廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的制作方法

本发明涉及一种浮式平台廊安装式钢筋束张力监测系统。

背景技术：

张力腿平台或“tlp”已在石油和天然气的海上生产中使用一段时间。张力腿平台通常由平台的每个角处的钢筋束组系泊。给定平台的寿命可能在20年到50+年之间的任何时间，且因此需要将系统放置在适当位置以检测平台的钢筋束张力，从而确保平台可以继续可靠且安全的操作。随着时间的推移，几种不同的钢筋束张力监测配置已成为海上tlp的首选解决方案。每种配置都涉及负载测量单元和传感器的使用。一种配置使用内嵌传感器，而另一种配置使用廊安装式传感器。内嵌系统类型通常安装为钢筋束链的一部分，而廊安装式系统类型不是钢筋束的一部分，而是代替地预安装为钢筋束顶部连接设备的一部分。内嵌钢筋束张力监测系统(“ttms”)通常将配置成采用由钢筋束管或锻造管件的相对较长区段组成的负载测量单元，且连接在内嵌靠近钢筋束主体顶部处。在内嵌系统可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器的已知配置中，所述传感器可配置且安装在面对的凸缘上，所述面对的凸缘附接到内嵌系统的负载测量区段外。

相比于内嵌系统，廊安装式钢筋束张力监测系统(“ttms”)通常配置有三个或多于三个压缩类型测力计，其布置成围绕钢筋束顶部连接器组合件(“tca”)中的开口且介于定位在顶部连接器柔性元件上方或下方的轴承板之间。

随着时间推移，变得显而易见的是，配置于内嵌钢筋束张力监测系统上的可变磁阻测量技术传感器明显比通常配置在廊安装式钢筋束张力监测系统中的测力传感器更可靠。内嵌系统的初始成本远远超过廊安装式系统的初始成本。然而，传统廊安装式系统不能提供超过五到十年的使用寿命，且维护廊安装式系统需要巨大的额外成本，这是因为必须移除受维护钢筋束的张力。因此，期望在廊安装式系统中配置更可靠的可变磁阻测量技术传感器。此种设置的一个问题是传统可变磁阻测量技术传感器不具有充分的位移灵敏度，不能用作廊安装式系统的一部分。由于钢筋束廊与钢筋束顶部连接器组合件之间的可用空间有限，因此还存在空间方面的考虑因素。传统可变磁阻测量技术传感器还不拟合典型廊安装式系统要求的空间轮廓。

关于可变磁阻测量技术传感器，若干现有技术文档公开了内嵌vrmt传感器设计，这些文档包含第7,493,827号、第6,752,039号和第6,422,089号美国专利；以及第10/848,525号美国专利申请。若干现有技术文档中还公开了机械放大器系统和方法，这些文档包含第6,880,408号美国专利、第60/375,789号美国专利申请以及第pct/us03/12869号pct申请。现有技术文档中还公开了负载监测系统和方法，这些文档包含第6,748,809号美国专利、第10/848,600号和第11/152,303号美国专利申请以及第pct/us03/15974号pct申请。

关于vrmt传感器设计，现有技术第7,493,827号美国专利描述了vrmt传感器，作为使用支撑件管中含有的相对磁芯的传感器，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。磁芯中的每一个附接到支撑管的相对端。因此，当支撑管沿着管轴延伸时，垂直于管轴的支撑管的端部分离。形成磁路，其具有由磁芯之间的间隙大小限定的电感。因此，当附接到管端的磁芯分离时，磁芯之间的间隙大小增大。因此，当更改电感时，可确定已发生延伸的量。已知支撑管材料的弹性特性，可以计算出施加到支撑管的力的量。类似地，支撑管的收缩导致指示应力减少的量的电感改变。替代地，支撑管相对于其安装在其上的结构可具有极小刚度，使得没有负载穿过支撑管，且其仅位移与附接点之间的区中的结构位移相同的量。在已知负载下测试组合以提供校准。

