海底管道悬空监测装置及海底管道悬空监测方法

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悬空监测装置及海底管道悬空监测方法。

背景技术

随着海底管道在全国范围的逐渐普及，海底管道的数量也急剧增加，海底管道需要一直保证其处于指定位置而不受海流冲击、地层变化等因素影响产生移动。MEMS传感器主要用于姿态监测，由MEMS传感器组成的MEMS传感阵列由于其结构简单、便于封装等特点被广泛应用于海底管道、海底电缆等装置的监测领域，现有技术如专利CN112461233B-基于MEMS传感阵列的海底电缆故障监测系统，通过MEMS传感阵列上的各MEMS传感器对海底电缆多个点位置的状态数据进行三维重构，将海底电缆以图形可视化方式展示其在某一时刻时的形状，结合海底电缆的初始位置信息，进行海底电缆状况的判断。

然而由MEMS传感阵列形成的三维重构的精度不如超声波距离监测精度高，且目前尚无基于超声波对海底管道进行悬空监测的装置，因此，设计一种基于超声波对海底管道进行悬空状态监测的装置很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种海底管道悬空监测装置及海底管道悬空监测方法，以解决上述现有技术存在的问题，使海底管道悬空状态监测精度高，且装置安装简单方便。

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悬空监测装置，包括数据采集装置和至少一个第一超声波传感器阵列，各所述第一超声波传感器阵列均固定设置在海底管道外壁上，且各所述第一超声波传感器阵列均包括至少两个第一超声波传感器，相邻两个所述第一超声波传感器沿海底管道轴线方向具有间距，且各所述第一超声波传感器均能够发出超声波并接收由海底反射回来的超声波，各所述第一超声波传感器与所述数据采集装置通信连接，所述数据采集装置能够采集各所述第一超声波传感器发射和接收超声波的时间间隔数据。

优选的，还包括至少两个第二超声波传感阵列，各所述第二超声波传感阵列一端与海底管道外壁固定连接，且各所述第二超声波传感阵列的另一端与海底能够固定连接，各所述第二超声波传感阵列沿海底管道轴线方向排布且相邻两个所述第二超声波传感阵列之间具有间距，各所述第二超声波传感阵列均包括至少一个第二超声波传感器，相邻两个所述第二超声波传感器在竖直方向距离海底的高度不同，各所述第二超声波传感器能够发出超声波并接收由海底反射回来的超声波，各所述第二超声波传感器与所述数据采集装置通信连接。

优选的，各所述第一超声波传感器阵列两端固定设置有第一固定件，各所述第一固定件与海底管道外壁能够拆卸地固定连接。

优选的，所述第一固定件包括第一管夹座和至少一个第一夹具，各所述第一夹具固定设置在所述第一管夹座上，且各所述第一夹具能够夹持固定所述第一超声波传感器阵列的一端或松开对所述第一超声波传感器阵列的夹持，所述第一管夹座具有磁性，所述第一管夹座能够磁性吸附固定在海底管道外壁上。

优选的，还包括多个MEMS传感器，各所述MEMS传感器固定设置在海底管道外壁上，各所述MEMS传感器与所述数据采集装置通信连接，且通过各所述MEMS传感器所测数据能够形成海底管道每一时刻时的三维形态。

优选的，所述第一夹具包括上管夹、下管夹和至少一个锁紧螺栓，所述下管夹与所述第一管夹座固定连接，所述上管夹设置在所述下管夹远离所述第一管夹座的一侧，且所述上管夹的一侧与所述下管夹的一侧绕第一轴线转动连接，且所述下管夹远离所述第一轴线的一端开设有至少一个螺纹孔，所述上管夹上开设有至少一个通孔，所述锁紧螺栓具有螺纹部和限位部，所述限位部尺寸大于所述通孔的尺寸，所述螺纹部能够穿过一个所述通孔与一个所述螺纹孔螺纹连接并实现所述上管夹与所述下管夹将一个所述第一超声波传感器阵列的一端夹紧或松开。

