一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备及探测方法技术

本发明专利技术公开了一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备及探测方法，属于海洋工程减灾防灾领域。该设备包括第一控制中心、传输线缆、第一换能器基阵、第二控制中心、脐带缆、水下履带式ARV、第二换能器基阵、中继信号站和应答器；第一换能器基阵安装于管线节点，第一换能器基阵通过传输线缆与第一控制中心连接；第二换能器基阵安装于所述水下履带式ARV；水下履带式ARV通过脐带缆与第二控制中心连接；应答器设置于中继信号站；第二控制中心与第一控制中心通信连接。本发明专利技术的设备及探测方法，提供了一种固定应答器

【技术实现步骤摘要】
一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备及探测方法


[0001]本专利技术涉及水下探测
，尤其是一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备及探测方法，属于海洋工程减灾防灾领域。

技术介绍

[0002]海底管线在海洋油气运输以及电力传输方面应用广泛，被誉为海上生命线。海底管线的安全运营，直接影响着海洋资源的安全输送。
[0003]然而海底管线所处环境较为复杂，一方面，由于浪流冲刷和复杂海床地质条件的存在，海底管线经常会形成不同长度的自由悬跨。黄河三角洲地区对于水下10m处，在海底管线设计寿命15年内，海床整体冲刷深度可达0.7m，海底管线悬跨长度3
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40m，有的甚至达到60
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70m，悬空高度0.5
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3.0m，因海床侵蚀造成的管线悬跨问题十分严重。管线悬跨改变了管线的受力状态，浪流等环境载荷作用和管线自重会使管线产生较大弯矩而破坏；水动力作用引起管线涡激振动，造成管线的疲劳破坏。另一方面，在温度、压力、构型缺陷、浪流、海床底质条件等因素所用下，海底管线产生总体屈曲现象。总体屈曲变形包括侧向屈曲和隆起屈曲。侧向屈曲往往会造成海底管线局部屈曲、疲劳损坏等；隆起屈曲导致管线裸露在海床上，增加管线被破坏的风险。总体屈曲现象对海洋管线的完整性和安全性造成严重后果。
[0004]为了保证海底管线的安全，需要掌握管线悬跨以及屈曲现象的发展情况。目前，针对海底管线悬跨的观测技术手段主要有潜水员检测技术、物探调查技术等。其中物探调查技术主要采用多波束测深系统、浅地层剖面仪和侧扫声呐等仪器实施作业，但是使用成本较和数据解析难度高；潜水员检测风险大、成本高，在深海中不适用。因此，需要研究适应范围广、精度高、经济性强的海底管线冲刷三维形态探测技术。管线屈曲变形则主要采用屈曲探测器、ROV/AUV拍摄及搭载传感器进行检测。其中屈曲探测器存在被卡住、牵引钢丝绳破断和屈曲探测器解体等风险；ROV/AUV检测需要多传感器协同检测，检测精度受声学图像的解释方法影响较大。因此，需要研究操作简单、精度高、安全性好的海底管线探测设备及方法。
[0005]申请号为201922231812.8的中国专利申请公布了一种海底管线实时安全监测与诊断系统。该方法沿现有管线铺设光缆并在光缆上安装声音传感器，监测海底管线的泄露以及靠近管线的船舶，并利用光纤因失去土壤支撑而振动的特性监测管线悬空、位移或破坏。该方法不会对海底管线造成损伤，但是在管线裸露的情况下并不适用。
[0006]申请号为201510695307.2的中国专利申请公开了一种海底管线悬跨涡激振动主动监测系统及其方法。该方法通过监测涡激振动信息来监测海底管线悬跨，仅在涡激振动发生时进行信息传输，提高了监测效率。该方法数据处理较为繁琐，难度较大。

