监测海底管道的涡激振动现象与疲劳参数评估，实时监测海洋管道的安全性，对保障海洋油气资源开发具有重要意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种海底管道无线监测装置，包括声学换能器、换能器盖板、主壳体、水密堵头、保护罩和底座盖板，主壳体为一个T型管状结构，主壳体具备耐压密封性，主壳体内部安装有电池组、三维振动传感器和信号处理板，主壳体的竖直方向的端面安装有换能器盖板，且用密封螺丝将换能器盖板固定于主壳体的端面上，换能器盖板的外侧设有声学换能器，声学换能器用来进行无线声学传输，主壳体的水平方向的两侧的端面均设有底座盖板，底座盖板用于固定电池，主壳体的水平方向的其中一侧的端面的底座盖板外侧设有中空保护罩，保护罩用于保护水密堵头在水下不被磕碰，保护罩的空腔内设有水密堵头，水密堵头为监测装置上电和配置参数。
在主壳体水平方向的两个管壁的外侧，设有环状卡槽，环状卡槽在主壳体管壁上为下沉卡槽，用于将整个监测装置安装于海底管道上。
所述三维振动传感器的指标为：量程：±2g；分辨率：2000mV/g；噪声水平：13μg/(root Hz)；频响范围：0～300Hz；工作电压：5V；功耗：250mW；工作温度：-55℃～80℃。
信号处理板的无线通信方式采用高速水声通信：工作频率：7.5～12.5kHz；通信速率：312～1000bits/s；误码率：<10-9。
本发明的有益效果在于提出一种海底管道无线监测装置，将该装置安装在海底管道上，该装置可以通过采集的海底管道三维振动信号，计算管道的涡激振动，并通过无线传输的方式将结果进行回传至海面监测平台。该装置采用无线传输，易于部署，可有效监测海底管道的涡激振动现象与疲劳参数评估。与现有的有缆监测手段或者水下机器人巡检相比，可有效弥补监测范围小和实时性的问题，可广泛应用于海底采油管道、输油管道及海底光纤电缆等监测领域。实现对海洋管道实时安全监测，保障我国海洋油气资源开发与海洋装备安全运行。
附图说明
图1本发明海底管道无线监测装置的示意图。
图2为本发明监测装置的应用场景示意图。
图3为本发明的监测装置的工作流程图。
其中，1-声学换能器，2-换能器盖板，3-主壳体，4-环形卡槽，5-水密堵头，6-保护罩，7-底座盖板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种海底管道无线监测装置，如图1所示，包括声学换能器(1)、换能器盖板(2)、主壳体(3)、水密堵头(5)、保护罩(6)和底座盖板(7)，主壳体(3)为一个T型管状结构，主壳体(3)具备耐压密封性，主壳体(3)内部安装有电池组、三维振动传感器和信号处理板，主壳体(3)的竖直方向的端面安装有换能器盖板(2)，且用密封螺丝将换能器盖板(2)固定于主壳体(3)的端面上，换能器盖板(2)的外侧设有声学换能器(1)，声学换能器(1)用来进行无线声学传输，主壳体(3)的水平方向的两侧的端面均设有底座盖板(7)，底座盖板(7)用于固定电池，主壳体(3)的水平方向的其中一侧的端面的底座盖板(7)外侧设有中空保护罩(6)，保护罩(6)用于保护水密堵头(5)在水下不被磕碰，保护罩(6)的空腔内设有水密堵头(5)，水密堵头(5)为监测装置上电和配置参数。
在主壳体(3)水平方向的两个管壁的外侧，设有环状卡槽(4)，环状卡槽(4)在主壳体(3)管壁上为下沉卡槽，用于将整个监测装置安装于海底管道上。
本发明提出一种海底管道无线监测装置。将该装置安装在海底管道上，该装置可以通过采集的海底管道三维振动信号，计算管道的涡激振动，并通过无线传输的方式将结果进行回传至海面监测平台。可广泛应用于海底采油管道、输油管道及海底光纤电缆等监测领域。
本发明装置的应用场景示意图如图2所示。
本发明装置工作流程图如图3所示。
本装置中的三维振动传感器的选型指标为：量程：±2g；分辨率：2000mV/g；噪声水平：13μg/(root Hz)；频响范围：0～300Hz；工作电压：5V；功耗：250mW；工作温度：-55℃～80℃。无线通信方式一般选择高速水声通信：工作频率：7.5～12.5kHz；通信速率：312～1000bits/s；误码率：<10-9。具体实施步骤如下：
步骤1：参数配置与开机
将管道直径、监测周期与频率等参数配置完成后，将水密堵头插上，完成监测装置开机。
步骤2：设备安装
在海底管道悬跨处安装监测装置，需要确保监测装置和管道固定牢靠并且声学换能器部分朝向水面。
步骤3：通信测试
在水面控制中心发送数字测试指令，测试监测装置的无线通信功能是否正常。
步骤4：正常监测
通信测试成功后，监测装置将进行海底管道参数的正常监测，期间会将监测数据通过无线传输的方式传回海面显控平台。
步骤5：预警报警
当出现异常数据或者管道状态异常，显控平台将发出报警指示灯及报警声音，提醒平台工作人员。
步骤6：设备休眠
可发送休眠指令，使监测装置处于休眠状态，只采集数据，不进行回传操作，节省电量。
Claims (4)
1.一种海底管道无线监测装置，包括声学换能器、换能器盖板、主壳体、水密堵头、保护罩和底座盖板，其特征在于：
所述海底管道无线监测装置，主壳体为一个T型管状结构，主壳体具备耐压密封性，主壳体内部安装有电池组、三维振动传感器和信号处理板，主壳体的竖直方向的端面安装有换能器盖板，且用密封螺丝将换能器盖板固定于主壳体的端面上，换能器盖板的外侧设有声学换能器，声学换能器用来进行无线声学传输，主壳体的水平方向的两侧的端面均设有底座盖板，底座盖板用于固定电池，主壳体的水平方向的其中一侧的端面的底座盖板外侧设有中空保护罩，保护罩用于保护水密堵头在水下不被磕碰，保护罩的空腔内设有水密堵头，水密堵头为监测装置上电和配置参数。
2.根据权利要求1所述的海底管道无线监测装置，其特征在于：
在主壳体水平方向的两个管壁的外侧，设有环状卡槽，环状卡槽在主壳体管壁上为下沉卡槽，用于将整个监测装置安装于海底管道上。
3.根据权利要求1所述的海底管道无线监测装置，其特征在于：
所述三维振动传感器的指标为：量程：±2g；分辨率：2000mV/g；噪声水平：13μg/(rootHz)；频响范围：0～300Hz；工作电压：5V；功耗：250mW；工作温度：-55℃～80℃。
4.根据权利要求1所述的海底管道无线监测装置，其特征在于：
信号处理板的无线通信方式采用高速水声通信：工作频率：7.5～12.5kHz；通信速率：312～1000bits/s；误码率：<10-9。
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