优选的，所述第二超声波传感阵列与一个固定环固定连接，所述固定环套设在海底管道外壁上且与海底管道能够拆卸地固定连接。

优选的，所述固定环包括第一半圆环和第二半圆环，所述第一半圆环一端与所述第二半圆环的一端转动连接，且所述第一半圆环的另一端和所述第二半圆环的另一端之间具有间距，所述第一半圆环远离所述第二半圆环的一端设置有至少一个螺纹杆，所述螺纹杆绕第二轴线与所述第一半圆环转动连接，所述第二半圆环远离所述第一半圆环的一端固定设置有至少一个固定支座，所述固定支座上开设有安装槽，所述螺纹杆绕所述第二轴线能够转至所述安装槽内，且位于所述固定支座远离所述第一半圆环一侧的所述螺纹杆上螺纹连接有螺母，所述螺母能够防止所述螺纹杆脱出所述安装槽。

优选的，所述第一超声波传感器阵列包括至少一个传感器组，各所述传感器组能够依次首尾连接，所述传感器组包括固定管、所述超声波传感器和所述MEMS传感器，所述固定管侧壁上设置有安装孔，所述MEMS传感器固定设置在所述固定管内，所述超声波传感器固定安装在所述安装孔内。

本发明还提供一种基于以上所述的海底管道悬空监测装置的海底管道悬空方法，包括以下步骤，

步骤一，使各所述第一超声波传感器完成第一次发射并接收超声波，通过所述数据采集装置采集各所述第一超声波传感器第一次发射和接收超声波的时间间隔数据并作为初次间隔时间；

步骤二，使各所述第一超声波传感器完成至少一次发射并接收超声波，通过所述数据采集装置采集各所述第一超声波传感器每次发射和接收超声波的时间间隔数据作为每次的间隔时间，根据每次的间隔时间以及初次间隔时间计算海底管道各个位置与海底的距离变化，若距离变化超出设定阈值，则进行海底管道的悬空预警。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本使用新型提供的海底管道悬空监测装置，通过在海底管道长度方向设置多个第一超声波传感器，通过每个第一超声波传感器发出超声波以及接收从海底反射回来的超声波之间的时间差值从而计算出海底管道距离海底的距离，在海底管道不同长度方向均设置第一超声波传感器，从而得出对海底管道在长度方向不同位置与海底之间距离的变化，进而实现对海底管道悬空状态的监测，采用超声波传感器能够使得测量数据更加精准，且操作者只需将各第一超声波传感器阵列固定在海底管道即可，安装操作简单方便。

进一步的，设置的第二超声波传感阵列一端是固定在海底的，另一端与海底管道固定连接，因此，在海底管道相对海底位置移动后会触发第二超声波传感阵列上的各第二超声波传感器的监测数据变化，通过各第二超声波传感器数据的变化能够进一步确定海底管道相对于海底的悬空状态，使得悬空状态的监测更精准。

进一步的，第一超声波传感器阵列通过第一固定件能够拆卸地固定在海底管道外壁上，其能够使得第一超声波传感器阵列的安装与拆卸简单方便。

进一步的，第一管夹座采用与海底管道通过磁吸的方式固定，借助消磁装置就能实现第一管夹座与海底管道的分离，且通过第一夹具与第一超声波传感器阵列的夹持固定，其安装方式简单方便。

进一步的，还设置有多个MEMS传感器，通过各MEMS传感器的数据实现对海底管道三维形态的重构，能够二次确认海底管道悬空状态情况，且构成的海底管道的三维形态方便操作者更直观的观测其变化情况。

进一步的，第一夹具采用上管夹和下管夹夹持固定的方式，操作简单，且通过缩紧螺栓的螺纹连接方式实现上管夹与下管夹之间夹持力的调整，其结构稳定可靠。

进一步的，第二超声波传感阵列通过固定环与海底管连接，其安装简单方便。

进一步的，固定环采用第一半圆环和第二半圆环夹持的方式固定在海底管道上，其连接方式简单，易操作，且通过螺纹杆与螺母的旋紧旋松搭配固定的固定支座，能够实现第一半圆环和第二半圆环之间夹持力松紧调节，实现固定环稳定牢固的固定在海底管道上。

进一步的，将超声波传感器和MEMS传感器均固定在固定管上，其结构简单，部件少，降低成本，且安装方便，仅将第一超声波传感器阵列固定在海底管道上即可完成超声波传感器和MEMS传感器的固定，安装操作也简单方便。

