一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置

本实用新型涉及一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置，可用于海洋平台定位系统中单点滑环传输介质（海水、原油等）安全状态的实时监测，属于海洋石油工程领域。

背景技术：
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石油及石油产品不仅是民生必需品，更是现代化的工业、农业、国防的重要物资，被称为“工业的血液”。随着陆地石油的日益枯竭，海上石油的开采越来越受到人们的重视。海洋平台作为海上油气开发的重要载体，在复杂恶劣的海洋环境下服役会面临诸多严峻的挑战。海洋平台的海上定位依靠系泊系统实现，对于单点系泊的海洋平台而言，滑环是单点系统的关键装置，起着井口平台与fpso（或核动力平台）之间传输井液、天然气、电力、光纤信号的重要作用。单点滑环的运动机理是外环通过驱动臂、外框架等结构随fpso（或核动力平台）做无规则的往复转动，在内、外环产生相对运动的情况下，内、外环的环形腔道将油气介质从内环传输到外环。由于设计不足以及制造缺陷等因素，单点滑环在复杂海洋环境下长期服役，会发生结构失效引发事故。例如单点滑环密封失效，意味着油气等介质传输功能的丧失，从而造成原油泄漏，导致严重的海洋环境污染和巨大的经济损失。

对于海洋平台单点滑环的安全运维，国内外科研院校和生产单位开展了相关的研究工作，并取得了一些积极的研究成果。但是，现有的研究方法都是基于数值仿真研究，或者缩比模型物理实验，这些方法在一定程度上对边界条件和载荷进行了简化，并且存在显著的比尺效应，无法真实准确的反映单点滑环在服役状态下的运动特性和受力行为。

技术实现要素：
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为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置，该监测装置通过在单点滑环内、外环布点方案位置布设角度传感器、位移传感器、加速度和应变传感器，监测单点滑环的角度变化、间隙变化、振动响应和结构应变等数据。基于原型监测数据计算单点滑环的长期运行姿态和受力行为，并通过算法分析为单点滑环的安全失效进行预警预报，为单点滑环的故障诊断和运维保养提供数据支持，及时有效规避作业风险，最大程度降低海洋平台的经济损失。

本实用新型采取的技术方案是：一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置包括数据采集传感器、无线数据通讯模块、串口服务器模块和中心监测服务器，所述数据采集传感器包含安装在单点内滑环上的内环数据采集传感器和安装在单点外滑环上的外环数据采集传感器。

所述内环数据采集传感器包含4个内环位移传感器和1个内环角度传感器，单点内滑环上的内环位移传感器相间90°角设置，其中两个内环位移传感器位于x-x轴线上，内环的中心处设置1个内环角度传感器。

所述外环数据采集传感器包含6个外环位移传感器、2个外环角度传感器、2个加速度传感器和10个应变传感器，单点外滑环上的外环位移传感器与x-x轴线相间45°角设置，外环角度传感器位于x-x轴线上，加速度传感器设置在与x-x轴线垂直的y-y轴线上，位于x-x轴线上与单点外滑环连接的两个驱动臂表面各设置5个以y-y轴线对称的应变传感器和1个外环位移传感器，其中4个应变传感器对称布置在x-x轴线两侧，1个布置在x-x轴线上。

外环数据采集传感器电连接串口服务器模块，内环数据采集传感器通过无线数据通讯模块连接串口服务器模块，串口服务器模块电连接中心监测服务器。

所述无线数据传输模块包含无线数据发射模块和无线数据接收模块，无线数据发射模块设置在单点内滑环上，无线数据接收模块设置在单点外滑环上，内环数据采集传感器电连接无线数据发射模块，无线数据发射模块和无线数据接收模块采用无线通讯连接，无线数据接收模块电连接串口服务器模块；

所述内环数据采集传感器采用内环供电系统，外环数据采集传感器采用内环供电系统。

所述中心监测服务器采用多模块化的集成软硬件系统采集各传感器的监测数据并实时存储、显示、分析数据，三维动态演示单点滑环的运行状态，预报单点滑环的运维故障。

上述的技术方案基本原理是：单点滑环的单点外滑环通过驱动臂、外框架等结构随fpso（或核动力平台）做无规则的往复转动，在内、外环产生相对运动的情况下，内、外环的环形腔道将油气介质从内环传输到外环。在内、外环结构受力异常行为下导致结构的密封功能失效，从而导致传输介质（海水、原油等）泄漏。内、外环的力学行为异常主要表现在运动响应和动力响应方面，包括内、外环发生偏心、振动等。内、外环布设的角度传感器和位移传感器可以有效监测滑环的偏心运动行为，同时外环激光位移照射到泄漏区域数据会发生显著变化，通过观察数据可以判断漏油区域，及时反馈作业人员；加速度传感器可以实时监测内、外环的异常振动行为；应变传感器可以计算出滑环的受力突变情况。因此，通过在海洋平台单点滑环上安装原型监测装置，测量内、外环的运动动力响应数据，可以实现对单点滑环安全状态的在线监测。