第7,493,827号美国专利继续指出，磁芯中的一个通常优选地以c形配置，且借助于托架附接到端板。端板可以是管端中的一个，或又附接到支撑管的另一板。c形优选用于磁芯中的一个，使得绕组可放置在c形芯的端部处。另一磁芯优选地是i形，且借助于第二托架附接到第二端板。与第一端板类似，第二端板可以是另一管端，或又附接到支撑管的另一板。因此，在含有传感器的支撑管内形成腔。优选地，含有传感器的腔以阻止水或其它破坏剂进入腔并损坏传感器或其布线的方式密封。腔也可填充有低硬度弹性体灌封材料、硅油或用于保护组件免受例如水等环境试剂的影响的任何其它适合的材料。可根据传感器的预期环境暴露来选择弹性体灌封材料。举例来说，在某些应用中，如果在高海拔或空间处使用传感器，则低排气材料可能是适当的，而如果在海平面以下例如水下或地下使用传感器，则低压缩材料可能更好。

连续对vrmt传感器的描述，第7,493,827号美国专利还描述了激励线圈卷绕在磁芯中的一个上的磁极周围，并针对电感提供电连接，所述电感的值可随间隙的宽度以及支撑管的轴向失真变化而变。在优选实施例中，存在两个激励线圈，各自围绕c形芯的分离端。此布置使由于边缘效应引起的响应的非线性最小化。两个线圈的电线扭转并附接到将其连接到外部电路的电缆线。因此，当受外部ac电压激励时，c芯、i芯和c芯与i芯之间的间隙形成磁路的元件。此元件的磁阻由间隙决定，这是因为c芯和i芯由具有极小磁阻的高磁导率磁性材料构成。传感器电感与谐振电感-电容(lc)电路中的固定、预先确定的电容耦合。lc电路的谐振频率是c形芯与i形芯之间的间隙的函数。因此，间隙尺寸的改变导致振荡频率的改变频率。由于传感器中的唯一可变组件是激励线圈的数量，因此传感器不受漂移影响。

最后，当描述内嵌传感器配置中使用的vrmt传感器时，第7,493,827号美国专利指出，为了测量例如系泊海上平台的链条等静态装置上的负载，支撑管固定地附接到传感器连杆的表面，且传感器连杆作为链条中的连杆放置。可使用螺栓，通过焊接或任何其它合适的附接方式将支撑管附接到传感器连杆的表面。为了使传感器测量传感器连杆上的负载，优选的是传感器管材料和传感器连杆材料是兼容的，更优选地是相同材料或具有相同或类似热膨胀系数的材料。在优选实施例中，支撑管和传感器连杆是钢制的。当用于海上应用时，优选的是对支撑管和传感器连杆施加保护涂层。

机械放大器也已经与vrmt传感器结合使用，其中一种此类放大器配置在现有技术第6,880,408号美国专利中已进行描述，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。此种放大器被描述为通常通过将位移乘以承载构件的刚度来放大给定负载，以便获得可靠的位移测量。测量精确度占满量程负载的百分比取决于装置可以解决的最小位移与满载下的位移之比。在此专利中，机械放大器的实施例被描述为包括：第一放大器安装垫和第二放大器安装垫，第一放大器安装垫和第二放大器安装垫中的至少一个连接到承载构件；第一传感器安装垫和第二传感器安装垫，其经由柔性连接构件连接到第一放大器安装垫和第二放大器安装垫；以及传感器，其连接到第一传感器安装垫和第二传感器安装垫。

关于廊安装式系统的传统设计，压缩测力计已用于此类系统中，且如所配置，它们具有所需的灵敏度以在钢筋束廊与钢筋束顶部连接器组合件之间的有限可用空间中工作。通常配置在廊安装式系统中的压缩测力计的一个主要缺点是在仅仅几年的服务之后，它们开始提供不可靠的测量信号。这对于可能具有20年到50年的使用寿命的浮式平台是不利的，因为这意味着压缩测力计通常需要在平台的寿命期间进行维护。除了这个缺点，压缩测力计和其嵌入式传感器无法在没有完全移除相关联的钢筋束线的张力的情况下进行维护或更换。这导致给定平台的维护成本增大且潜在的停工时间增加，从而引发额外成本。

