本實用新型屬于海洋工程裝備技術(shù)領(lǐng)域，涉及海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是一種可自發(fā)電的環(huán)抱式海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著海洋石油開采逐步向深水推進,以立管為代表的海洋結(jié)構(gòu)物的渦激振動問題日益?zhèn)涫苤匾暋Ａ⒐苁呛Ｑ笃脚_和海底井口之間的主要構(gòu)件,同時也是比較容易損壞的構(gòu)件。當一定速度的海流和波浪流經(jīng)立管時,會在其周側(cè)形成交替脫落的旋渦,旋渦的脫落會對立管產(chǎn)生一個周期性的交變力,使得其管道產(chǎn)生渦激振動,管道的振動反過來又對流場產(chǎn)生影響,使得旋渦增強。當旋渦脫落頻率和立管自振頻率接近時,旋渦的泄放將被結(jié)構(gòu)的振動所控制,發(fā)生“鎖頻”現(xiàn)象,從而導致立管振動加劇,造成疲勞破壞。目前對于立管運動特性的監(jiān)測方法是在立管上安裝監(jiān)測儀器，通過電纜為儀器提供電力，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行輸出。該方法雖然可以有效地監(jiān)測立管振動，但未能有效節(jié)省能源，同時在線路損壞時會導致監(jiān)測失敗。

上述立管在渦激狀態(tài)下產(chǎn)生的振動，對立管結(jié)構(gòu)可能造成破壞，但同時也是一種能源。

中國專利申請(申請?zhí)枺?01510381858.1)“一種擺錘式海洋立管渦激振動自發(fā)電監(jiān)測裝置”，公開了一種可自發(fā)電的立管監(jiān)測裝置，其是在立管周圍的某一個位置安裝自發(fā)電監(jiān)測裝置，隨著立管發(fā)生往復振動使安裝在立管上的裝置也產(chǎn)生往復的相對運動，振動切割磁感線后產(chǎn)生電流用于立管監(jiān)測裝置。但該方案的發(fā)電效果會受到立管振動方向和來流方向的影響，發(fā)電效果有一定的局限性。中國專利申請(申請?zhí)枺?01510215304.4)“翼擺式海洋立管渦激振動自發(fā)電監(jiān)測裝置”，由于其將立管運動狀態(tài)的監(jiān)測信息僅儲存于SD卡中，對立管運動情況的監(jiān)測無法實現(xiàn)實時反饋。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可自發(fā)電的環(huán)抱式海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)，無論來流方向如何，均可利用立管渦激振動所產(chǎn)生的能量發(fā)電，同時可將電力提供給監(jiān)測傳感器和水聲換能器，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動發(fā)回平臺或基地。

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案。

本實用新型的一種可自發(fā)電的環(huán)抱式海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)，包括立管、殼體、水聲換能器、發(fā)電裝置、整流器、蓄電池組、升壓變壓器和傳感器；

所述的殼體包括至少2個可拆分的水密空腔殼體組件，采用環(huán)抱方式固定于立管上；

所述的每個可拆分的空腔殼體組件內(nèi)，分別設置有至少2層隔板；在環(huán)繞于立管周邊的所述每層隔板上重量平衡地設置有所述的發(fā)電裝置、整流器、蓄電池組、升壓變壓器和傳感器；

所述的發(fā)電裝置包括空心線圈；每個空心線圈內(nèi)放置一個磁鐵，其兩端與一個彈簧端相連，彈簧的另一端固定在一個發(fā)電裝置支撐架上；多個所述的發(fā)電裝置均布于立管周邊；

所述的立管振動時帶動發(fā)電裝置振動發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)電纜傳輸?shù)秸髌鞑⑥D(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，儲存于蓄電池組；

