CN101655364A - 深海管道位姿精确测量装置 - Google Patents

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王立权
王文明
王茁
陈东良
张佰正
卿智忠
吴磊
常江
王才东
牟伟
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Abstract

本发明提供的是一种深海管道位姿精确测量的装置。主要由对接头(1)、卡销(2)、下底板(3)、正交倾角传感器(4)、水深传感器(5)、磁耦合水平角度传感器(6)、旋转支架(7)、滑轮箱(8)、伸出孔(9)、伸出臂(10)、ROV携带装置(11)、上底板(12)、磁耦合垂直角度传感器(13)、支架(14)、检测绳(20)、绞盘(25)、磁耦合角度传感器(26)组成。通过ROV辅助，两测量装置(24)安装在两管道(23)、(27)的对接平台(16)上，测量出两管道(23)、(27)的相对水平角度，垂直角度和距离参数。本发明结构简单可靠，可测量水下1500米两管道间相对位姿，以用于深海管道回接作业。

Description

深海管道位姿精确测量装置
(一)技术领域
本发明涉及的是一种实现深海两管道位姿参数测量的装置。
(二)背景技术
随着世界石油资源的日渐枯竭，石油资源的开发已从陆地转向海洋，从浅海转向深海。我国已经将深海油气开发技术列入“十一五”规划中，并计划开发出具有自主知识产权的3000m水下作业技术及装备。水下回接技术是将新开发的生产管道并入已建的管网，以达到充分利用已建设施。水下回接技术主要包括：管道与平台的连接、管道与管网的连接、管道与立管的连接、管道间的连接等。对两将连接管道进行相对位姿的测量，是回接作业的第一步。回接位置精确测量设备的研制目的是测量水下两管道相对位姿，为深海管道回接作业提供位姿参数。
水下管道位姿精确测量技术主要掌握在国外公司手中，我国的研究很少。国外水下测量***主要有水声测量***、潜水员辅助检测绳测量***和ROV辅助无人绳索测量***。
(1)水声测量***主要是依靠工作船和水声设备，利用基线定位技术对水下设备和海床进行水下测量的一种方法。该***可应用于深水，但***组成复杂，测量基阵布置要求精度高，作业时间较长。
(2)潜水员辅助检测绳测量***是利用潜水员水下作业，可视化测量来获得所需海底设备位置参数的一种方法。比如对两个距离较远的管道进行连接时，潜水员采用检测绳连接这两个被测管道，测量出两管道的距离和相对角度参数，然后将这些参数反馈回水上作业船。这种方法20m以内长度误差为+3mm，角度误差为±0.5°。但只能应用在浅水区域，而且作业时间较长。
(3)ROV辅助无人绳索测量***通过ROV携带测量设备到水下作业区域，将拉绳张紧后测量出所需参数，并最终将测量数据传回给作业船。这种方法在作业范围10m之内长度误差为±50mm，角度误差±1°。优点是不需要潜水员，作业深度大。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能通过ROV辅助操作，测量出两管道相对位姿，以应用于深海管道回接作业的深海管道位姿精确测量装置。
本发明的目的是这样实现的：由对接头1、卡销2、下底板3、正交倾角传感器4、水深传感器5、磁耦合水平角度传感器6、旋转支架7、滑轮箱8、伸出孔9、伸出臂10、ROV携带装置11、上底板12、磁耦合垂直角度传感器13、支架14、检测绳20、绞盘25、磁耦合角度传感器26组成，下底板3、上底板12和支架14联结，构成整个装置的支撑机构；对接头1、卡销2、正交倾角传感器4和水深传感器5安装在下底板3上，滑轮箱8、ROV携带装置11联结安装在上底板12上，旋转支架7和磁耦合水平角度传感器6连接安装在支架14上；旋转支架7的伸出轴与磁耦合水平角度传感器6的伸出轴连接，伸出臂10通过销轴连接在旋转支架7上，磁耦合水平角度传感器6安装在伸出臂10上，磁耦合水平角度传感器6的伸出轴与销轴连接，绞盘25固定在ROV上。
本发明还可以包括：
1、所述的滑轮箱8由两个被动滑轮19、滑轮箱箱体21，压紧轮22组成，滑轮箱箱体21固定在上底板12上，两个被动滑轮19，压紧轮22通过滑轮轴安装在滑轮箱箱体21上，检测绳20从绞盘25上拉出后，绕在压紧轮22的下半周后拉出滑轮箱8，最终从伸出臂10上的伸出孔9中拉出。
2、检测绳20均匀绕在绞盘25上，磁耦合角度传感器26安装在绞盘25的一侧，其伸出轴与绞盘25的转动轴连接，随绞盘伸出轴一起转动。
本装置中所用到的角度传感器6，13利用磁耦合原理，将动密封转化为静密封，大大降低了对装配元件密封性的要求，提高了装置中各元件在深水高压环境下的使用寿命。整个装置简单可靠，ROV执行起来方便，便于操作。对接机构针对水下不同形状的被测设备，只需要采用不同对接平台而不需要更换本装置上的对接机构，增大了装置的使用范围。
本装置测量参数包括两管道间的距离、水平角度和垂直角度，主要运用于深水回接作业。
本发明结构简单可靠，可测量水下1500米两管道间相对位姿，以用于深海管道回接作业。
(四)附图说明
图1是精确测量装置总体结构图；
图2是对接机构的结构示意图；
图3-1是滑轮箱机构，图3-2是图3-1的左视图；
图4是绞盘机构与布线图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