本实用新型的有益效果是：这种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置包括数据采集传感器、无线数据通讯模块、串口服务器模块和中心监测服务器。该装置在海洋平台正常作业服役期间，保证对运行中的单点滑环进行实时原型监测，及时反映内、外环的运动姿态和动力响应变化情况，三维组件的动态可视化将滑环工作状态进行直观显示，通过异常数据特征提取实现对单点滑环故障诊断、预警预报的功能。同时加深对单点滑环结构失效和密封失效行为的认识，为单点滑环的结构设计和密封设计提供技术支持，保障单点滑环的安全服役。该监测装置由多源数据采集传感器构成，并根据单点滑环的结构形式与受力行为设计布点方案，采集传感器的数据统一集成到串口服务器模块，其中单点外滑环的外环采集传感器通过信号线缆传输到串口服务器模块，单点内滑环的内环采集传感器通过点对点无线数据通信模块传输到串口服务器模块。串口服务器模块集成所有采集数据，实现rs-485/422串口与tcp/ip协议网络接口的数据双向透明传输。该监测装置可以有效测量单点滑环运行服役阶段的角度变化数据、间隙变化数据、振动响应数据和结构应变数据，并将数据实时传输存储到中心监测服务器，中心监测服务器通过算法分析为单点滑环安全运维进行预警预报，及时有效规避作业风险，最大程度降低海洋平台的经济损失。

附图说明：

图1是一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置的拓扑结构图。

图2是数据采集传感器在单点滑环内、外环上的整体布局的示意图。

图3是安装固定数据采集传感器的夹具结构图。

图4是一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置的设计方案流程图。

图5是海洋平台单点滑环的密封方式的结构图。

图中，1、单点内滑环，2、单点外滑环，3、驱动臂，4、内环位移传感器，4a、外环位移传感器，5、内环角度传感器，5a、外环角度传感器，6、加速度传感器，7、应变传感器，a、内环位移传感器夹具，b、外环位移传感器夹具，c、内环角度传感器夹具，d、外环角度传感器夹具，e、加速度传感器夹具。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置的拓扑结构图，图中，这种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置包括数据采集传感器、无线数据通讯模块、串口服务器模块和中心监测服务器，数据采集传感器包含安装在单点内滑环1上的内环数据采集传感器和安装在单点外滑环2上的外环数据采集传感器。

内环数据采集传感器包含4个内环位移传感器4和1个内环角度传感器5，单点内滑环1上的内环位移传感器4相间90°角设置，其中两个内环位移传感器4位于x-x轴线上，内环的中心处设置1个内环角度传感器5。

外环数据采集传感器包含6个外环位移传感器4a、2个外环角度传感器5a、2个加速度传感器6和10个应变传感器7，单点外滑环2上的外环位移传感器4a与x-x轴线相间45°角设置，外环角度传感器5a位于x-x轴线上，加速度传感器6设置在与x-x轴线垂直的y-y轴线上，位于x-x轴线上与单点外滑环2连接的两个驱动臂3表面各设置5个以y-y轴线对称的应变传感器7和1个外环位移传感器4a，其中4个应变传感器7对称布置在x-x轴线两侧，1个布置在x-x轴线上（如图2所示）。

外环数据采集传感器电连接串口服务器模块，内环数据采集传感器通过无线数据通讯模块连接串口服务器模块，串口服务器模块电连接中心监测服务器。

无线数据传输模块包含无线数据发射模块和无线数据接收模块，无线数据发射模块设置在单点内滑环1上，无线数据接收模块设置在单点外滑环2上，内环数据采集传感器电连接无线数据发射模块，无线数据发射模块和无线数据接收模块采用无线通讯连接，无线数据接收模块电连接串口服务器模块。

内环数据采集传感器采用内环供电系统，外环数据采集传感器采用内环供电系统。

中心监测服务器采用多模块化的集成软硬件系统采集各传感器的监测数据并实时存储、显示、分析数据，三维动态演示单点滑环的运行状态，预报单点滑环的运维故障。

内环位移传感器通过内环位移传感器夹具a固定在单点内滑环1上，外环位移传感器通过外环位移传感器夹具b固定在单点外滑环2上，内环角度传感器通过内环角度传感器夹具c固定在单点内滑环1上，外环角度传感器通过外环角度传感器夹具d固定在单点外滑环2上，加速度传感器通过加速度传感器夹具e固定在单点外滑环2上（如图3所示）。

