CN110552686B - 用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体泄漏监测技术领域，具体涉及一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，包括有海底轨道、深潜机器人和水声定位***，海底轨道固定安装在海底气体输送管道上并且顺着海底气体输送管道延伸，海底轨道的旁侧等间距地分布有多个供电站，深潜机器人上安装有供电单元、导向模块、障碍探测模块、清障模块、推进模块、控制模块和甲烷传感器；导向模块、障碍探测模块、清障模块、推进模块、控制模块和甲烷传感器均与供电单元电连接；该设备能够直接定位海底气体输送管道泄露的位置，并能向工作人员提供管道破损情况的图像数据。

Description

用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备

技术领域

本发明涉及气体泄漏监测技术领域，具体涉及一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备。

背景技术

随着海底管线的不断增加，海底管线渐渐成为海上油气生命线。由于海底环境复杂，海底管线容易老化和腐蚀，从而导致海底管线发生泄漏。海底管线发生泄漏一方面会对环境造成污染，另一方面会造成经济损失，更严重的会造成人员伤亡，因此海底管线泄漏监测成为越来越亟需解决的技术难题。

国内对陆地管道泄漏监测技术研究较多，主要方法有负压波法和声波法，由于负压波法和声波法对噪声敏感度高，而海底环境复杂，因此负压波法和声波法很难应用于海底管线泄露的监测中。目前，国内未出现成熟的用于海底管线泄漏监测方法和装置。国外对海底管线的泄漏监测研究领先于国内，并已在很多管线上进行实际应用。国外现有的海底管线的泄漏监测方法主要有压力点分析法、光纤法和实时模型，其中，压力点分析法的监测结果受仪器影响较大，光纤法需要对海底管线进行改造，且改造难度大，易破坏海底管线，实时模型监测价格昂贵，成本高。

中国专利CN104976518B公开了一种海底管线泄漏监测***，包括控制器、流量传感器、压力传感器、温度传感器和中心主计算机；待监测管线的入口端和出口端均设置有、一流量传感器、一压力传感器和一温度传感器，入口端流量传感器、压力传感器和温度传感器实时采集入口端的流量、压力和温度信号，并发送给第一控制器；出口端流量传感器、压力传感器和温度传感器实时采集出口端的流量、压力和温度信号，并发送给第二控制器；各控制器将信号通过以太网交换机发送给中心主计算机，其内的泄露监测***将信息实时显示，并判断待监测管线是否发生泄漏，如发生泄漏，则进行泄漏报警，并计算和显示泄漏量和泄漏位置；中心主计算机将接收的信号、判断结果发送给各远程监控设备。

该专利公开的***通过数据计算出管线的泄露位置，然而海底情况复杂，暗流涌动，生态圈广阔，影响到传感器数据的因素特别多，依靠在实验室中总结出来的公式难以计算出管线泄漏的精确位置。

所以，需要一种设备，该设备能够直接定位海底管道的泄露位置，而非通过数据计算得出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，该设备能够直接定位海底气体输送管道泄露的位置，并能向工作人员提供管道破损情况的图像数据。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，包括有海底轨道、深潜机器人和水声定位***，海底轨道固定安装在海底气体输送管道上并且顺着海底气体输送管道延伸，海底轨道的旁侧等间距地分布有多个供电站，深潜机器人上安装有供电单元、导向模块、障碍探测模块、清障模块、推进模块、控制模块和甲烷传感器；

导向模块、障碍探测模块、清障模块、推进模块、控制模块和甲烷传感器均与供电单元电连接。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，海底轨道包括有套设在海底气体输送管道上的管道套环，管道套环的两侧固定安装有轨道支架，轨道支架上固定安装有轨道钢圈，轨道钢圈内固定安装有环绕轨道钢圈轴线均布的多个轨道钢条。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，导向模块包括有固定安装在深潜机器人两侧的回弹力臂和固定安装在回弹力臂悬空端的半环支架，工作状态下，回弹力臂处于压缩状态，半环支架抵接在轨道钢条上。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，半环支架表面固定安装有一层石墨耐磨层。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，轨道钢条抵接在轨道钢圈的内圈上同时环绕轨道钢圈的轴线螺旋前进。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，供电站包括有固定安装在海底气体输送管道旁侧的湿插拔插座，湿插拔插座通过海底电缆与岸基供电站电连接，供电单元包括有安装在深潜机器人内部的电池和延伸至深潜机器人外部的电源线与湿插拔插头；