本发明深海管道位姿精确测量装置采用了一种新型的结构，深海管道位姿测量装置由对接头1、卡销2、下底板3、正交倾角传感器4、水深传感器5、磁耦合水平角度传感器6、旋转支架7、滑轮箱8、伸出孔9、伸出臂10、ROV携带装置11、上底板12、磁耦合垂直角度传感器13、支架14、检测绳20、绞盘25、磁耦合角度传感器26组成，下底板3、上底板12和支架14通过螺栓联结，形成整个装置的支撑机构。
1、所述对接头1、卡销2、正交倾角传感器4和水深传感器5安装在下底板3上，滑轮箱8、ROV携带装置11通过螺栓联结安装在上底板12上，旋转支架7和磁耦合水平角度传感器6通过螺栓连接安装在支架14上。
2、所述的旋转支架7的伸出轴与磁耦合水平角度传感器6的伸出轴连接，伸出臂10通过销轴连接在旋转支架7上，磁耦合水平角度传感器6安装在伸出臂10上，磁耦合水平角度传感器6的伸出轴与销轴连接。
3、所述的滑轮箱8由两个被动滑轮19、滑轮箱箱体21，压紧轮22组成，滑轮箱箱体21通过螺栓固定在上底板12上，两个被动滑轮19，压紧轮22通过滑轮轴安装在滑轮箱箱体21上，检测绳20从绞盘25上拉出后，绕在压紧轮22的下半周后拉出滑轮箱8，最终从伸出臂10上的伸出孔9中拉出。
4、所述的绞盘25固定在ROV上，检测绳20均匀绕在绞盘25上，磁耦合角度传感器26安装在绞盘25的一侧，其伸出轴与绞盘25的转动轴连接，随绞盘伸出轴一起转动。
作业时两个测量装置主体24定位在管道上，通过ROV驱动绞盘25将检测绳20拉紧，利用测量装置24上安装的磁耦合水平角度传感器6、磁耦合垂直角度传感器13和水深传感器5测量参数，得出管道23与管道27的水平角度、垂直角度和距离参数。
结合图1、2、3，深海管道位姿精确测量装置主要由对接头1、卡销2、下底板3、正交倾角传感器4、水深传感器5、磁耦合水平角度传感器6、旋转支架7、滑轮箱8、伸出孔9、伸出臂10、ROV携带装置11、上底板12、磁耦合垂直角度传感器13、支架14、检测绳20、绞盘25、磁耦合角度传感器26组成。
上底板12上安装有滑轮箱8，ROV携带装置11。ROV上的机械手通过抓取ROV携带装置11来对整个测量装置进行定位。滑轮箱8用于压紧检测绳20(后面会详细介绍)，使绳拉紧。
支架14上安装有水平角度传感器6和旋转支架7。检测绳20经滑轮箱8从伸出臂上的孔9伸出后，支架7与伸出臂10随检测绳20左右摆动，产生左右转角。磁耦合水平角度传感器6与旋转支架7的垂直轴连接，从而测量出水平转角，以确定两测量装置的水平相对位置。伸出臂10的作用主要是通过检测绳20提供一个水平转动的力矩，以带动旋转支架7水平摆动。磁耦合垂直角度传感器13安装在伸出臂10上，与其上的水平销轴连接，测量出伸出臂10因上下转动而产生的垂直角度。检测绳20测量出两管道间的距离。
下底板3上安装有水深传感器5、正交倾角传感器4、对接头1和卡销2。水深传感器5测量出测量装置所在的水深，以便得出两测量装置的深度差。正交倾角传感器4测量整个装置定位后的水平和垂直角度偏差，调节测量装置在垂直与水平方向的安装精度。对接头1和卡销2主要用于测量装置在对接平台上的固定安装。
结合图2，整个测量过程要在一个固定的对接平台上来完成，以保证测量精度。对接***由测量装置上的对接头1、卡销2、正交倾角传感器4和对接平台16上的卡爪15、对接孔17、销孔18组成。测量装置与石油管道上的对接平台16对接时，主要利用对接头1的锥形柱导向，将柱体对接头1引入对接平台16上的***孔17，再通过旋转保证四个卡销1与销孔18对齐。安装过程中的垂直和水平方向的偏差由正交倾角传感器4测量，作为反馈输出以调整安装精度。整个对接过程由ROV上的机械手来操作完成。
结合图3，滑轮箱8主要由两个被动滑轮19、滑轮箱箱体21、压紧轮22组成。检测绳20进入滑轮箱8后，压紧轮22与两个被动滑轮19配合将绳压紧，保证绳20被拉动时能始终带动张紧滑轮22转动，使绳在测量过程中始终处于张紧状态。
结合图4，布线***主要由检测绳20、管道23、27、测量装置24、绞盘25、磁耦合角度传感器26组成。测量装置24分别安装在管道23和管道27上，绞盘25固定在ROV上，检测绳20从绞盘25放出后分别通过两测量装置将绳拉出后张紧。通过安装在绞盘25上的磁耦合角度传感器26测量绞盘转过的角度，计算出检测绳20的长度，两测量装置24间的距离可由此算出。
深海管道位姿精确测量装置的作业过程如下：
1、陆上检测装置是否正常，标定检测绳20的长度；
2、由ROV携带测量装置24到作业区域，通过对接平台16和对接机构将测量装置24固定在海底管道23和管道27上；
3、绞盘25转动，对检测绳20施加驱动力，使检测绳20保持拉直状态；
4、检测绳20张紧后，带动伸出臂10在垂直方向上转动，旋转支架7在水平方向上转动并最终稳定在一个位置状态。磁耦合垂直角度传感器13测得垂直方向转角，磁耦合水平角度传感器6测得水平转角，两测量装置的深度差由下底板上的水深传感器5间接测出。绞盘25上测量转角的磁耦合角度传感器26测出旋转角度，测出检测绳20的拉伸长度，最终算出两测量装置间的距离。
5、将4中测量的数据经过处理后通过数据线电缆实时传输到水面作业船上，以指导作业船进行回接作业。
6、测量完成后，ROV将整个测量装置从管道上卸下，撤离作业区域。