内环位移传感器夹具a采用螺栓滑道进行可调节式装配，通过螺栓形式紧固在单点内滑环1上。外环位移传感器夹具b采用磁力底座固定在单点外滑环2上。内环角度传感器夹具c钢箍紧固在单点内滑环1。外环角度传感器夹具d通过螺栓形式紧固在单点外滑环2上。外环加速度传感器夹具e通过螺栓形式紧固在单点外滑环2上。上述传感器夹具保证传感器的安装精度，同时避免对单点滑环结构的破坏，保障监测数据的准确性。

外环数据采集传感器的每个传感器通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接串口服务器模块。内环数据采集传感器的每个传感器通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接无线数据发射模块，无线数据发射模块与无线数据接收模块进行多通道点对点通讯，无线数据接收模块通过传输线缆以总线形式或分布形式电连接串口服务器模块。串口服务器模块通过传输线缆以总线形式电连接中心监测服务器。

图4为一种用于海洋平台单点滑环安全运维的原型监测装置的设计方案流程图。该流程包括多源数据采集传感器、整体布点方案设计、特殊夹具固定装配、数据采集与传输方式、数据显示与存储方式、结构三维动态可视化等6部分。

数据采集传感器是针对单点滑环的安全运维进行监测，因此测量信息能够表征单点滑环的工作运行状态。在单点滑环发生故障情况下，其异常信息主要表现在运动姿态和动力响应方面，故选取的数据采集传感器能够有效测量以上异常信息。数据采集传感器包括角度传感器，位移传感器，加速度传感器和应变传感器，其中角度传感器和位移传感器测量单点滑环运动响应信息，加速度传感器和应变传感器测量单点滑环动力响应信息。角度传感器可以测量内、外环的摆动问题，在单点外滑环2两个外环角度传感器的角度差为判断滑环是否发生摆动的依据，内环角度传感器数据长期变化基准值可判断单点内滑环1的倾斜角度；内、外环位移传感器可测量滑环间隙，用以判断滑环内、外环是否存在偏心工作状态。同时，位移传感器照射到泄漏区域数据会发生显著变化，用以判断单点滑环是否发生泄露行为以及确定泄露区域；加速度传感器可以测量单点滑环的磨损振动信息，为单点滑环进行基于振动信号的故障诊断提供数据支持；应变传感器可以获取驱动臂上的应力应变信息，进而计算得到驱动臂对滑环的径向力及扭矩作用，反映单点滑环的整体受力情况。

传感器监测数据的显示与存储、结构三维动态可视化功能通过中心监测服务器实现。中心监测服务器由多模块化的集成软硬件系统组成，集成化监测软件设计了完整的管理系统界面，建立了准确完备的数据库，可以进行实时存储与显示，同时可进行历史数据查询。中心监测服务器采用三维动态显示技术直观展示单点滑环运行状态，基于特征数据的智能算法对单点滑环故障行为进行预警预报，并对突发安全事件给出作业指导建议。

图5是海洋平台单点滑环的密封方式的结构图。单点滑环共有上下两部分密封，图5中标注了单点滑环的主密封、次级密封、顶部隔离密封和底部第三密封。单点滑环的上部密封中，在隔离密封和主密封环间定时的加注定量压力重油，对密封部位润滑和密封。在主密封和次级密封圈间持续充注液压油，对密封圈加压使其密封部位充分接触并起到润滑的作用，增强密封圈密封效果。单点滑环的下部密封中，在主级密封和次级间加注常压重油，对密封圈进行润滑，并利用封闭的系统监测滑环的密封情况，次级和底部第三密封圈之间接到收集的废油并排放到罐内。

采用上述的技术方案，布置在内、外环的传感器模块将采集到的数据实时传输至串口服务器模块，串口服务器模块将监测数据统一集成通过总线形式传输至中心监测服务器，并进行实时显示、存储与分析。三维动态显示技术直观展示单点滑环运行状态，基于特征数据的智能算法对单点滑环故障行为进行预警预报，指导海洋平台人员现场作业。

通过本实用新型能够在海洋平台正常作业服役期间，保证对运行中的单点滑环进行实时原型监测，及时反映内、外环的运动姿态和动力响应变化情况，通过智能算法分析对单点滑环进行故障诊断、预警预报，指导现场人员安全作业。同时加深对单点滑环结构失效和密封失效行为的认识，为单点滑环的结构设计和密封设计提供技术支持，保障在役单点滑环的安全运行。