PL223841B1 - Tensometr wielkogabarytowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest tensometr wielkogabarytowy. Znajduje on zastosowanie do pomiaru i monitorowania obciążeń w trudnodostępnych konstrukcjach rurowych, zwłaszcza w podwodnych częściach platform wiertniczych.

Znanych jest wiele rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń do pomiaru odkształceń, naprężeń i podobnych parametrów w konstrukcjach narażonych na działanie różnego rodzaju sił, w których jako elementy pomiarowe stosowane są czujniki tensometryczne, najczęściej w układzie mostkowym, w szczególności do pomiaru obciążeń lin, zawieszeń i innych podobnych elementów. Rozwiązania te nie są przydatne w zastosowaniu do trudnodostępnych konstrukcji wielkogabarytowych.

Znany jest w polskiego opisu patentowego nr 192259 sposób i urządzenie do monitorowania odkształceń polegający na wykorzystaniu kamery oraz komputera jako urządzenia do analizowania zarejestrowanych przez kamerę obrazów. Urządzenie ma reflektor przyłączony do monitorowanego obiektu i umieszczony w polu widzenia kamery sprzężonej z komputerem.

W opisie patentowym PL 201865 przedstawiono urządzenie do pomiaru naprężeń w kształtowanych łukowo odcinkach rurociągów energetycznych, które posiada minimum trzy obejmy rozmieszczone wzdłuż obwodu łuku, do których zamocowane są pręty mające na końcach powierzchnie kontrastujące z tłem lub wyposażone w źródło światła i przechodzące przez osłonę termoizolacyjną i jej pancerz. Ponadto do powierzchni zagięcia łukowego rury zamocowany jest w dowolnym miejscu termoelement, którego przewody pomiarowe są na zewnątrz pancerza osłony termoizolacyjnej.

Z polskiego opisu patentowego nr 167372 znany jest dynamometr tensometryczny do pomiaru obciążeń zawieszeń rurociągów, w którym tensometry umieszczone są na elemencie pomiarowym w kształcie tulei i połączone z zewnętrznym układem pomiarowym. Na jeden koniec tulei pomiarowej nakręcona jest końcówka oczkowa, której część cylindryczna obsadzona jest swobodnie w cienkościennej tulei osłonowej. Na drugi koniec tulei pomiarowej nakręcona jest końcówka oczkowa z poprzecznym wkrętem zabezpieczającym, na której część cylindryczną nakręcony jest przeciwległy k oniec tulei osłonowej. W bocznej ściance końcówki osłonowej znajduje się wycięcie, w którym osadzona jest elektryczna kostka łącznikowa połączona z wyjściem układu tensometrów.

Z polskiego opisu patentowego nr 177123 znany jest dynamometr tensometryczny do pomiaru sił osiowych, zwłaszcza zawieszeń rurociągów, o bardziej złożonej budowie. Ma on postać tulei pomiarowej, na której zewnętrznej powierzchni umieszczone są tensometry połączone ze sobą w układzie mostkowym. W jeden nagwintowany koniec tulei pomiarowej wkręcony jest łącznik z dwoma kołnierzami, przy czym do kołnierza centrującego dociśnięta jest za pomocą nakrętki wewnętrzna tuleja osłonowa. W drugi nagwintowany koniec tulei pomiarowej wkręcony jest drugi łącznik, także z dwoma kołnierzami, przy czym do kołnierza centrującego dociśnięta jest za pomocą nakrętki zewnętrzna tuleja osłonowa. Na koniec drugiego łącznika nakręcona jest kształtowa nakrętka połączenia przegubowego osadzona w pierścieniu trwale osadzonym w korpusie.

Tensometr wielkogabarytowy posiadający obejmy, czujniki pomiarowe oraz układ analizy i rejestracji według wynalazku charakteryzuje się tym, że ma postać korpusu składającego się z dwóch kolistych obejm, wewnątrz których znajduje się co najmniej jeden układ analizy i rejestracji i które p ołączone są prostopadłymi ustawionymi naprzemiennie pierwszymi rurami i drugimi rurami. Na wewnętrznych ścianach tych rur umieszczone są pierwsze i drugie czujniki pomiarowe połączone z układem analizy i rejestracji, przy czym pierwsze rury połączone są sztywno z górną obejmą i dolną obejmą a drugie rury połączone są sztywno z górną obejmą i suwliwie z dolną obejmą.

