一种可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统的制作方法

本实用新型属于海洋工程装备技术领域，涉及海洋立管振动监测系统，尤其是一种可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统。

背景技术：

随着海洋石油开采逐步向深水推进,以立管为代表的海洋结构物的涡激振动问题日益备受重视。立管是海洋平台和海底井口之间的主要构件,同时也是比较容易损坏的构件。当一定速度的海流和波浪流经立管时,会在其周侧形成交替脱落的旋涡,旋涡的脱落会对立管产生一个周期性的交变力,使得其管道产生涡激振动,管道的振动反过来又对流场产生影响,使得旋涡增强。当旋涡脱落频率和立管自振频率接近时,旋涡的泄放将被结构的振动所控制,发生“锁频”现象,从而导致立管振动加剧,造成疲劳破坏。目前对于立管运动特性的监测方法是在立管上安装监测仪器，通过电缆为仪器提供电力，同时将监测数据进行输出。该方法虽然可以有效地监测立管振动，但未能有效节省能源，同时在线路损坏时会导致监测失败。

上述立管在涡激状态下产生的振动，对立管结构可能造成破坏，但同时也是一种能源。

中国专利申请(申请号：201510381858.1)“一种摆锤式海洋立管涡激振动自发电监测装置”，公开了一种可自发电的立管监测装置，其是在立管周围的某一个位置安装自发电监测装置，随着立管发生往复振动使安装在立管上的装置也产生往复的相对运动，振动切割磁感线后产生电流用于立管监测装置。但该方案的发电效果会受到立管振动方向和来流方向的影响，发电效果有一定的局限性。中国专利申请(申请号：201510215304.4)“翼摆式海洋立管涡激振动自发电监测装置”，由于其将立管运动状态的监测信息仅储存于SD卡中，对立管运动情况的监测无法实现实时反馈。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统，无论来流方向如何，均可利用立管涡激振动所产生的能量发电，同时可将电力提供给监测传感器和水声换能器，并能将监测数据自动发回平台或基地。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案。

本实用新型的一种可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统，包括立管、壳体、水声换能器、发电装置、整流器、蓄电池组、升压变压器和传感器；

所述的壳体包括至少2个可拆分的水密空腔壳体组件，采用环抱方式固定于立管上；

所述的每个可拆分的空腔壳体组件内，分别设置有至少2层隔板；在环绕于立管周边的所述每层隔板上重量平衡地设置有所述的发电装置、整流器、蓄电池组、升压变压器和传感器；

所述的发电装置包括空心线圈；每个空心线圈内放置一个磁铁，其两端与一个弹簧端相连，弹簧的另一端固定在一个发电装置支撑架上；多个所述的发电装置均布于立管周边；

所述的立管振动时带动发电装置振动发电，产生的交流电经电缆传输到整流器并转变为直流电，储存于蓄电池组；

所述的蓄电池组内的电流经过所述的升压变压器后供给所述的传感器；传感器监测立管在深海中的运动状态；

所述的水声换能器设置于壳体的顶部，将传感器监测到的电信号转化为声信号，水介质将声信号传递到水上接收换能器并转换为电信号，从而海洋工作平台的电接收机将电信号转换成所需要的声音、图片及文字监测信息。

进一步的，所述的采用环抱方式固定于立管上的壳体，包括左、右两个半圆环状水密空腔壳体组件。

而且，所述的右半圆环状水密空腔壳体组件内用隔板分成至少4层，每层放置至少3个发电装置，并分别用一个发电装置支撑架进行固定。

其中，所述的左半圆环状水密空腔壳体组件内用隔板分成至少4层；第一层放置升压变压器，传感器，第二层放置整流器和蓄电池组；另两层放置发电装置。

进一步的，所述的蓄电池组，包括多个锂电池用电池支架相互固定，连接片安装在每个锂电池的上方用于电路连接。

进一步的，所述的发电装置的电路系统包括主电路和辅助电路；所述的主电路包括依次串联的发电装置、整流器、蓄电池组、升压变压器、传感器和水声换能器；所述的辅助电路分别与传感器、以及蓄电池组的输出端相连，用于控制主电路的通断和保护主电路的正常工作。