技术实现思路

[0007]为了解决现有海底管线悬跨及屈曲变形观测手段依靠多种检测设备、数据解析难度高等问题，本专利技术提供了一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备及探测方法。本发
明的设备和探测方法适用于管线裸露的情况，数据解析难度低。
[0008]为实现以上目的，本专利技术采用下述技术方案：一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，包括：第一控制中心；传输线缆；第一换能器基阵，所述第一换能器基阵安装于管线节点，所述第一换能器基阵通过传输线缆与第一控制中心连接；第二控制中心，所述第二控制中心与第一控制中心通信连接；脐带缆；水下履带式ARV，所述水下履带式ARV通过脐带缆与第二控制中心连接；第二换能器基阵，所述第二换能器基阵安装于所述水下履带式ARV；中继信号站；和应答器，所述应答器设置于中继信号站；每一中继信号站设置至少一个应答器；所述第一换能器基阵发出询问信号，应答器接收询问信号并回复应答信号，第一换能器基阵收到应答信号并将该信号传递给第一控制中心，第一控制中心根据所接收信号数据计算出第一换能器基阵的绝对位置坐标，并将绝对位置坐标数据传递给第二控制中心，第二控制中心根据绝对位置坐标绘制管线立体形态图、评估管线的屈曲情况并输出水下履带式ARV的三维行进路线；所述第二换能器基阵发出询问信号，应答器接收询问信号并回复应答信号，第二换能器基阵收到应答信号并将该信号传递给第二控制中心；第二控制中心根据所接受信号数据计算出水下履带式ARV的实时坐标数据，进而求出管线的海床形貌图。
[0009]上述海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，还可以包括中继站；所述中继站分别与第二控制中心、脐带缆连接；中继站可以实现水下履带式ARV停靠，补充电源及传输信息，根据自主/遥控作业需要回收/对接脐带缆。更进一步地，所述中继站为可伸缩中继站。
[0010]所述第一换能器基阵和第二换能器基阵均为由一个收发合置换能器和两个接收换能器组成的“L”型三元基阵；所述收发合置换能器位于基阵原点，所述两个接收换能器分别位于基阵相互垂直的两个方向；合置换能器到两个接收换能器的距离相等。
[0011]所述管线节点，是指根据海底情况，在海底管线选取的位置。根据实际情况设计节点13的数量。一般管线屈曲长度为数十米到上百米，为保证屈曲有效监测，应使屈曲长度内设置3个以上节点，以便绘制屈曲形态图。其中，相邻节点之间的距离为，节点数量=管线长度/。根据实际情况设计中继信号站的数量。为保证超短基线定位精度及工程成本控制，应使节点与应答器直线距离小于100m，综合考虑超短基线设备精度、应答器高度、节点间距、斜距X（应答器到换能器基阵的距离）设置中继信号站间距。中继信号站间距确定之后，中继信号站的数量为=管线长度/（结果四舍五入）。
[0012]所述第一换能器基阵通过卡扣固定于管线节点；进一步地，所述卡扣为圆环形，预留传输线缆孔和第一换能器基阵位置；可实现传输线缆和第一换能器基阵固定。
[0013]所述第一控制中心可以是设置于海面的陆上控制中心。可以实现实时监控，监控具有稳定性。
[0014]所述第二控制中心可以设置于母船。
[0015]所述ARV是指自主遥控水下机器人(Autonomous and RemotelyOperated Vehicle),是一种面向极端环境或特殊使命任务、集AUV和ROV的部分技术特点于一身、具有自主作业和遥控作业工作模式的新型水下机器人。
[0016]进一步地，水下履带式ARV的高度小于0.2m，便于在海底管线底部实施探测作业。
[0017]进一步地，水下履带式ARV包括脐带缆连接口、探测装置、控制装置、动力装置、推进装置和履带装置；所述脐带缆连接口连接脐带缆，所述脐带缆连接口与中继信号站充电接口适配；所述探测装置包括高清摄像机、照明灯和前视声呐；所述控制装置分别连接探测装置、动力装置、推进装置和第二换能器基阵；所述推进装置连接履带装置；所述动力装置提供能源动力。
[0018]所述脐带缆连接口连接脐带缆实现水下履带式ARV的遥控作业，所述脐带缆连接口与脐带缆断开的状态下与中继信号站充电接口连接为中继信号站充电；所述探测装置包括高清摄像机、照明灯和前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，包括：第一控制中心；传输线缆；第一换能器基阵，所述第一换能器基阵安装于管线节点，所述第一换能器基阵通过传输线缆与第一控制中心连接；第二控制中心，所述第二控制中心与第一控制中心通信连接；脐带缆；水下履带式ARV，所述水下履带式ARV通过脐带缆与第二控制中心连接；第二换能器基阵，所述第二换能器基阵安装于所述水下履带式ARV；中继信号站和应答器，所述应答器设置于中继信号站；每一中继信号站设置至少一个应答器；所述第一换能器基阵发出询问信号，应答器接收询问信号并回复应答信号，第一换能器基阵收到应答信号并将该信号传递给第一控制中心，第一控制中心根据所接受信号数据计算出第一换能器基阵的绝对位置坐标，并将绝对位置坐标数据传递给第二控制中心，第二控制中心根据绝对位置坐标绘制管线立体形态图、评估管线的屈曲情况并输出水下履带式ARV的三维行进路线；所述第二换能器基阵发出询问信号，应答器接收询问信号并回复应答信号，第二换能器基阵收到应答信号并将该信号传递给第二控制中心；第二控制中心根据所接受信号数据计算出水下履带式ARV的实时坐标数据，进而求出管线的海床形貌图。2.根据权利要求1所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，包括中继站；所述中继站分别与第二控制中心、脐带缆连接。3.根据权利要求2所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，所述中继站为可伸缩中继站。4.根据权利要求1所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，所述第一换能器基阵和第二换能器基阵均为由一个收发合置换能器和两个接收换能器组成的“L”型三元基阵；所述收发合置换能器位于基阵原点，所述两个接收换能器分别位于基阵相互垂直的两个方向；合置换能器到两个接收换能器的距离相等。5.根据权利要求1所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，所述第一控制中心设置于海面的陆上控制中心；所述第二控制中心设置于母船。6.根据权利要求1所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，所述水下履带式ARV包括脐带缆连接口、探测装置、控制装置、动力装置、推进装置和履带装置；所述脐带缆连接口连接脐带缆，所述脐带缆连接口与中继信号站充电接口适配；所述探测装置包括高清摄像机、照明灯和前视声呐；所述控制装置分别连接探测装置、动力装置、推进装置和第二换能器基阵；所述推进装置连接所述履带装置；所述动力装置提供能源动力。7.根据权利要求6所述的海底管线悬跨及屈曲变形水下探测设备，其特征在于，所述推进装置包括垂向推进器和水平推进器，所述垂向推进器在水下履带式ARV两侧各安装2个，所述水平...

【专利技术属性】
技术研发人员：解安琪，陈旭光，杜文博，张凤鹏，牛小东，王华鹏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：