导向模块、障碍探测模块、清障模块、水声定位***、推进模块、控制模块和甲烷传感器均与电池电连接。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，障碍探测模块包括有固定安装在深潜机器人上的声学探测模块。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，障碍探测模块包括有光学探测模块，光学探测模块包括有探照灯和摄像头。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，水声定位***包括有水听器阵、收发器和声学应答器基阵，水听器阵固定安装在船台上，收发器固定安装在深潜机器人上，声学应答器基阵固定安装在海底轨道上并且沿着海底轨道等间距分布。

作为一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的一种优选方案，清障模块包括有固定安装在深潜机器人上的机械手，湿插拔插头固定安装在机械手的工作端旁侧，电源线固定安装在机械手的力臂旁侧。

本发明的有益效果：

深潜机器人通过导向模块的引导在海底轨道内部行走，深潜机器人通过声学探测模块探测周围的障碍物，并通过清障模块排出障碍物，深潜机器人通过内置电池供电，在电池电量不足时，深潜机器人将湿插拔插头***到湿插拔插座中，岸基供电站通过海底电缆、湿插拔插座、湿插拔插头和电源线向电池充电；

当甲烷传感器检测到甲烷时，深潜机器人通过探照灯照面并通过摄像头摄像，对海底气体输送管道表面进行摄录，同时深潜机器人通过收发器向周围发出声信号，分布在海底轨道上的声学应答器基阵收到声信号后反馈出声信号；船台通过水听器阵在海面监听海底的声音，水听器阵监听到收发器和声学应答器基阵发出的声信号，通过声信号传播到水听器阵所需的时间，计算出每个声信号距离水听器阵的位置，即可精确定位收发器发出的声信号，也就精确定位了海底气体输送管道泄露的位置；

待深潜机器人回到船台之后，工作人员可以读取深潜机器人内储存的图像信息，从而制定维修方案。

该设备能够直接定位海底气体输送管道泄露的位置，并能向工作人员提供管道破损情况的图像数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的立体图；

图2是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的正视图；

图3是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的俯视图；

图4是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的深潜机器人立体图一；

图5是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的深潜机器人侧视图；

图6是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的深潜机器人正视图；

图7是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的深潜机器人立体图二；

图8是本发明实施例所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备的水声定位***图；

图中：

1、海底轨道；1a、管道套环；1b、轨道支架；1c、轨道钢圈；1d、轨道钢条；2、供电站；2a、湿插拔插座；3、供电单元；3a、电源线；3b、湿插拔插头；4、导向模块；4a、回弹力臂；4b、半环支架；4c、石墨耐磨层；5、障碍探测模块；5a、声学探测模块；5b、光学探测模块；5b1、探照灯；5b2、摄像头；6、清障模块；7、推进模块。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图8所示的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，包括有海底轨道1、深潜机器人和水声定位***，海底轨道1固定安装在海底气体输送管道上并且顺着海底气体输送管道延伸，海底轨道1的旁侧等间距地分布有多个供电站2，深潜机器人上安装有供电单元3、导向模块4、障碍探测模块5、清障模块6、推进模块7、控制模块和甲烷传感器；

导向模块4、障碍探测模块5、清障模块6、推进模块7、控制模块和甲烷传感器均与供电单元3电连接。

深潜机器人通过导向模块4在海底轨道1内部行走，从而使得深潜机器人始终位于海底气体输送管道的正上方；

深潜机器人通过供电单元3与供电站2的对接充电，从而补充电力；

推进模块7为螺旋桨，深潜机器人通过推进模块7在海底前进；

深潜机器人通过障碍探测模块5探测位于前方的障碍物，并通过清障模块6清除障碍；

控制模块用于控制深潜机器人的工作；

甲烷传感器为Hydro C水下甲烷传感器，用于检测海底气体输送管道是否有泄露，当管道泄露时，逸散出的甲烷被甲烷传感器检测到，甲烷传感器发送信号给控制模块，控制模块发送信号给水声定位***，水声定位***对深潜机器人的位置进行判断，然后发出定位信号给船台，通报海底气体输送管道的泄露位置。