本发明提供的海底管道悬空监测方法，采用超声波传感器使得测量数据更加精准。

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为本发明提供的海底管道悬空监测装置的整体结构示意图；

图2为本发明提供的海底管道悬空监测装置中第一固定件的结构示意图；

图3为本发明提供的海底管道悬空监测装置中固定环的整体结构示意图；

图4为本发明提供的海底管道悬空监测装置中固定环连接结构示意图；

图5为本发明提供的海底管道悬空监测装置中第一超声波传感器阵列的整体结构示意图；

图6为本发明提供的海底管道悬空监测装置中软管连接的结构示意图；

图7为本发明提供的海底管道悬空监测装置中MEMS传感舱安装结构示意图。

图中：100-海底管道悬空监测装置；1-第一超声波传感器阵列；11-固定管；12-超声波传感器；13-MEMS传感器；14-软管；2-海底管道；3-第二超声波传感阵列；4-第一固定件；41-第一管夹座；42-上管夹；43-下管夹；44-锁紧螺栓；5-固定环；51-第一半圆环；52-第二半圆环；53-螺纹杆；54-固定支座；541-安装槽；55-轴杆；6-水泥基站；7-吊环；8-MEMS传感舱；81-插板；82-安装滑槽。

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悬空监测装置，以解决现有技术存在的问题，使海底管道悬空状态监测精度高，且装置安装简单方便。

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。

实施例一

本实施例提供一种海底管道悬空监测装置100，如图1所示，包括数据采集装置和至少一个第一超声波传感器阵列1，各第一超声波传感器阵列1均固定设置在海底管道2外壁上，且各第一超声波传感器阵列1均包括至少两个第一超声波传感器12，相邻两个第一超声波传感器12沿海底管道2轴线方向具有间距，且各第一超声波传感器12均能够发出超声波并接收由海底反射回来的超声波，各第一超声波传感器12与数据采集装置通信连接。通过在海底管道2长度方向设置多个第一超声波传感器12，通过每个第一超声波传感器12发出超声波以及接收从海底反射回来的超声波之间的时间差值从而计算出海底管道2距离海底的距离，在海底管道2不同长度方向均设置第一超声波传感器12，从而得出对海底管道2在长度方向不同位置与海底之间距离的变化，进而实现对海底管道2悬空状态的监测，采用超声波传感器12能够使得测量数据更加精准，且操作者只需将各第一超声波传感器阵列1固定在海底管道2即可，安装操作简单方便。

具体的，由MEMS传感器13组成的MEMS传感阵列是现有技术，且因MEMS传感阵列布放的限制，难以在有限的距离里面去布放更多的MEMS传感器13，传感阵列的测量精度是和传感器数量挂钩的，因此导致其在固定长度内的测量精度有一定的局限，而超声波传感器12没有这个局限性。

具体的，数据采集装置能够浮标中的卫星网络通讯设备通信连接且数据采集装置能够将各第一超声波传感器阵列1所采集的数据以及各第二超声波传感阵列3所采集的数据输送给卫星网络通讯设备，卫星网络通讯设备能够与岸上控制机无线通信连接，且卫星网络通讯设备能够将接收的数据无线传输给岸上控制机，从而实现对海底管道2悬空状态的实时监测。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，海底管道悬空监测装置100还包括至少两个第二超声波传感阵列3，各第二超声波传感阵列3一端与海底管道2外壁固定连接，且各第二超声波传感阵列3的另一端与海底能够固定连接，各第二超声波传感阵列3沿海底管道2轴线方向排布且相邻两个第二超声波传感阵列3之间具有间距，各第二超声波传感阵列3均包括至少一个第二超声波传感器12，各第二超声波传感器12能够发出超声波并接收由海底反射回来的超声波，各第二超声波传感器12与数据采集装置通信连接。设置的第二超声波传感阵列3一端是固定在海底的，另一端与海底管道2固定连接，因此，在海底管道2相对海底位置移动后会触发第二超声波传感阵列3上的各第二超声波传感器12的监测数据变化，通过各第二超声波传感器12数据的变化能够进一步确定海底管道2相对于海底的悬空状态，使得悬空状态的监测更精准。