Górna obejma i dolna obejma składają się z dwóch szczelnych półkolistych półobejm połączonych ze sobą złączami śrubowymi.

Korzystnie korpus ma cztery pierwsze rury o przekroju kwadratowym i cztery drugie rury o przekroju kwadratowym rozmieszczone regularnie po dwie w obrębie każdej pary odpowiadających sobie półobejm górnej i dolnej obejmy.

Tensometr ma co najmniej osiem pierwszych czujników pomiarowych, osiem drugich czujników pomiarowych i dwa układy analizy i rejestracji przy czym w każdej z pierwszych rur i każdej z drugich rur znajduje się co najmniej jeden pierwszy czujnik pomiarowy i co najmniej jeden drugi czujnik pomi arowy umieszczone na przyległych ścianach rury, a w każdej z półobejm górnej obejmy znajduje się jeden układ analizy i rejestracji, z którym połączone są pierwsze i drugie czujniki pomiarowe znajdujące się w obrębie tej półobejmy.

PL 223 841 B1

Na wewnętrznej ścianie każdej z półobejm górnej obejmy znajduje się czujnik kompensacji temperaturowej połączony z układem analizy i rejestracji znajdującym się w tej półobejmie.

Najkorzystniej pierwsze i drugie czujniki pomiarowe oraz czujniki kompensacji temperaturowej są czujnikami światłowodowymi połączonymi z układem analizy i rejestracji za pomocą kabli światłowodowych.

Główną zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość pracy tensometru wielkogabarytowego przez cały okres eksploatacji obiektu. Umożliwia to prowadzenie pomiarów obiektu bez zmian jego charakterystyk eksploatacyjnych. Dzięki zastosowaniu technologii światłowodowej tensometr nie wymaga kalibracji, zerowania i wzorcowania przez cały okres eksploatacji. Jednocześnie zastosowany w rozwiązaniu układ światłowodowych czujników pomiarowych i czujników kompensacyjnych zapewnia kompensację sił nie osiowych oraz kompensację temperaturową.

Przykładowa realizacja tensometru wielkogabarytowego według wynalazku zilustrowana jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia widok w przekroju poprzecznym, fig. 2 - przekrój podłużny, a fig. 3 - rozmieszczenie pierwszych i drugich czujników pomiarowych w rurze.