与现有技术相比，本实用新型包括以下优点和有益效果：

1.本实用新型的监测系统，可以利用立管涡激振动所产生的能量发电，同时可将电力提供给监测传感器和无线天线，并能将监测数据自动发回平台或基地。

2.本实用新型通过立管涡激振动带动水密壳体振动，使壳体内的线圈与磁条产生相对运动即切割磁感线，从而在线圈内产生感应电流；通过对感应电流进行整流和变压，将电量全部储存于蓄电池中。利用立管涡激振动进行自发电，将电量供给传感器，用来监测立管振动过程中的加速度、位移、倾角等运动状态。

3.本实用新型的自发电监测系统采用环抱的形式固定在立管的四周，绕立管一周都设有发电装置，无论立管在哪个方向发生位移，发电装置都可以随之振动，都会有电流产生。这种设计可以大大提高发电装置的发电效率，从而保证对传感器及水声换能器供给充足的电量。

4、对于立管涡激振动的监测，本实用新型采用水声换能器将传感器监测到的电信号转化成声信号，信息传递到接收换能器又转换成电信号，解码器将数字信息破译后最终可以及时将监测结果传输到水上工作平台。可以将立管破坏的可能性以及事故发生的概率大大降低。

附图说明

图1是本实用新型可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统的一种实施例的结构示意图。其中，为了更好地说明内部结构，图1中的水密空腔壳体组件处于拆分状态。

图2是本实用新型的一种实施例的整体结构外部示意图。

图3是本实用新型的一种实施例的右半边壳体内部结构示意图。

图4是本实用新型的一种实施例的左半边壳体内部结构示意图。

图5是本实用新型的一种实施例的发电装置内部结构示意图。

图6是本实用新型的一种实施例的蓄电池组的示意图。

图7是本实用新型的一种实施例的发电装置的电路系统的流程图。

其中，10壳体，11水密空腔壳体组件，13密封盖，14螺钉，15垫圈；20电缆，21接头；30水声换能器；40发电装置，41线圈，42磁铁，43弹簧；50隔板，51圆孔；60发电装置支撑架；70整流器；80蓄电池组，81锂电池，82电池支架，83连接片；90升压变压器，100传感器；200立管。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步详细说明。

图1是本实用新型可自发电的环抱式海洋立管振动监测系统的一种实施例的具有局部剖面的结构示意图。为了更好地说明内部结构，图1中的水密空腔壳体组件处于拆分状态。如图1所示，本实施例包括：立管200、壳体10、水声换能器30、发电装置40、整流器70、蓄电池组80、升压变压器90和传感器100。

所采用的水密壳体10包括至少2个可拆分的水密空腔壳体组件11，采用环抱方式固定于立管200上。

所述的每个可拆分的空腔壳体组件11内，分别设置有至少2层隔板50；在环绕于立管200周边的所述的每层隔板50上重量平衡地设置有所述的发电装置40、整流器70、蓄电池组80、升压变压器90和传感器100。

图2是本实用新型的一种实施例的整体结构外部示意图。从图2可看出，所述的采用环抱方式固定于立管200上的壳体10，包括左、右两个半圆环状水密空腔壳体组件11。由于海洋立管的长度过长，为了方便壳体10的安装和替换故将其设计成半圆环状，从而可以将监测装置安装在立管的任意位置。安装时，用螺钉14将左、右两个半圆环状水密空腔壳体组件11固定；当所有零部件安装于壳体10内后，需在左半圆环状水密空腔壳体组件11上方加一个密封盖13保证此装置的完全密封。考虑到本系统是在深海环境中，海水可能会造成线圈和弹簧等零部件的腐蚀，设备容易损坏，因此将壳体10完全密封，可以有效延长系统中各零部件的使用寿命。

图3是本实用新型的一种实施例的右半边壳体内部结构示意图。如图3所示，本实施例的右半圆环状水密空腔壳体组件11内用隔板50分成4-6层，也可根据所需电量增加层数。每一层放置3-5个发电装置4并用发电装置支撑架6将其固定。每一层隔板上都有一个通孔51，用于输送电缆2。

图4是本实用新型的一种实施例的左半边壳体内部结构示意图。如图4所示，本实施例的左半圆环状水密空腔壳体组件11内同样分4-6层(为保持重量平衡，必须与右半边一致)；第一层放置升压变压器90，传感器100；第二层放置一个整流器70，1-2组蓄电池组80；其余几层放发电装置40。传感器10包括加速度传感器、倾角传感器、位移传感器、压力传感器等，可根据需求任意替换。