所述的蓄電池組內(nèi)的電流經(jīng)過所述的升壓變壓器后供給所述的傳感器；傳感器監(jiān)測立管在深海中的運動狀態(tài)；

所述的水聲換能器設置于殼體的頂部，將傳感器監(jiān)測到的電信號轉(zhuǎn)化為聲信號，水介質(zhì)將聲信號傳遞到水上接收換能器并轉(zhuǎn)換為電信號，從而海洋工作平臺的電接收機將電信號轉(zhuǎn)換成所需要的聲音、圖片及文字監(jiān)測信息。

進一步的，所述的采用環(huán)抱方式固定于立管上的殼體，包括左、右兩個半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件。

而且，所述的右半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件內(nèi)用隔板分成至少4層，每層放置至少3個發(fā)電裝置，并分別用一個發(fā)電裝置支撐架進行固定。

其中，所述的左半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件內(nèi)用隔板分成至少4層；第一層放置升壓變壓器，傳感器，第二層放置整流器和蓄電池組；另兩層放置發(fā)電裝置。

進一步的，所述的蓄電池組，包括多個鋰電池用電池支架相互固定，連接片安裝在每個鋰電池的上方用于電路連接。

進一步的，所述的發(fā)電裝置的電路系統(tǒng)包括主電路和輔助電路；所述的主電路包括依次串聯(lián)的發(fā)電裝置、整流器、蓄電池組、升壓變壓器、傳感器和水聲換能器；所述的輔助電路分別與傳感器、以及蓄電池組的輸出端相連，用于控制主電路的通斷和保護主電路的正常工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型包括以下優(yōu)點和有益效果：

1.本實用新型的監(jiān)測系統(tǒng)，可以利用立管渦激振動所產(chǎn)生的能量發(fā)電，同時可將電力提供給監(jiān)測傳感器和無線天線，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)自動發(fā)回平臺或基地。

2.本實用新型通過立管渦激振動帶動水密殼體振動，使殼體內(nèi)的線圈與磁條產(chǎn)生相對運動即切割磁感線，從而在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電流；通過對感應電流進行整流和變壓，將電量全部儲存于蓄電池中。利用立管渦激振動進行自發(fā)電，將電量供給傳感器，用來監(jiān)測立管振動過程中的加速度、位移、傾角等運動狀態(tài)。

3.本實用新型的自發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)采用環(huán)抱的形式固定在立管的四周，繞立管一周都設有發(fā)電裝置，無論立管在哪個方向發(fā)生位移，發(fā)電裝置都可以隨之振動，都會有電流產(chǎn)生。這種設計可以大大提高發(fā)電裝置的發(fā)電效率，從而保證對傳感器及水聲換能器供給充足的電量。

4、對于立管渦激振動的監(jiān)測，本實用新型采用水聲換能器將傳感器監(jiān)測到的電信號轉(zhuǎn)化成聲信號，信息傳遞到接收換能器又轉(zhuǎn)換成電信號，解碼器將數(shù)字信息破譯后最終可以及時將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)剿瞎ぷ髌脚_。可以將立管破壞的可能性以及事故發(fā)生的概率大大降低。

附圖說明

圖1是本實用新型可自發(fā)電的環(huán)抱式海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)的一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，為了更好地說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1中的水密空腔殼體組件處于拆分狀態(tài)。

圖2是本實用新型的一種實施例的整體結(jié)構(gòu)外部示意圖。

圖3是本實用新型的一種實施例的右半邊殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型的一種實施例的左半邊殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實用新型的一種實施例的發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本實用新型的一種實施例的蓄電池組的示意圖。

圖7是本實用新型的一種實施例的發(fā)電裝置的電路系統(tǒng)的流程圖。

其中，10殼體，11水密空腔殼體組件，13密封蓋，14螺釘，15墊圈；20電纜，21接頭；30水聲換能器；40發(fā)電裝置，41線圈，42磁鐵，43彈簧；50隔板，51圓孔；60發(fā)電裝置支撐架；70整流器；80蓄電池組，81鋰電池，82電池支架，83連接片；90升壓變壓器，100傳感器；200立管。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本實用新型做進一步詳細說明。