W przykładowej realizacji tensometr wielkogabarytowy posiada korpus składający się z kolistej górnej obejmy GO oraz kolistej dolnej obejmy DO, z których każda składa się z dwóch szczelnych półkolistych półobejm 1 o postaci skrzynkowej. Górna obejma GO i dolna obejma DO połączone są między sobą czterema pierwszymi rurami 2 i czterema drugimi rurami 3. Natomiast półobejmy 1 połączone są ze sobą złączami śrubowymi 4. Pierwsze rury 2 i drugie rury 3 mają przekrój kwadratowy, przy czym pierwsze rury 2 połączone są sztywno zarówno z górną obejmą GO, jak i z dolną obejmą DO, natomiast drugie rury 3 połączone są z górną obejmą GO połączeniem sztywnym, a z dolną obejmą DO połączeniem suwliwym. Pierwsze i drugie rury 2, 3 kwadratowe rozmieszczone są naprzemiennie w jednakowych odległościach od siebie tak, że w obrębie każdej półobejmy 1 znajdują się dwie pierwsze rury 2 i dwie drugie rury 3. Na jednej z wewnętrznych ścian każdej pierwszej rury 2 i każdej drugiej rury 3 umieszczone są pierwsze czujniki pomiarowe 5, a na ścianie przyległej - drugie czujniki pomiarowe 6. Pierwsze czujniki pomiarowe 5 służą do pomiaru naprężeń pochodzących od zginania i ściskania konstrukcji, a drugie czujniki pomiarowe 6 - do pomiaru naprężeń pochodzących od skręcania konstrukcji. Na wewnętrznej ścianie każdej z półobejm 1 tworzących górną obejmę GO umieszczony jest czujnik kompensacji temperaturowej 7. W ten sposób tensometr posiada osiem pierwszych czujników pomiarowych 5, osiem drugich czujników pomiarowych 6 oraz dwa czujniki kompensacji temperaturowej 7, przy czym w obrębie każdej ze szczelnych półkolistych półobejm 1 i odpowiadających im pierwszych i drugich rur 2, 3 kwadratowych znajdują się po cztery pierwsze i drugie czujniki pomiarowe 5, 6 oraz jeden czujnik kompensacji temperaturowej 7. Wszystkie pierwsze i drugie czujniki pomiarowe 5, 6 oraz czujniki kompensacji temperaturowej 7 są czujnikami światłowodowymi typu FBG przyklejonymi do wewnętrznych ścian konstrukcji tensometru i połączonymi za pomocą kabli światłowodowych 8 z dwoma układami analizy i rejestracji 9. W każdej z górnych półobejm 1 zainstalowany jest jeden układ analizy i rejestracji 9, z którym połączone są czujniki leżące w obrębie tej półobejmy 1. Układami analizy i rejestracji 9 są interrogatory, tj. wyspecjalizowane urządzenia do czujników światłowodowych. Mogą one być połączone w dowolny sposób, np. łączem be zprzewodowym, z zewnętrznym rejestratorem, niepokazanym na rysunku. W przedstawionym rozwiązaniu tensometr wielkogabarytowy składa się z dwóch integralnych, szczelnych połówek, z których każda posiada interrogator, z którym połączone są czujniki znajdujące się w danej połówce, a między połówkami tensometru nie ma żadnych przejść kablowych.

W przykładowym zastosowaniu do pomiaru obciążeń trudnodostępnych konstrukcji rurowych, w szczególności rur stanowiących nogi platform wiertniczych, tensometr montowany jest przez nurka na nodze platformy poprzez skręcenie złącz śrubowych 4 górnej i dolnej obejmy GO, DO i zaciśnięcie ich na badanej rurze. Przemienne połączenie sztywne i suwliwe rur kwadratowych w dolnej obejmie pozwala na rozdział obciążeń pochodzących od zginania i ściskania konstrukcji. Deformacja badanej konstrukcji powoduje, poprzez obejmy, deformację rur kwadratowych wyposażonych w czujniki odkształceń.

W przykładowym zastosowaniu do pomiaru naprężeń nogi jednej z platform wiertniczych stojącej na głębokości 80 m, główna rura nośna tej platformy ma średnicę ~ 800 mm i do niej dostosowana jest średnica górnej i dolnej obejmy GO, DO tensometru. Półobejmy 1 oraz pierwsze i drugie rury 2, 3 wykonane są z blach zabezpieczonych przed działaniem środowiska, korzystnie ze stali nierdzewnej. Półkoliste szczelne półobejmy skrzynkowe wykonane są z blach o grubości 10 mm oraz 20 mm w miejscu mocowania rur kwadratowych. Rury kwadratowe mają w przekroju wymiary 100 x 100 x 7 mm, a ich

PL 223 841 B1 wysokość wynosi 2 metry. Wewnętrzne wymiary przekroju obejm wynoszą 240 x 240 mm. Przewid ywany zakres naprężeń nie przekracza 200 MPa, przy granicy plastyczności badanych nóg 690 MPa.

Liczba i kształty poszczególnych elementów tensometru wielkogabarytowego są w przykładowej realizacji wybrane jako optymalne, stanowiące kompromis między dokładnością i niezawodnością urządzenia, a jego kosztami. Średnica obejm powinna być w każdym konkretnym zastosowaniu dostosowana do badanego obiektu, a pozostałe wymiary i liczba czujników mogą być różne i powinny być dobierane optymalnie, w zależności od uwarunkowań technicznych, takich jak ilość dostępnego miejsca, dokładność pomiaru itp.

