基于水聲的海底管線懸跨渦激振動監測系統的設計與實現

穆 頃，李 誠，劉曉東，申曉紅，王海燕

(1.天津中海油工程設計有限公司,天津 300452；2.西北工業大學航海學院,陜西 西安 710072)

基于水聲的海底管線懸跨渦激振動監測系統的設計與實現

穆 頃1，李 誠1，劉曉東2*，申曉紅2，王海燕2

(1.天津中海油工程設計有限公司,天津 300452；2.西北工業大學航海學院,陜西 西安 710072)

海底管線是海洋石油集輸與儲運系統的重要組成部分，在海洋石油資源的開發中發揮重要作用，被譽為海上油田的“生命線”。然而，渦激振動導致海底管線懸跨產生交變應力，誘發疲勞，嚴重威脅海底管線的安全運行。針對上述情況，研究了基于水聲的海底管線懸跨渦激振動監測技術，設計了渦激振動監測模塊。試驗表明監測系統具有較高的可行性。

海洋石油；懸跨；渦激振動；監測

0 引 言

石油是社會發展經濟發展的動力之源，更是維護國家安全的戰略基石。自1936年第一條海底管線在美國加爾維斯頓(Galvestan)鋪設以來，海底管線已經在世界范圍內的海洋油氣開發中得到廣泛應用。1985年我國在埕北油田鋪設了第一條海底管線。截至2013年底，我國在役海底管線已經超過6000km。隨著深水戰略的實施，更多的海底管線將投入運營。由于海洋石油集輸的特殊性和海洋環境的復雜性，海底管線在服役期間的安全完整性遭遇多方面挑戰[1]。海床起伏、地震[2]、波流沖刷等導致海底管線的某些區段失去支撐，形成懸跨[3]。其中，懸跨管段因渦激振動(VIV)導致的疲勞失效[4]，是威脅海底管線安全完整性的重要因素之一。在一定條件下，洋流流經懸跨時，發生以流固耦合為特征的渦激振動。渦激振動產生的交變應力導致懸跨疲勞乃至失效[5-6]，嚴重危及海底管線的安全運行。

針對海底管線懸跨管段面臨的上述問題，本文研究了基于水聲的懸跨管段渦激振動監測技術，設計并實現了懸跨管段渦激振動監測模塊，該模塊是渦激振動監測裝置的重要構成部分。

1 監測系統的基本結構

基于水聲的海底管線懸跨渦激振動監測方案如圖1所示。

圖1 懸跨渦激振動監測示意圖Fig.1 Schematic diagram of the VIV monitoring of submarine pipeline suspension

圖1所示監測方案的具體流程詳見圖2。加速度傳感器采集的懸跨管段動態響應數據，經數字信號處理器(DSP)處理后變為表征懸跨渦激振動特征的頻率和位移數據。該數據經信源編碼和信道編碼后，進行調制。調制后的數據通過功率放大器后，經發射換能器發送至監控平臺。

在數據接收與顯示裝置端，接收換能器將聲信號轉換為模擬電信號。該信號經濾波放大后，由模數轉換器(A/D)轉換為數字信號，再經解調解碼即可獲得懸跨的渦激振動信息。

圖2 懸跨渦激振動監測原理Fig.2 Principle of the VIV monitoring of submarine pipeline suspension

2 關鍵技術

基于水聲的懸跨渦激振動監測裝置由電池供電，是能源受限系統。因此，在電池容量不變的前提下，提高監測裝置的服役期限是監測裝置設計的重要指標要求。在滿足測量精度的前提下，本文研究傳感器選型、最小輻射功率和電池成組的關鍵技術，以此優化監測裝置的設計。

2.1加速度傳感器的選擇

根據懸跨管段渦激振動幅頻響應特性和加速度的指標參數，本文的懸跨監測方案選擇Silicon Designs公司的Model2422-002型三軸加速度傳感器，其指標為量程2g(g為重力加速度)，3dB頻率響應范圍0～300Hz，均方根噪聲13μg/Hz1/2，靈敏度2000mV/g，工作電壓5V，電流21mA。

2.2最小輻射功率技術

測點與接收端的水平距離為5km，垂直距離小于300m。根據被動聲吶方程，得最佳載波頻率公式為[7]

(1)

不同傳輸距離時所對應的最佳頻率如圖3所示，即5km距離的最佳工作頻率為6.25kHz。考慮到發射換能器工程實現時體積以及帶寬的限制，選取系統的工作頻帶為5.75～6.75kHz。

圖3 不同傳輸距離所對應的最佳載波頻率Fig.3 Optimal carrier frequency versus transmission distance

傳輸損失公式為[8]

LT=20lgR+αR+60,

(2)

式中：R為傳輸距離；α為吸收系數。吸收系數α與頻率f的關系[8]為

(3)

根據式(3)，當f=6.25kHz時，α=0.4887dB/kbit；距離R=5km。代入式(2)，得LT=76.4231dB。

接收端信噪比的理論計算如下。

數據速率RC與帶寬、信噪比之間的關系為

(4)

式中：Ps為信號功率；Pn為噪聲功率；帶寬B=1kHz；Γ，γm和η為信噪比參量。Γ為信噪比差額，其含義為某種調制、編碼方法對信噪比的實際利用能力與信道所提供的信噪比之間的差額。對于某種特定的調制、編碼方法和特定的誤碼率，在不同傳輸速率下的信噪比差額幾乎都是常數。若采用無糾錯編碼正交振幅調制(QAM)，當誤碼率Pb=10-4時，Γ=6.5dB。γm為信噪比裕量，其大小與通信系統硬件的性能有關。如發射換能器通帶內的3dB波動、接收水聽器通帶內的波動、接收濾波器通帶內1.5dB的波動能特性以及水聲傳播時中心頻率與最高頻率之間吸收有約3dB的差異，所以在設計傳輸速率時，還要考慮信噪比裕量。本項目取γm=9dB。η為信噪比損失。多徑傳輸會造成接收端信噪比的降低，取η=3dB。總的信噪比為

