基于水声的海底管线悬跨涡激振动监测系统的设计与实现

穆 顷，李 诚，刘晓东，申晓红，王海燕

(1.天津中海油工程设计有限公司,天津 300452；2.西北工业大学航海学院,陕西 西安 710072)

基于水声的海底管线悬跨涡激振动监测系统的设计与实现

穆 顷1，李 诚1，刘晓东2*，申晓红2，王海燕2

(1.天津中海油工程设计有限公司,天津 300452；2.西北工业大学航海学院,陕西 西安 710072)

海底管线是海洋石油集输与储运系统的重要组成部分，在海洋石油资源的开发中发挥重要作用，被誉为海上油田的“生命线”。然而，涡激振动导致海底管线悬跨产生交变应力，诱发疲劳，严重威胁海底管线的安全运行。针对上述情况，研究了基于水声的海底管线悬跨涡激振动监测技术，设计了涡激振动监测模块。试验表明监测系统具有较高的可行性。

海洋石油；悬跨；涡激振动；监测

0 引 言

石油是社会发展经济发展的动力之源，更是维护国家安全的战略基石。自1936年第一条海底管线在美国加尔维斯顿(Galvestan)铺设以来，海底管线已经在世界范围内的海洋油气开发中得到广泛应用。1985年我国在埕北油田铺设了第一条海底管线。截至2013年底，我国在役海底管线已经超过6000km。随着深水战略的实施，更多的海底管线将投入运营。由于海洋石油集输的特殊性和海洋环境的复杂性，海底管线在服役期间的安全完整性遭遇多方面挑战[1]。海床起伏、地震[2]、波流冲刷等导致海底管线的某些区段失去支撑，形成悬跨[3]。其中，悬跨管段因涡激振动(VIV)导致的疲劳失效[4]，是威胁海底管线安全完整性的重要因素之一。在一定条件下，洋流流经悬跨时，发生以流固耦合为特征的涡激振动。涡激振动产生的交变应力导致悬跨疲劳乃至失效[5-6]，严重危及海底管线的安全运行。

针对海底管线悬跨管段面临的上述问题，本文研究了基于水声的悬跨管段涡激振动监测技术，设计并实现了悬跨管段涡激振动监测模块，该模块是涡激振动监测装置的重要构成部分。

1 监测系统的基本结构

基于水声的海底管线悬跨涡激振动监测方案如图1所示。

图1 悬跨涡激振动监测示意图Fig.1 Schematic diagram of the VIV monitoring of submarine pipeline suspension

图1所示监测方案的具体流程详见图2。加速度传感器采集的悬跨管段动态响应数据，经数字信号处理器(DSP)处理后变为表征悬跨涡激振动特征的频率和位移数据。该数据经信源编码和信道编码后，进行调制。调制后的数据通过功率放大器后，经发射换能器发送至监控平台。

在数据接收与显示装置端，接收换能器将声信号转换为模拟电信号。该信号经滤波放大后，由模数转换器(A/D)转换为数字信号，再经解调解码即可获得悬跨的涡激振动信息。

图2 悬跨涡激振动监测原理Fig.2 Principle of the VIV monitoring of submarine pipeline suspension

2 关键技术

基于水声的悬跨涡激振动监测装置由电池供电，是能源受限系统。因此，在电池容量不变的前提下，提高监测装置的服役期限是监测装置设计的重要指标要求。在满足测量精度的前提下，本文研究传感器选型、最小辐射功率和电池成组的关键技术，以此优化监测装置的设计。

2.1加速度传感器的选择

根据悬跨管段涡激振动幅频响应特性和加速度的指标参数，本文的悬跨监测方案选择Silicon Designs公司的Model2422-002型三轴加速度传感器，其指标为量程2g(g为重力加速度)，3dB频率响应范围0～300Hz，均方根噪声13μg/Hz1/2，灵敏度2000mV/g，工作电压5V，电流21mA。

2.2最小辐射功率技术

测点与接收端的水平距离为5km，垂直距离小于300m。根据被动声呐方程，得最佳载波频率公式为[7]

(1)

不同传输距离时所对应的最佳频率如图3所示，即5km距离的最佳工作频率为6.25kHz。考虑到发射换能器工程实现时体积以及带宽的限制，选取系统的工作频带为5.75～6.75kHz。