海底轨道1包括有套设在海底气体输送管道上的管道套环1a，管道套环1a的两侧固定安装有轨道支架1b，轨道支架1b上固定安装有轨道钢圈1c，轨道钢圈1c内固定安装有环绕轨道钢圈1c轴线均布的多个轨道钢条1d。

管道套环1a、轨道支架1b和轨道钢圈1c均用于固定安装轨道钢条1d，使得轨道钢条1d组合成一个开放式的圆筒形通道，深潜机器人通过导向模块4在该圆筒形通道内部顺着海底气体输送管道延伸的路径前行。

导向模块4包括有固定安装在深潜机器人两侧的回弹力臂4a和固定安装在回弹力臂4a悬空端的半环支架4b，工作状态下，回弹力臂4a处于压缩状态，半环支架4b抵接在轨道钢条1d上。

回弹力臂4a始终朝向远离机器人的方向回弹，从而使得回弹力臂4a始终将半环支架4b压在轨道钢条1d上，两个半环支架4b组合成一个圆环，该圆环始终与轨道钢条1d形成的开放式圆筒内壁抵接，半环支架4b始终位于轨道钢条1d的内部，从而使得海底轨道1得以引导深潜机器人的前进方向，同时使得深潜机器人在海底暗流的作用下也能始终位于海底气体输送管道的正上方。

半环支架4b表面固定安装有一层石墨耐磨层4c。

石墨耐磨层4c用于接触和摩擦轨道钢条1d的表面，从而避免半环支架4b磨损，当石墨耐磨层4c磨损到一定程度时直接更换即可。

轨道钢条1d抵接在轨道钢圈1c的内圈上同时环绕轨道钢圈1c的轴线螺旋前进。

轨道钢条1d螺旋前进使得深潜机器人前行时，轨道钢条1d始终与石墨耐磨层4c的不同部位摩擦，减轻石墨耐磨层4c的磨损程度。

供电站2包括有固定安装在海底气体输送管道旁侧的湿插拔插座2a，湿插拔插座2a通过海底电缆与岸基供电站电连接，供电单元3包括有安装在深潜机器人内部的电池和延伸至深潜机器人外部的电源线3a与湿插拔插头3b；

导向模块4、障碍探测模块5、清障模块6、水声定位***、推进模块7、控制模块和甲烷传感器均与电池电连接。

湿插拔插座2a通过岸基供电站提供电力，湿插拔插座2a与湿插拔插头3b对接后可以在海底为电池充电，从而为深潜机器人提供续航能力。

障碍探测模块5包括有固定安装在深潜机器人上的声学探测模块5a。

声学探测模块5a为IMAGENEX 881A多频数字图像声呐，深潜机器人通过声呐探测前方是否有障碍物。

障碍探测模块5包括有光学探测模块5b，光学探测模块5b包括有探照灯5b1和摄像头5b2。

深潜机器人通过探照灯5b1和摄像头5b2观察前方有无障碍物，也可以观察海底气体输送管道表面，从而寻找泄露的具体部位和泄露情况，深潜机器人回到船台之后，工作人员可以读取深潜机器人内储存的图像信息，从而制定维修方案。

水声定位***包括有水听器阵、收发器和声学应答器基阵，水听器阵固定安装在船台上，收发器固定安装在深潜机器人上，声学应答器基阵固定安装在海底轨道1上并且沿着海底轨道1等间距分布。

当甲烷传感器检测到甲烷时，深潜机器人通过收发器向周围发出声信号，分布在海底轨道1上的声学应答器基阵收到声信号后反馈出声信号；

船台通过水听器阵在海面监听海底的声音，水听器阵监听到收发器和声学应答器基阵发出的声信号，通过声信号传播到水听器阵所需的时间，计算出每个声信号距离水听器阵的位置，即可精确定位收发器发出的声信号，也就精确定位了海底气体输送管道泄露的位置；

同时深潜机器人通过收发器监听声学应答器基阵反馈的声信号，通过声信号传播到自身所需的时间计算出自身的位置，并将该位置记录，以便深潜机器人回到船台后工作人员查阅。

清障模块6包括有固定安装在深潜机器人上的机械手，湿插拔插头3b固定安装在机械手的工作端旁侧，电源线3a固定安装在机械手的力臂旁侧。

机械手的型号为FET公司TA系列多功能机械手，深潜机器人可以通过机械手清除前方的障碍，也可以清理海底气体输送管道上的杂物，还可以用于调整回弹力臂4a的回弹程度，从而便于半环支架4b进入到海底轨道1内部；