(5)

當Pb=10-4,Γ=6.5dB，γm=9dB，η=3dB時，估計得RS-N=14.7dB。查海洋環境噪聲預測圖可知：LN=56dB/Hz(1μPa)。當Pb=10-4時，由LS=LT+LN+10lgB+RS-N得LS=76.4231+56+10lg103+14.7=177.1231dB。

由于調制方式為相位調制，功放一定要用線性功放，AB類線性功放帶內轉換效率約為30%，發射換能器的帶內轉換效率約為30%。當誤碼率Pb=10-4時，所需的電功率為47.65W。

2.3電池成組技術

鋰電池具有電壓高、自放電率低、比能量和比體積都相對其他電池大等特點，為本監測系統電池的首選。但是單體鋰電池難以滿足本項目的要求，必須進行鋰電池成組的設計和加工。鋰電池成組技術主要包括電池組的拓撲結構和電池組的管理系統。拓撲結構的技術細節包含：(1)輸出電壓電流設計；(2)單體電池空間位置設計，其目的是成組后滿足總殼體的需求且體積最小，并保證成組電池的抗抖動、抗碰撞特性。電池管理系統的任務在于：(1)數據采集，實時檢測電池的電壓、電流和溫度等參數；(2)均衡管理，設置在電池組各個電池單體之間，通過一定的控制策略使得各單體在放電過程中的電壓、電流、容量等性能參數盡量一致，以延長電池組的壽命；(3)安全管理，通過防爆、防漏、過流保護等措施，監視電池的狀態(如電壓、電流、溫度等)，保證電池的安全。

采用國標ER34615M單體鋰電池進行成組。該電池參數如表1所示。

表1 ER34615M鋰電池參數

對于加速度傳感器，電壓5 V，工作電流20 mA，每次工作5 min，每天工作3次，每月30天，共工作6個月，則所需鋰電池的容量為0.9 A·h。數據處理電路工作電壓為7.2 V，電流為20 mA，每天工作3次，工作6個月，每天工作30 min(3次5 min的加速度采集時間+2 min發射時間+數據保存+冗余)實際耗電1.8 A·h。水聲發射裝置電源為42 V，1.135 A，每天工作1次，工作6個月；其實際耗電與發送數據量有關，原始二進制數據量300 bit，糾錯編碼后為420 bit(7,4漢明編碼)，碼元信息發射耗時420×0.004=1.68 s，加同步信息，每次工作按30 s計算。工作時間為1.5 h，實際耗電1.8 A·h。

圖4 鋰電池組實物照片Fig.4 Lithium battery pack

根據上述工作要求，設計的電池組如圖4所示。3監測樣機設計

在前述關鍵技術的研究基礎上，設計的渦激振動監測模塊、水下信息處理板(DSP，SD卡，編碼調制、控制器)和功放(局部)如圖5所示。

圖5 懸跨渦激振動監測關鍵模塊照片Fig.5 Key modules of the VIV monitoring system for submarine pipeline suspension

根據上述關鍵模塊的設計，研制出懸跨渦激振動監測裝置樣機，如圖6所示。

圖6 懸跨渦激振動監測裝置樣機Fig.6 Prototype VIV monitoring system for submarine pipeline suspension

4 試驗研究

為了驗證上述模塊的可行性與正確性，開展了試驗研究。考慮到項目進展，本文只進行渦激振動監測模塊與水下信息處理板的實驗室試驗，包括單模態振動測試與多模態振動測試試驗，如圖7所示。

圖7 懸跨渦激振動監測實驗室試驗Fig.7 Laboratory test of the VIV monitoring system

通過可視化界面右側的紫荊花來顯示通信效果。其通信測試結果如圖8所示。

圖8 試驗通信測試結果Fig.8 Communication test results

圖9為接收到的傳感器采集的數據，通過可視化窗口和坐標系均可以看到。

對試驗中獲取的數據進行快速傅里葉變換(FFT)分析即可提取當前的振動信號。首先進行的是單模態振動測試試驗，激勵信號頻率為0.5Hz。圖10為單模態的信號提取結果。

圖10 單模態試驗信號提取結果Fig.10 Signal extraction result of the single-mode test

在單模態試驗的基礎上又進行了多模態的振動試驗測試，試驗中的振動激勵信號頻率分別為0.2Hz，0.5Hz和1Hz。多模態的信號提取結果如圖11所示。

單模態測試試驗中提取的信號頻率為0.498Hz，其誤差為0.4%。多模態振動測試試驗中提取的振動信號分別為0.2004Hz，0.495Hz和1.003Hz，其誤差分別為0.2%，0.5%和0.3%。單模態與多模態振動測試試驗誤差均小于系統實驗室標定指標(5%)，滿足設計要求。

圖11 多模態試驗信號提取結果Fig.11 Signal extraction result of the multi-mode test

5 結 語

針對渦激振動導致的海底管線懸跨疲勞失效問題，研究了基于水聲的懸跨監測方法，解決了影響監測系統能耗的傳感器選擇、發射功率選擇和電池成組三方面的關鍵技術，設計并研制了懸跨渦激振動監測裝置。實驗室試驗表明了各模塊設計的可行性與正確性，并為進一步的研究與試驗奠定了基礎。

[1] 李保軍. 海洋管線渦激振動監測關鍵技術研[D].西安：西北工業大學，2015:2-4.

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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

國家科技重大項目(2011ZX05026-001-06)

穆頃(1981—)，男，本科，主要從事海洋工程結構設計工作。

*通信作者