具体的，第二超声波传感阵列3和第一超声波传感器阵列1设置为相同结构，其形成单元化结构部件，能够降低制作成本，且安装不易出现因结构不同而产生的错装问题。

具体的，第二超声波传感阵列3远离海底管道2一端固定连接有水泥基站6，水泥基站6能够在自重作用下沉入海底并保持位置固定，从而方便第二超声波传感阵列3远离海底管道2一端的固定。

具体的，水泥基站6与第二超声波传感阵列3之间的固定连接可以是能够拆卸地连接，从而方便连接与拆卸，也可以是焊接固定在一起的方式。

具体的，第二超声波传感阵列3的两端在竖直高度方向具有间距。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，各第一超声波传感器阵列1两端固定设置有第一固定件4，各第一固定件4与海底管道2外壁能够拆卸地固定连接。第一超声波传感器阵列1通过第一固定件4能够拆卸地固定在海底管道2外壁上，其能够使得第一超声波传感器阵列1的安装与拆卸简单方便。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，第一固定件4包括第一管夹座41和至少一个第一夹具，各第一夹具固定设置在第一管夹座41上，且各第一夹具能够夹持固定第一超声波传感器阵列1的一端或松开对第一超声波传感器阵列1的夹持，第一管夹座41具有磁性，第一管夹座41能够磁性吸附固定在海底管道2外壁上。第一管夹座41采用与海底管道2通过磁吸的方式固定，借助消磁装置就能实现第一管夹座41与海底管道2的分离，且通过第一夹具与第一超声波传感器阵列1的夹持固定，其安装方式简单方便。

具体的，第二超声波传感阵列3与固定环5之间也可以通过第一固定件4的结构方式固定连接。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，海底管道悬空监测装置100还包括多个MEMS传感器13，各MEMS传感器13固定设置在海底管道2外壁上，各MEMS传感器13与数据采集装置通信连接，且通过各MEMS传感器13所测数据能够形成海底管道2每一时刻时的三维形态。还设置有多个MEMS传感器13，通过各MEMS传感器13的数据实现对海底管道2三维形态的重构，能够二次确认海底管道2悬空状态情况，且构成的海底管道2的三维形态方便操作者更直观的观测其变化情况。

具体的，根据MEMS传感器13还能够实时读出海底管道2的悬空角度和变形程度，为后续维修、修复提供指导性意见。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，第一夹具包括上管夹42、下管夹43和至少一个锁紧螺栓44，下管夹43与第一管夹座41固定连接，上管夹42设置在下管夹43远离第一管夹座41的一侧，且上管夹42的一侧与下管夹43的一侧绕第一轴线转动连接，且下管夹43远离第一轴线的一端开设有至少一个螺纹孔，上管夹42上开设有至少一个通孔，锁紧螺栓44具有螺纹部和限位部，限位部尺寸大于通孔的尺寸，螺纹部能够穿过一个通孔与一个螺纹孔螺纹连接并实现上管夹42与下管夹43将一个第一超声波传感器阵列1的一端夹紧或松开。第一夹具采用上管夹42和下管夹43夹持固定的方式，操作简单，且通过缩紧螺栓的螺纹连接方式实现上管夹42与下管夹43之间夹持力的调整，其结构稳定可靠。

具体的，限位部上固定设置有把手，便于操作者转动安装与拆卸。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，第二超声波传感阵列3与一个固定环5固定连接，固定环5与海底管道2能够拆卸地固定连接。第二超声波传感阵列3通过固定环5与海底管连接，其安装简单方便。