圖1是本實用新型可自發(fā)電的環(huán)抱式海洋立管振動監(jiān)測系統(tǒng)的一種實施例的具有局部剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。為了更好地說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1中的水密空腔殼體組件處于拆分狀態(tài)。如圖1所示，本實施例包括：立管200、殼體10、水聲換能器30、發(fā)電裝置40、整流器70、蓄電池組80、升壓變壓器90和傳感器100。

所采用的水密殼體10包括至少2個可拆分的水密空腔殼體組件11，采用環(huán)抱方式固定于立管200上。

所述的每個可拆分的空腔殼體組件11內(nèi)，分別設置有至少2層隔板50；在環(huán)繞于立管200周邊的所述的每層隔板50上重量平衡地設置有所述的發(fā)電裝置40、整流器70、蓄電池組80、升壓變壓器90和傳感器100。

圖2是本實用新型的一種實施例的整體結(jié)構(gòu)外部示意圖。從圖2可看出，所述的采用環(huán)抱方式固定于立管200上的殼體10，包括左、右兩個半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11。由于海洋立管的長度過長，為了方便殼體10的安裝和替換故將其設計成半圓環(huán)狀，從而可以將監(jiān)測裝置安裝在立管的任意位置。安裝時，用螺釘14將左、右兩個半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11固定；當所有零部件安裝于殼體10內(nèi)后，需在左半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11上方加一個密封蓋13保證此裝置的完全密封?？紤]到本系統(tǒng)是在深海環(huán)境中，海水可能會造成線圈和彈簧等零部件的腐蝕，設備容易損壞，因此將殼體10完全密封，可以有效延長系統(tǒng)中各零部件的使用壽命。

圖3是本實用新型的一種實施例的右半邊殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，本實施例的右半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)用隔板50分成4-6層，也可根據(jù)所需電量增加層數(shù)。每一層放置3-5個發(fā)電裝置4并用發(fā)電裝置支撐架6將其固定。每一層隔板上都有一個通孔51，用于輸送電纜2。

圖4是本實用新型的一種實施例的左半邊殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，本實施例的左半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)同樣分4-6層(為保持重量平衡，必須與右半邊一致)；第一層放置升壓變壓器90，傳感器100；第二層放置一個整流器70，1-2組蓄電池組80；其余幾層放發(fā)電裝置40。傳感器10包括加速度傳感器、傾角傳感器、位移傳感器、壓力傳感器等，可根據(jù)需求任意替換。

圖5是本實用新型的一種實施例的發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和5所示，其發(fā)電裝置40包括空心線圈41；每個空心線圈41內(nèi)放置一個磁鐵42，其兩端與一個彈簧43端相連，彈簧43的另一端固定在一個發(fā)電裝置支撐架60上。安裝彈簧43、磁鐵42裝配體是為了在立管發(fā)生振動時，通過彈簧43帶動磁鐵42振動并與線圈41產(chǎn)生相對運動，即為切割磁感線產(chǎn)生振動發(fā)電現(xiàn)象。多個所述的發(fā)電裝置40均布于立管200周邊。

所述的立管200振動時帶動發(fā)電裝置40振動發(fā)電，產(chǎn)生的交流電經(jīng)電纜20傳輸?shù)秸髌?0并轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡瑑Υ嬗谛铍姵亟M80；

所述的蓄電池組80內(nèi)的電流經(jīng)過所述的升壓變壓器90后供給所述的傳感器100；傳感器100監(jiān)測立管在深海中的運動狀態(tài)；

所述的水聲換能器30設置于殼體10的頂部，將傳感器100監(jiān)測到的電信號轉(zhuǎn)化為聲信號，水介質(zhì)將聲信號傳遞到水上接收換能器并轉(zhuǎn)換為電信號，從而海洋工作平臺的電接收機將電信號轉(zhuǎn)換成所需要的聲音、圖片及文字監(jiān)測信息。聲波是目前實現(xiàn)水下遠距離無線通信的較佳選擇，可將立管運動的監(jiān)測結(jié)果通過水聲通信裝置傳輸?shù)剿瞎ぷ髌脚_。