图5是本实用新型的一种实施例的发电装置内部结构示意图。如图1和5所示，其发电装置40包括空心线圈41；每个空心线圈41内放置一个磁铁42，其两端与一个弹簧43端相连，弹簧43的另一端固定在一个发电装置支撑架60上。安装弹簧43、磁铁42装配体是为了在立管发生振动时，通过弹簧43带动磁铁42振动并与线圈41产生相对运动，即为切割磁感线产生振动发电现象。多个所述的发电装置40均布于立管200周边。

所述的立管200振动时带动发电装置40振动发电，产生的交流电经电缆20传输到整流器70并转变为直流电，储存于蓄电池组80；

所述的蓄电池组80内的电流经过所述的升压变压器90后供给所述的传感器100；传感器100监测立管在深海中的运动状态；

所述的水声换能器30设置于壳体10的顶部，将传感器100监测到的电信号转化为声信号，水介质将声信号传递到水上接收换能器并转换为电信号，从而海洋工作平台的电接收机将电信号转换成所需要的声音、图片及文字监测信息。声波是目前实现水下远距离无线通信的较佳选择，可将立管运动的监测结果通过水声通信装置传输到水上工作平台。

图6是本实用新型的一种实施例的蓄电池组的示意图。如图6所示，本实施例的蓄电池组80，包括多个锂电池81用电池支架82相互固定，连接片83安装在每个锂电池的上方用于电路连接。

图7是本实用新型的一种实施例的发电装置的电路系统的流程图。如图4和7所示，本实施例的发电装置40的电路系统包括主电路和辅助电路；所述的主电路包括依次串联的发电装置40、整流器70、蓄电池组80、升压变压器90、传感器100和水声换能器30；所述的辅助电路分别与传感器、以及蓄电池组的输出端相连，即能用于控制主电路的通断，也可以监视和保护主电路的正常工作的电路。其工作过程包括：发电过程：立管振动带动发电装置4振动发电，发电产生的电流经过整流器70，整流器70将交流电转变为直流电，整流之后的电流储存于蓄电池80；放电过程：电流流经升压变压器90(电压升压后可以减少线路损耗，提高送电的经济性)，升压后的电流为传感器100输送电量。所有的电流均需流经电缆20，电缆20分布在整个电路系统中，其中露在海水中的电缆20包裹一层防水外皮，电缆20与壳体10底部的接头21采用橡胶防水接头。

在工程实践安装中，本实用新型壳体内的所有内置零部件，均从壳体10的上方开口装入壳体10中。全部安装完成后，用密封盖13将壳体10完全密封，最后将水声换能器3固定在密封盖13上。为了保证壳体内不进水，在密封盖13与左、右两个半圆环状水密空腔壳体组件11顶端相接触的部分加一个垫圈15；垫圈15采用丁腈橡胶材料既能防水，又能加强抗振动能力，使壳体1在立管振动过程中不受影响。

总之，本实用新型的总体方案为：当洋流流向立管，立管会产生一个垂直于该流向的振动，而洋流的来流方向是任意的，无论哪个方向的来流都会引起立管的振动。立管的振动会带动固定在立管上壳体10的振动，从而带动左、右两个半圆环状水密空腔壳体组件11内发电装置40的振动，其发电过程即为磁铁42在弹簧43的引导下进行垂直于线圈41缠绕方向的往复振动，从而切割磁感线产生电磁感应现象，形成电流。左半圆环状水密空腔壳体组件11内的发电装置40产生的电流由电缆20流经右半圆环状水密空腔壳体组件11内的整流器70中，同理右半圆环状水密空腔壳体组件11内最下面两层发电装置40所产生的电流也通过电缆20流经整流器70。整流器70将交流电转化为直流电后，电流储存于蓄电池80中，当蓄电池80内的电量充足后电流流向升压变压器90，随后将电量供给传感器100。传感器100用于监测立管在深海中的运动状态(包括立管振动过程中的速度、加速度、位移、倾角等)，利用水声换能器30将传感器监测到的电信号转化为声信号，声信号穿过水介质将信息传递到水上接收换能器，这时声信号又转换为电信号，最终水上工作平台的电接收机将信息转换成声音、图片及文字。然后，将信息反馈到海洋平台或船体上。