关于廊安装式压缩测力计钢筋束张力监测系统的另一缺点是离散压缩测力计沿着钢筋束顶部连接器组合件的中心轴围绕钢筋束线的中心轴布置。这导致从上负载板到下负载板的不连续负载路径。这要求负载板足够坚硬以抵抗测力计接触点之间的显着偏转，并且还足够宽以在离散压缩测力计之间传递钢筋束力。这两个因素导致沉重且昂贵的板区段，这产生巨大的初始成本且同样需要额外的维护费用。

因此需要一种廊安装式钢筋束张力监测系统，其随着时间的推移降低了维护要求并且在需要时具有更简单的可维护性。还期望优化和利用廊安装式钢筋束张力监测系统中的可变磁阻测量技术传感器。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于张力腿平台的廊安装式钢筋束张力监测系统，其利用可变磁阻测量技术传感器代替传统桥式“测力”传感器。因此，此钢筋束张力监测系统有利地在其寿命期间具有较短的预期维护间隔，同时还可在不完全移除张力腿平台的给定支腿的张力的情况下进行维护。本文中所描述的钢筋束张力包含监测系统可变磁阻测量技术传感器的优化配置，其中传感器围绕其c芯的各端具有增多的电线匝数，或替代地所述传感器安装在机械放大器或两者上。优化的可变磁阻测量技术传感器的阵列可配置为廊安装式系统的一部分。传感器可定位在钢筋束顶部连接器凸缘之间且可配置成测量凸缘之间的间隙。接着，系统可基于此间隙的改变而计算和报告钢筋束张力。由于不需要传感器来支撑压缩负载的大部分以起作用，因此支撑负载可由集中式压缩气缸提供，从而产生更小、更高效的结构，其在需要更换传感器时不需要拆卸。

附图说明

一个或多个示例性实施例及其修改的各个方面和伴随的优点将变得更容易理解，因为当结合附图时通过参考以下详细描述其变得更好理解，在附图中：

图1是廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的实施例的侧剖视图。

图2是配置在机械应变放大器中的优化的廊安装式可变磁阻测量技术传感器的透视图。

图3是如图1中所示出的可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的廊安装式可变磁阻测量技术传感器的一侧的放大侧剖视图。

图4是如图1中所示出的可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的钢筋束张力监测区段的一侧的放大侧剖视图。

图5是是在移除上负载板的情况下如图1中所示出的可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的钢筋束张力监测区段的放大俯视图。

图6是图1中所示出的可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的钢筋束张力监测区段的侧透视分解视图。

图7是廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的替代实施例的侧剖视图。

图8是廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的替代实施例的侧剖视图，其中钢筋束张力监测系统配置成在柔性元件下方。

图9是廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的替代实施例的侧剖视图，其中钢筋束张力监测系统配置成在柔性元件下方且可变磁阻测量技术传感器各自安装于机械应变放大器中。

图10是现有技术可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器的侧视图。

图11是优化的廊安装式可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器的侧视图，如可在廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的实施例中配置。

图12是示出对于优化的廊安装式可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器的若干实施例电感作为绕组数量的函数的图形表示，如可在廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的实施例中配置。