圖6是本實用新型的一種實施例的蓄電池組的示意圖。如圖6所示，本實施例的蓄電池組80，包括多個鋰電池81用電池支架82相互固定，連接片83安裝在每個鋰電池的上方用于電路連接。

圖7是本實用新型的一種實施例的發(fā)電裝置的電路系統(tǒng)的流程圖。如圖4和7所示，本實施例的發(fā)電裝置40的電路系統(tǒng)包括主電路和輔助電路；所述的主電路包括依次串聯(lián)的發(fā)電裝置40、整流器70、蓄電池組80、升壓變壓器90、傳感器100和水聲換能器30；所述的輔助電路分別與傳感器、以及蓄電池組的輸出端相連，即能用于控制主電路的通斷，也可以監(jiān)視和保護主電路的正常工作的電路。其工作過程包括：發(fā)電過程：立管振動帶動發(fā)電裝置4振動發(fā)電，發(fā)電產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流器70，整流器70將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡髦蟮碾娏鲀Υ嬗谛铍姵?0；放電過程：電流流經(jīng)升壓變壓器90(電壓升壓后可以減少線路損耗，提高送電的經(jīng)濟性)，升壓后的電流為傳感器100輸送電量。所有的電流均需流經(jīng)電纜20，電纜20分布在整個電路系統(tǒng)中，其中露在海水中的電纜20包裹一層防水外皮，電纜20與殼體10底部的接頭21采用橡膠防水接頭。

在工程實踐安裝中，本實用新型殼體內(nèi)的所有內(nèi)置零部件，均從殼體10的上方開口裝入殼體10中。全部安裝完成后，用密封蓋13將殼體10完全密封，最后將水聲換能器3固定在密封蓋13上。為了保證殼體內(nèi)不進水，在密封蓋13與左、右兩個半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11頂端相接觸的部分加一個墊圈15；墊圈15采用丁腈橡膠材料既能防水，又能加強抗振動能力，使殼體1在立管振動過程中不受影響。

總之，本實用新型的總體方案為：當洋流流向立管，立管會產(chǎn)生一個垂直于該流向的振動，而洋流的來流方向是任意的，無論哪個方向的來流都會引起立管的振動。立管的振動會帶動固定在立管上殼體10的振動，從而帶動左、右兩個半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)發(fā)電裝置40的振動，其發(fā)電過程即為磁鐵42在彈簧43的引導下進行垂直于線圈41纏繞方向的往復振動，從而切割磁感線產(chǎn)生電磁感應現(xiàn)象，形成電流。左半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)的發(fā)電裝置40產(chǎn)生的電流由電纜20流經(jīng)右半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)的整流器70中，同理右半圓環(huán)狀水密空腔殼體組件11內(nèi)最下面兩層發(fā)電裝置40所產(chǎn)生的電流也通過電纜20流經(jīng)整流器70。整流器70將交流電轉(zhuǎn)化為直流電后，電流儲存于蓄電池80中，當蓄電池80內(nèi)的電量充足后電流流向升壓變壓器90，隨后將電量供給傳感器100。傳感器100用于監(jiān)測立管在深海中的運動狀態(tài)(包括立管振動過程中的速度、加速度、位移、傾角等)，利用水聲換能器30將傳感器監(jiān)測到的電信號轉(zhuǎn)化為聲信號，聲信號穿過水介質(zhì)將信息傳遞到水上接收換能器，這時聲信號又轉(zhuǎn)換為電信號，最終水上工作平臺的電接收機將信息轉(zhuǎn)換成聲音、圖片及文字。然后，將信息反饋到海洋平臺或船體上。