具体的，固定环5上还固定设置有至少一个吊环7，方便安装时吊装设备的吊装操作。

具体的，吊环7焊接在固定环5上。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，固定环5包括第一半圆环51和第二半圆环52，第一半圆环51一端与第二半圆环52的一端转动连接，且第一半圆环51的另一端和第二半圆环52的另一端之间具有间距，第一半圆环51远离第二半圆环52的一端设置有至少一个螺纹杆53，螺纹杆53绕第二轴线与第一半圆环51转动连接，第二半圆环52远离第一半圆环51的一端固定设置有至少一个固定支座54，固定支座54上开设有安装槽541，螺纹杆53绕第二轴线能够转至安装槽541内，且位于固定支座54远离第一半圆环51一侧的螺纹杆53上螺纹连接有螺母，螺母的外径大于安装槽541的内径。固定环5采用第一半圆环51和第二半圆环52夹持的方式固定在海底管道2上，其连接方式简单，易操作，且通过螺纹杆53与螺母的旋紧旋松搭配固定的固定支座54，能够实现第一半圆环51和第二半圆环52之间夹持力松紧调节，实现固定环5稳定牢固的固定在海底管道2上。

具体的，第一半圆环51上固定设置有至少一个支架板，各支架板上开设有穿孔，穿孔内穿设有轴杆55，轴杆55能够在穿孔内绕穿孔轴线转动，各螺纹杆53的一端与轴杆55固定连接。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，第一超声波传感器阵列1包括至少一个传感器组，各传感器组能够依次首尾连接，传感器组包括固定管11、超声波传感器12和MEMS传感器13，固定管11侧壁上设置有安装孔，MEMS传感器13固定设置在固定管11内，超声波传感器12固定安装在安装孔内。将超声波传感器12和MEMS传感器13均固定在固定管11上，其结构简单，部件少，降低成本，且安装方便，仅将第一超声波传感器阵列1固定在海底管道2上即可完成超声波传感器12和MEMS传感器13的固定，安装操作也简单方便。

具体的，固定管11内设置有至少一个安装滑槽82，MEMS传感器13密封固定放置在MEMS传感舱8内，且MEMS传感舱8上固定设置有至少一个插板81，插板81能够插入安装在一个滑槽内实现MEMS传感舱8在固定管11内的安装，插板81与安装滑槽82之间为过盈配合。

具体的，固定管11的材质采用不锈钢-316材料，防止海水腐蚀。

本实施例的可选方案中，较为优选的，如图1所示，相邻两个传感器组之间设置有一个软管14，软管14的两端分别与一个传感器组固定连接。相邻两个传感器组之间通过软管14连接，当海底管道2外壁附着有凸起物时，软管14连接的方式能够使传感器组与海底管道2外壁更贴合。

具体的，软管14能够承受较大的柔性变形。

具体的，软管14为橡胶管，具体的，软管14材质可以为三元乙丙橡胶材料。

具体安装操作为：

步骤一，先将各第二超声波传感阵列3与水泥基站6以及固定环5固定连接好，通过起吊装置吊取水泥基站6以及固定环5下放至海底指定位置；

步骤二，派遣蛙人下潜至指定位置并将固定环5固定安装在海底管道2上实现各第二超声波传感阵列3的安装连接，再将各第一超声波传感器阵列1两端的第一固定件4吸附固定在海底管道2上并保持各第一超声波传感器阵列1与海底管道2外壁的贴合；

步骤三，数据采集装置开始采集数据并将数据传输至卫星网络通讯设备，然后通过无线传输方式将数据传输至岸上控制机，实现对海底管道2悬空状态的实时监测。

实施例二

本发明提供一种基于实施例一中海底管道悬空监测装置100的海底管道悬空监测方法，包括以下步骤，

(1)完成安装后，各第一超声波传感器阵列1和各第二超声波传感阵列3分别完成第一次发送和接收超声波，并使得岸上控制机接收各自的第一次间隔时间，将其记录为初次的间隔时间。

(2)各第一超声波传感器阵列1以及各第二超声波传感阵列3随着时间不断完成多次的超声波的发送与接收，并使得岸上控制机接收每次各自的间隔时间，岸上控制机根据不同的间隔时间和初始时间进行数据处理输出海底管道2各个位置与海底的距离变化，若距离变化超出设定阈值，则进行海底管道2的悬空预警。

(3)在以上距离超出设定阈值的基础上，通过各MEMS传感器13测得的数据对海底管道2是否发生位移变形进行进一步判断，若判断确认得出海底管道2已经悬空，使用MEMS传感阵列计算得到海底管道2悬空角度，并将悬空角度返回至岸上控制机，完成海底管道2悬空的监测。

本发明中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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。