具体实施方式

在图式的参考附图中说明示例性实施例。预期本文中所公开的实施例和图被视为说明性而非限制性的。对随后的技术范围的限制不应归于附图中所示和本文所讨论的实例。

本文中描述一种廊安装式钢筋束张力监测系统(“ttms”)，其使用优化的可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器，代替传统“测力”式传感器。此种系统通常结合用于浮式平台的竖直系泊系统安装。这些系统通常用于海上1000到6000英尺水深的平台，但它们也可用于此范围之外的其它深度处。一般来说，钢筋束张力监测系统有助于确认系泊的张力是否足以确保平台系统的固有频率足够高于波频率以及可能影响平台稳定性的其它自然发生的条件。与其中配置离散压缩“测力计”的先前的廊安装式钢筋束张力监测系统不同，在实施例中，新设计配置有单个圆柱形压缩单元，其与顶部连接器组合件(“tca”)的力线轴对称。此配置的益处包含：(1)tca的上负载板与下负载板之间的传递力围绕板与压缩单元之间的接触表面的圆周是连续的，且压缩单元和传感器在径向间距方面比典型的廊安装式钢筋束张力监测系统压缩测力计更紧凑；这使得tca负载板的尺寸、重量和成本显着降低，并且使得板更容易在现场处理；(2)传感器与压缩单元分离，且可以在不移除钢筋束张力的情况下进行更换；这使得ttms的可维护性更加简单；以及(3)传感器基于可变磁阻测量技术传感器，由此与传统的“测力”式钢筋束张力监测系统传感器相比，可提供更高的准确度和明显更长的预期使用寿命。

重新设计先前可变磁阻测量技术传感器以允许其更换先前系统的传统“测力”式传感器也是必要的。在实施例中，优化的廊安装式vrmt传感器可在c芯的每个端处配置有增多的电线匝数。在实施例中，优化的廊安装式vrmt传感器可配置有机械放大器。在另一实施例中，优化的廊安装式vrmt传感器可在c芯的每个端处配置有增多的电线匝数，且配置有机械放大器。

在实施例中，廊安装式钢筋束张力监测系统可由优化的廊安装式vrmt传感器的阵列组成。此阵列可配置成安装于空间中的钢筋束顶部连接器凸缘之间，在先前设计中，所述空间已被压缩“测力”式传感器占用。优化的廊安装式vrmt传感器通过测量凸缘之间的间隙来进行操作。接着，系统可使用此测量来基于间隙的改变而计算和报告钢筋束张力。随着负载增大，间隙将减小，这与先前设计内嵌系统的配置方式相反。

相比之下，在传统“测力”式传感器系统中，钢筋束负载通过测力计自身在凸缘之间传递。在廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统(“pm-vrmt-ttms”)的实施例中，通过安装于两个凸缘之间的单个圆柱形压缩单元承载负载。对于所描述的任一vrmt传感器安装位置，vrmt传感器放置成使得它们在负载路径外。这提高了系统的可靠性且能够在维持钢筋束张力且系统仍处于操作状态中的同时维护vrmt传感器。