Tensometr wielkogabarytowy jest wyjątkowo korzystnym rozwiązaniem w swoim zastosowaniu do konstrukcji platform wiertniczych. Obciążenia środowiskowe - wiatr, falowanie, prądy, a także eksploatacyjne powodują zmienne i stałe naprężenia nóg platformy, które są zagrożone uszkodzeniami zmęczeniowymi, które są trudno obserwowalne, a stanowią duże zagrożenie dla bezpieczeństwa ko nstrukcji i w konsekwencji są zagrożeniem dla bezpieczeństwa ludzi i środowiska, a także zagrożeniem ekonomicznym dla firmy eksploatującej obiekt. Rozwiązanie według wynalazku pozwala na ciągłe monitorowanie naprężeń w konstrukcji oraz ciągły lub okresowy monitoring zagrożeń i żywotności platformy wiertniczej. Zwiększa to znacząco szeroko pojęte bezpieczeństwo eksploatacji platform wiertniczych, umożliwiając przewidywanie wystąpienia możliwych uszkodzeń i racjonalne planowanie inspekcji, bądź przeglądów okresowych. Zastosowanie czujników światłowodowych daje możliwość pracy tensometru przez cały okres eksploatacji obiektu bez konieczności dodatkowych kalibracji i zerowań układu analizy i rejestracji. Możliwości takich nie dają przeprowadzane dotychczas okresowe wizualne inspekcje ani znane rozwiązania tensometrów, zwłaszcza w tych przypadkach, gdy rura nośna nogi platformy jest w swej przydennej części zanurzona w mule.

Claims (6)

1. Tensometr wielkogabarytowy posiadający obejmy, czujniki pomiarowe oraz układ analizy i rejestracji, znamienny tym, że ma postać korpusu składającego się z dwóch kolistych obejm (GO, DO), wewnątrz których znajduje się co najmniej jeden układ analizy i rejestracji (9) i które połączone są prostopadłymi ustawionymi naprzemiennie pierwszymi rurami (2) i drugimi rurami (3), na których wewnętrznych ścianach umieszczone są pierwsze i drugie czujniki pomiarowe (5, 6) połączone z układem analizy i rejestracji (9), przy czym pierwsze rury (2) połączone są sztywno z górną obejmą (GO) i dolną obejmą (DO), a drugie rury (3) połączone są sztywno z górną obejmą (GO) i suwliwie z dolną obejmą (DO).

2. Tensometr według zastrz. 1, znamienny tym, że górna obejma (GO) i dolna obejma (DO) składają się z dwóch szczelnych półkolistych półobejm (1) połączonych ze sobą złączami śrubowymi (4).

3. Tensometr według zastrz. 2, znamienny tym, że korpus ma cztery pierwsze rury (2) o przekroju kwadratowym i cztery drugie rury (3) o przekroju kwadratowym rozmieszczone regularnie po dwie w obrębie każdej pary odpowiadających sobie półobejm (1) górnej i dolnej obejmy (GO, DO).

4. Tensometr według zastrz. 3, znamienny tym, że ma co najmniej osiem pierwszych czujników pomiarowych (5), osiem drugich czujników pomiarowych (6) i dwa układy analizy i rejestracji (9) przy czym w każdej z pierwszych rur (2) i każdej z drugich rur (3) znajduje się co najmniej jeden pierwszy czujnik pomiarowy (5) i co najmniej jeden drugi czujnik pomiarowy (6) umieszczone na przyległych ścianach rury, a w każdej z półobejm (1) górnej obejmy (GO) znajduje się jeden układ analizy i rejestracji (9), z którym połączone są pierwsze i drugie czujniki pomiarowe (5, 6) znajdujące się w obrębie tej półobejmy (1).

5. Tensometr według zastrz. 4, znamienny tym, że na wewnętrznej ścianie każdej z półobejm (1) górnej obejmy (GO) znajduje się czujnik kompensacji temperaturowej (7) połączony z układem analizy i rejestracji (9) znajdującym się w tej półobejmie (1).

6. Tensometr według zastrz. 5, znamienny tym, że pierwsze i drugie czujniki pomiarowe (5, 6) oraz czujniki kompensacji temperaturowej (7) są czujnikami światłowodowymi połączonymi z układem analizy i rejestracji (9) za pomocą kabli światłowodowych (8).