图3 不同传输距离所对应的最佳载波频率Fig.3 Optimal carrier frequency versus transmission distance

传输损失公式为[8]

LT=20lgR+αR+60,

(2)

式中：R为传输距离；α为吸收系数。吸收系数α与频率f的关系[8]为

(3)

根据式(3)，当f=6.25kHz时，α=0.4887dB/kbit；距离R=5km。代入式(2)，得LT=76.4231dB。

接收端信噪比的理论计算如下。

数据速率RC与带宽、信噪比之间的关系为

(4)

式中：Ps为信号功率；Pn为噪声功率；带宽B=1kHz；Γ，γm和η为信噪比参量。Γ为信噪比差额，其含义为某种调制、编码方法对信噪比的实际利用能力与信道所提供的信噪比之间的差额。对于某种特定的调制、编码方法和特定的误码率，在不同传输速率下的信噪比差额几乎都是常数。若采用无纠错编码正交振幅调制(QAM)，当误码率Pb=10-4时，Γ=6.5dB。γm为信噪比裕量，其大小与通信系统硬件的性能有关。如发射换能器通带内的3dB波动、接收水听器通带内的波动、接收滤波器通带内1.5dB的波动能特性以及水声传播时中心频率与最高频率之间吸收有约3dB的差异，所以在设计传输速率时，还要考虑信噪比裕量。本项目取γm=9dB。η为信噪比损失。多径传输会造成接收端信噪比的降低，取η=3dB。总的信噪比为

(5)

当Pb=10-4,Γ=6.5dB，γm=9dB，η=3dB时，估计得RS-N=14.7dB。查海洋环境噪声预测图可知：LN=56dB/Hz(1μPa)。当Pb=10-4时，由LS=LT+LN+10lgB+RS-N得LS=76.4231+56+10lg103+14.7=177.1231dB。

由于调制方式为相位调制，功放一定要用线性功放，AB类线性功放带内转换效率约为30%，发射换能器的带内转换效率约为30%。当误码率Pb=10-4时，所需的电功率为47.65W。

2.3电池成组技术

锂电池具有电压高、自放电率低、比能量和比体积都相对其他电池大等特点，为本监测系统电池的首选。但是单体锂电池难以满足本项目的要求，必须进行锂电池成组的设计和加工。锂电池成组技术主要包括电池组的拓扑结构和电池组的管理系统。拓扑结构的技术细节包含：(1)输出电压电流设计；(2)单体电池空间位置设计，其目的是成组后满足总壳体的需求且体积最小，并保证成组电池的抗抖动、抗碰撞特性。电池管理系统的任务在于：(1)数据采集，实时检测电池的电压、电流和温度等参数；(2)均衡管理，设置在电池组各个电池单体之间，通过一定的控制策略使得各单体在放电过程中的电压、电流、容量等性能参数尽量一致，以延长电池组的寿命；(3)安全管理，通过防爆、防漏、过流保护等措施，监视电池的状态(如电压、电流、温度等)，保证电池的安全。

采用国标ER34615M单体锂电池进行成组。该电池参数如表1所示。

表1 ER34615M锂电池参数

对于加速度传感器，电压5 V，工作电流20 mA，每次工作5 min，每天工作3次，每月30天，共工作6个月，则所需锂电池的容量为0.9 A·h。数据处理电路工作电压为7.2 V，电流为20 mA，每天工作3次，工作6个月，每天工作30 min(3次5 min的加速度采集时间+2 min发射时间+数据保存+冗余)实际耗电1.8 A·h。水声发射装置电源为42 V，1.135 A，每天工作1次，工作6个月；其实际耗电与发送数据量有关，原始二进制数据量300 bit，纠错编码后为420 bit(7,4汉明编码)，码元信息发射耗时420×0.004=1.68 s，加同步信息，每次工作按30 s计算。工作时间为1.5 h，实际耗电1.8 A·h。

图4 锂电池组实物照片Fig.4 Lithium battery pack

根据上述工作要求，设计的电池组如图4所示。3监测样机设计

在前述关键技术的研究基础上，设计的涡激振动监测模块、水下信息处理板(DSP，SD卡，编码调制、控制器)和功放(局部)如图5所示。

图5 悬跨涡激振动监测关键模块照片Fig.5 Key modules of the VIV monitoring system for submarine pipeline suspension