参看图1到6，示出廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统(“pm-vrmt-ttms”)10的实施例。此系统和/或组合件包含优于先前设计的若干益处，如所附段落中所描述。参看图1，pm-vrmt-ttms10包含以下区段中的每一个：顶部连接器组合件12、钢筋束张力监测区段14和下部连接器组合件16。顶部连接器组合件12可包含滑动/碗形组合件20、夹具22，且还可包含其它组件。顶部连接器组合件帮助将pm-vrmt-ttms10紧固到容纳钢筋束的钢筋束张力管18。在实施例中，钢筋束张力监测区段14可包含上负载板24、下负载板26、橡胶保护罩34、各自安装于机械应变放大器30中的多个优化的廊安装式vrmt传感器28，以及单个圆柱形压缩单元40。在替代实施例中，多个圆柱形压缩单元可配置成围绕中心压缩单元，或者如果不存在中心压缩单元，则可安装内部弹性体保护罩以抵挡海水从负载板的内孔进入。在图1到6中所示出的实施例中，示出六个vrmt传感器28，其各自安装在机械应变放大器30中、上负载板24与下负载板26之间。在实施例中，可配置更多或更少传感器，且每个传感器的间距/位置也可与所示出的不同。图2示出安装于机械放大器应变计30中的优化的廊安装式vrmt传感器28中的一个。图3说明安装于机械放大器应变计30中的传感器28中的一个的放大侧视图。在此视图中，更明显地示出机械放大器应变计安装槽32。在实施例中，这些槽32可配置成有助于pm-vrmt-ttms10的可维护性。图4说明安装于应变放大器30中且配置成在上负载板24与下负载板26之间的所述多个优化的廊安装式vrmt传感器28的侧视图。图5类似地说明图4的配置的俯视图。图6接着示出图1、4和5的钢筋束张力监测区段14的此相同部分的分解透视图。在此视图中，示出上负载板24与下负载板26间隔开。示出优化的廊安装式vrmt传感器28在下负载板26上。还示出外橡胶圆柱形保护罩34与下负载板26间隔开。此保护罩放置在适当位置以保护传感器28且可由各种材料制成，其中橡胶最典型。环绕橡胶保护罩与上负载板和下负载板之间的vrmt传感器的空隙区域通常还将填充有非导电流体，例如硅酮基流体或凝胶。还可使用其它非水流体。非导电流体或凝胶的目的是添加放置测力计材料、传感器、导电设备和灯具被海水腐蚀劣化的额外预防措施。

在图1、4和5的钢筋束张力监测区段14的实施例中，保持应变放大器30和vrmt传感器28的每个槽32也可朝向负载板的外端延伸，使得当维护给定传感器时，它们可更容易地滑入和滑出其功能位置。当配置时此特征可允许应变放大器30和vrmt传感器28更容易地被维护和更换。

参看图7，示出廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统(“pm-vrmt-ttms”)10的替代实施例。在大多数情况下，此实施例类似于关于图1到6描述的实施例且具有与关于图1到6描述的实施例相同的结构特征，此处的差异在于从系统移除机械应变放大器。对于由图7所说明的实施例，优化的廊安装式vrmt传感器28安装到上负载板24和下负载板26，而不需要配置机械应变放大器。如上文和下文参看图11所描述，在此实施例中，优化的廊安装式vrmt传感器28可用于此布置。

再次参看图7，说明下部连接器组合件16且其定位在钢筋束张力监测区段14下方。此组合件可包含柔性元件36、下部连接器元件38，且还可包含其它组件。下部连接器组合件16有助于将钢筋束张力监测区段14紧固到钢筋束管18。

参看图8和图9，示出廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统110的替代实施例，其中钢筋束张力监测系统配置成在柔性元件136下方。图8说明其中在无机械应变放大器的情况下配置vrmt传感器128的实施例，且图9说明其中vrmt传感器128各自配置有机械应变放大器130的实施例。

再次参看图8和图9，在示出的实施例中，顶部连接器组合件112可包含滑动/碗形组合件120、夹具122，且还可包含其它组件。示出六个vrmt传感器128，其配置成在柔性元件136下方且在子柔性元件上负载板138与子柔性元件下负载板148之间。在实施例中，可配置更多或更少传感器，且每个传感器的间距/位置也可与所示出的不同。在实施例中，槽(未示出)可配置成有助于vrmt传感器128的可服务性。在实施例中，还可配置外橡胶圆柱形保护罩134。此保护罩放置在适当位置以保护传感器128且可由各种材料制成，其中橡胶最典型。环绕橡胶保护罩与上负载板和下负载板之间的vrmt传感器的空隙区域通常还将填充有非导电流体，例如硅基流体。还可使用其它流体。在vrmt传感器128的内侧上，示出单个圆柱形压缩单元140，但可配置多个圆柱形压缩单元。类似于其它实施例，系统110在其下端上连接到钢筋束管118。

在可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的各种所描述的实施例中，在每个实施例中配置的vrmt传感器的变化放置将影响系统的弯曲力矩且因此可将不同校正因子应用于vrmt传感器的测量，以解决此差异。