Claims (3)

1、一种深海管道位姿精确测量装置，由对接头(1)、卡销(2)、下底板(3)、正交倾角传感器(4)、水深传感器(5)、磁耦合水平角度传感器(6)、旋转支架(7)、滑轮箱(8)、伸出孔(9)、伸出臂(10)、ROV携带装置(11)、上底板(12)、磁耦合垂直角度传感器(13)、支架(14)、检测绳(20)、绞盘(25)、磁耦合角度传感器(26)组成；其特征是：下底板(3)、上底板(12)和支架(14)联结，构成整个装置的支撑机构；对接头(1)、卡销(2)、正交倾角传感器(4)和水深传感器(5)安装在下底板(3)上，滑轮箱(8)、ROV携带装置(11)联结安装在上底板(12)上，旋转支架(7)和磁耦合水平角度传感器(6)连接安装在支架(14)上；旋转支架(7)的伸出轴与磁耦合水平角度传感器(6)的伸出轴连接，伸出臂(10)通过销轴连接在旋转支架(7)上，磁耦合水平角度传感器(6)安装在伸出臂(10)上，磁耦合水平角度传感器(6)的伸出轴与销轴连接，绞盘(25)固定在ROV上。
2、根据权利要求1所述的深海管道位姿精确测量装置，其特征是：所述的滑轮箱(8)由两个被动滑轮(19)、滑轮箱箱体(21)，压紧轮(22)组成，滑轮箱箱体(21)固定在上底板(12)上，两个被动滑轮(19)，压紧轮(22)通过滑轮轴安装在滑轮箱箱体(21)上，检测绳(20)从绞盘(25)上拉出后，绕在压紧轮(22)的下半周后拉出滑轮箱(8)，最终从伸出臂(10)上的伸出孔(9)中拉出。
3、根据权利要求1或2所述的深海管道位姿精确测量装置，其特征是：检测绳(20)均匀绕在绞盘(25)上，磁耦合角度传感器(26)安装在绞盘(25)的一侧，其伸出轴与绞盘(25)的转动轴连接，随绞盘伸出轴一起转动。
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