根据上述关键模块的设计，研制出悬跨涡激振动监测装置样机，如图6所示。

图6 悬跨涡激振动监测装置样机Fig.6 Prototype VIV monitoring system for submarine pipeline suspension

4 试验研究

为了验证上述模块的可行性与正确性，开展了试验研究。考虑到项目进展，本文只进行涡激振动监测模块与水下信息处理板的实验室试验，包括单模态振动测试与多模态振动测试试验，如图7所示。

图7 悬跨涡激振动监测实验室试验Fig.7 Laboratory test of the VIV monitoring system

通过可视化界面右侧的紫荆花来显示通信效果。其通信测试结果如图8所示。

图8 试验通信测试结果Fig.8 Communication test results

图9为接收到的传感器采集的数据，通过可视化窗口和坐标系均可以看到。

对试验中获取的数据进行快速傅里叶变换(FFT)分析即可提取当前的振动信号。首先进行的是单模态振动测试试验，激励信号频率为0.5Hz。图10为单模态的信号提取结果。

图10 单模态试验信号提取结果Fig.10 Signal extraction result of the single-mode test

在单模态试验的基础上又进行了多模态的振动试验测试，试验中的振动激励信号频率分别为0.2Hz，0.5Hz和1Hz。多模态的信号提取结果如图11所示。

单模态测试试验中提取的信号频率为0.498Hz，其误差为0.4%。多模态振动测试试验中提取的振动信号分别为0.2004Hz，0.495Hz和1.003Hz，其误差分别为0.2%，0.5%和0.3%。单模态与多模态振动测试试验误差均小于系统实验室标定指标(5%)，满足设计要求。

图11 多模态试验信号提取结果Fig.11 Signal extraction result of the multi-mode test

5 结 语

针对涡激振动导致的海底管线悬跨疲劳失效问题，研究了基于水声的悬跨监测方法，解决了影响监测系统能耗的传感器选择、发射功率选择和电池成组三方面的关键技术，设计并研制了悬跨涡激振动监测装置。实验室试验表明了各模块设计的可行性与正确性，并为进一步的研究与试验奠定了基础。

[1] 李保军. 海洋管线涡激振动监测关键技术研[D].西安：西北工业大学，2015:2-4.

[2] Lam K Y, Zong Z, Wang Q X. Probabilistic failure of a cracked submarine pipeline subjected to the underwater shock[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2001,123(3):134.

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[5] Koushan K. Vortex induced vibrations of free span pipelines[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology,2009.

[6] Pontaza J P, Menon R G. Prediction of vortex-induced vibration response of a pipeline span by coupling a viscous flow solver and a beam finite element solver [J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2013,135(3):031702.

[7] 张育芝，王海燕，申晓红，等. 深水管道监测信息的水声传输技术研究[J]. 计算机测量与控制,2012(20):328.

[8] 尤立克R J. 水声原理[M]. 洪申 译. 哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1990:79-88.

DesignandImplementationoftheVIVMonitoringSystemforSubmarinePipelineSuspensionBasedonUnderwaterAcoustics

MU Qing1, LI Cheng1, LIU Xiao-dong2, SHEN Xiao-hong2, WANG Hai-yan2

(1.TianjinCNOOCEngineeringDesignCo.,Ltd.,Tianjin300452,China; 2.SchoolofMarineScienceandTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an,Shaanxi710072,China)

Submarine pipeline is an important part of marine oil gathering and transportation system. It plays an important role in the development of marine petroleum resources, and is regarded as the lifeline of the offshore oil field. However, the vortex-induced vibration (VIV) of submarine pipeline, which causes alternating stress and fatigue, is a serious threat to the safe operation of the submarine pipeline. In view of the above situation, the monitoring technology of submarine pipeline suspension based on underwater acoustics is studied, and the vibration monitoring module is designed. The feasibility of the monitoring system is tested.

offshore oil; freespan; vortex-induced vibration; monitoring

data

TE973

A

2095-7297(2015)04-00275-05

2015-08-09

国家科技重大项目(2011ZX05026-001-06)

穆顷(1981—)，男，本科，主要从事海洋工程结构设计工作。

*通信作者