关于廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的电子布线，必须对每个优化的廊安装式vrmt传感器布设电缆，使得读数可被计算系统收集和处理且接着中继给操作人员。在实施例中，传感器的电缆线通常将从传感器布设，且通过橡胶线环(或填料压盖)从钢筋束张力监测区段14伸出，使得负载板之间的腔中的流体材料不会逸出。接着，电缆线可延伸到中继点或一直延伸到表面。电缆线配置的一个可能实施例的说明并不意味着受到限制且可采用各种电缆线配置。举例来说，传感器还可无线地传递其测量数据且所述传感器可由硬电力线或由电池系统供电。在典型配置中，vrmt传感器和信号调节设备由硬接线电力线供电并通过有线连接中继数据。替代地，传感器可连接到电池供电的信号调节/数据采集单元，其配备有可供驾驶员或远程操作车辆(rov)检索的数据存储模块。如本领域的普通技术人员所理解，可利用多个不同布线路径配置。

如上文所提及，计算系统可用以收集、记录、处理、分析、广播和显示来自本文中所描述的系统的优化的廊安装式vrmt传感器的读数。系统也可用以确定传感器可能何时出现故障且提供不准确的读数。确定传感器是否提供不准确的读数的一个方法是将其与围绕钢筋束部署的同一传感器包或组中的其它传感器相比较。如果传感器报告值不同于其包或组中其它传感器，那么这可能指示传感器需要更换。

参看图10，示出现有技术可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器。此vrmt传感器设计具有如先前在内嵌式vrmt钢筋束张力监测系统上使用的典型线圈位置。如先前所提到，由于廊式“测力”式传感器的先前设计的空间约束，此vrmt传感器设计将无法在传统廊配置上使用。

参看图11，示出优化的廊安装式vrmt传感器设计。在如本文中所描述的廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的实施例中，可配置此传感器。如可在此设计中看出，线圈位置已更改，其中第一线圈50和第二线圈60中的每一个在c芯70的每个端部的第一左侧52和第二支腿62向上移动。示出vrmt传感器i芯80。vrmt传感器的i芯与c芯一起充当一对磁导性芯元件。每个磁导性芯元件安装到单独负载板，使得负载板之间的变化距离致使i芯与c芯之间的间隙改变。对围绕c芯的端部的绕组通电的ac电压提供电感，其随间隙变化而变化，且因此随负载板之间的位移变化而变化。可基于tlp的钢筋束的预期或设计拉伸负载点来调谐和/或配置一个或多个圆柱形压缩单元的刚度。上文所描述的现有技术vrmt传感器的另一优化是第一线圈50和第二线圈60中的线圈绕组的数量增加。通过增加每个线圈中的绕组的数量，电感值增大且可获得更大的测量灵敏度。举例来说，现有技术线圈配置有82匝的24awg电线，且在优选实施例中，优化的廊安装式vrmt传感器线圈可配置有164匝的24awg电线。此实例并非意图为限制性的。这些优化允许在如本文中所描述的廊安装式钢筋束张力监测系统的各种实施例中配置优化的廊安装式vrmt传感器，且允许为给定vrmt传感器产生更宽范围的位移测量。

参看图12，示出图形表示，其说明对于优化的廊安装式可变磁阻测量技术(“vrmt”)传感器的各种可能配置电感关于绕组数量的函数，如可在廊安装式可变磁阻测量技术钢筋束张力监测系统的实施例中配置。如以上段落中所论述，此图形表示说明通过增加每个线圈中的绕组的数量，可增大电感值并且可获得更大的测量灵敏度。如所提到，通过优化卷绕数且因此优化vrmt传感器的灵敏度，可获得给定vrmt传感器的更宽范围的位移测量。

尽管本文公开的概念已经结合实践其和对其修改的优选的形式描述，但是本领域普通技术人员将理解可对其进行许多其它修改。因此，不旨在这些概念的范围以任何方式受到上述实施例描述的限制。