机械手移动其工作端时，湿插拔插头3b也随之移动，从而使得深潜机器人通过可以机械手移动湿插拔插头3b，进而将湿插拔插头3b***到湿插拔插座2a中。

本发明的工作原理：

深潜机器人通过导向模块4的引导在海底轨道1内部行走，深潜机器人通过声学探测模块5a探测周围的障碍物，并通过清障模块6排出障碍物，深潜机器人通过内置电池供电，在电池电量不足时，深潜机器人将湿插拔插头3b***到湿插拔插座2a中，岸基供电站通过海底电缆、湿插拔插座2a、湿插拔插头3b和电源线3a向电池充电；

当甲烷传感器检测到甲烷时，深潜机器人通过探照灯5b1照面并通过摄像头5b2摄像，对海底气体输送管道表面进行摄录，同时深潜机器人通过收发器向周围发出声信号，分布在海底轨道1上的声学应答器基阵收到声信号后反馈出声信号；船台通过水听器阵在海面监听海底的声音，水听器阵监听到收发器和声学应答器基阵发出的声信号，通过声信号传播到水听器阵所需的时间，计算出每个声信号距离水听器阵的位置，即可精确定位收发器发出的声信号，也就精确定位了海底气体输送管道泄露的位置；

待深潜机器人回到船台之后，工作人员可以读取深潜机器人内储存的图像信息，从而制定维修方案。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。

Claims (9)

1.一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，包括有海底轨道(1)、深潜机器人和水声定位***，海底轨道(1)固定安装在海底气体输送管道上并且顺着海底气体输送管道延伸，海底轨道(1)的旁侧等间距地分布有多个供电站(2)，深潜机器人上安装有供电单元(3)、导向模块(4)、障碍探测模块(5)、清障模块(6)、推进模块(7)、控制模块和甲烷传感器；

导向模块(4)、障碍探测模块(5)、清障模块(6)、推进模块(7)、控制模块和甲烷传感器均与供电单元(3)电连接；

海底轨道(1)包括有套设在海底气体输送管道上的管道套环(1a)，管道套环(1a)的两侧固定安装有轨道支架(1b)，轨道支架(1b)上固定安装有轨道钢圈(1c)，轨道钢圈(1c)内固定安装有环绕轨道钢圈(1c)轴线均布的多个轨道钢条(1d)。

2.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，导向模块(4)包括有固定安装在深潜机器人两侧的回弹力臂(4a)和固定安装在回弹力臂(4a)悬空端的半环支架(4b)，工作状态下，回弹力臂(4a)处于压缩状态，半环支架(4b)抵接在轨道钢条(1d)上。

3.根据权利要求2所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，半环支架(4b)表面固定安装有一层石墨耐磨层(4c)。

4.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，轨道钢条(1d)抵接在轨道钢圈(1c)的内圈上同时环绕轨道钢圈(1c)的轴线螺旋前进。

5.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，供电站(2)包括有固定安装在海底气体输送管道旁侧的湿插拔插座(2a)，湿插拔插座(2a)通过海底电缆与岸基供电站电连接，供电单元(3)包括有安装在深潜机器人内部的电池和延伸至深潜机器人外部的电源线(3a)与湿插拔插头(3b)；

导向模块(4)、障碍探测模块(5)、清障模块(6)、水声定位***、推进模块(7)、控制模块和甲烷传感器均与电池电连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，障碍探测模块(5)包括有固定安装在深潜机器人上的声学探测模块(5a)。

7.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，障碍探测模块(5)包括有光学探测模块(5b)，光学探测模块(5b)包括有探照灯(5b1)和摄像头(5b2)。

8.根据权利要求1所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，水声定位***包括有水听器阵、收发器和声学应答器基阵，水听器阵固定安装在船台上，收发器固定安装在深潜机器人上，声学应答器基阵固定安装在海底轨道(1)上并且沿着海底轨道(1)等间距分布。

9.根据权利要求5所述的一种用于探测海底天然气水合物开采气体输送管道泄漏的设备，其特征在于，清障模块(6)包括有固定安装在深潜机器人上的机械手，湿插拔插头(3b)固定安装在机械手的工作端旁侧，电源线(3a)固定安装在机械手的力臂旁侧。

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