(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状を有する海洋ライザパイプ区間（３１）であって、前記円筒形状は、軸（Ａ）を有し、カーボンエポキシ基材（３７）の内層および外層を備える、海洋ライザパイプ区間（３１）と、
前記海洋ライザパイプ区間（３１）に関連付けられ、前記海洋ライザパイプ区間（３１）を外接して囲み、上端および下端を有するポリフッ化ビニリデン積層シートを備えるセンサ（３８）であって、
前記上端および下端のぞれぞれは、前記軸に垂直な面にあり、
前記シートは、導電性被覆を有する内側および外側を有して、前記内側の電極と前記外側の電極を画成し、
前記センサ（３８）は、前記海洋ライザパイプ区間（３１）の機械的応力および歪みに応答して、センサ（３８）の前記電極（３６）に電気を発生するように構成された、センサ（３８）と、
を備え、
前記センサ（３８）は、前記内層を取り囲み、前記海洋ライザパイプ（３１）の前記カーボンエポキシ基材（３５）の前記内層と前記外層との間に埋め込まれる、
装置。
【請求項２】
前記センサ（３８）が、前記海洋ライザパイプ区間（３１）の長さ（Ｌ2）の７５％より大きな前記内層と前記外層の間の軸方向の寸法を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記センサ（３８）は第１のセンサであり、
前記装置は、前記海洋ライザパイプ区間（３１）の長さに沿って、互いに軸方向に離れて配置された前記１つまたは複数の第２のセンサ（３８）をさらに備える、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ポリフッ化ビニリデン積層体（３５）の厚さは、約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間であり、
前記導電性被覆は、銀インクを含む、
請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
ライザ列（３０）のための構造ヘルスモニタリングシステム（２５）であって、
複数のライザパイプ区間（３１）を備える海洋ライザパイプ列（３０）であり、前記複数のライザパイプ区間（３１）のそれぞれが、
軸（Ａ）を有する円筒形状であって、カーボンエポキシ基材（３７）の内層および外層を備える、円筒形状と、
前記海洋ライザパイプ区間（３１）を外接して囲むポリフッ化ビニリデン材料の円筒積層シートセンサ（３８）であって、
前記シートは、導電性被覆を有する内側および外側を有して、内側の電極と外側の電極を画成し、
前記シートは、前記海洋ライザパイプ区間（３１）の機械的応力および歪みに応答して、前記電極（３６）に電気を発生するように構成され、
前記シートは、前記内層を囲み、前記海洋ライザパイプ（３１）の前記カーボンエポキシ基材（３５）の前記内層と前記外層との間に埋め込まれる、
円筒積層シートセンサ（３８）と、
を備える、海洋ライザパイプ列（３０）と、
前記複数のライザパイプ区間（３１）用のセンサ（３８）の電極（３６）に発生した電気に応答した電気信号を分析し、前記海洋ライザパイプ列（３０）のためのヘルスモニタリングを行うためのデジタル信号アナライザ（７０）と、
を備える、システム（２５）。
【請求項６】
データ収集システム（７９）をさらに備え、
前記デジタル信号アナライザ（７０）が、採掘船上に位置するように適合されている、
請求項５に記載の構造ヘルスモニタリングシステム（２５）。
【請求項７】
発生した電気からのエネルギーを蓄積するための水面下（２３）エネルギー蓄積デバイス（４０）と、
前記水面下（２３）エネルギー蓄積デバイス（４０）に結合された複数の水面下（２３）微小電気機械デバイス（４２）と、
をさらに備える、請求項５または６に記載の構造ヘルスモニタリングシステム（２５）。
【請求項８】
前記デジタル信号アナライザ（７０）が、
電気信号を分析するように配置されたプロセッサ（７３）と、
前記センサシートの電極（３６）に発生した電気に応答した電気信号を受け取るための入力／出力デバイス（７２）と、
コンピュータプログラム製品（７５）がその中に記憶されたメモリ（７４）であって、有形で永続的なコンピュータメモリ媒体（７４）上に記憶され、プロセッサ（７３）上で動作可能であり、前記コンピュータプログラム製品が、前記プロセッサ（７３）によって実行されたときに、
前記センサシートの電極（３６）に発生した電気に応答した電気信号を、前記入力／出力デバイス（７２）によって受け取る（７６）動作と、
損傷検出を含む、前記海洋ライザパイプ列（３０）のためのヘルスモニタリングを行うために、前記プロセッサ（７３）によって前記電気信号を分析する（７７）動作と、
を行うことによって、前記海洋ライザパイプ列（３０）のためのヘルスモニタリングを、前記デジタル信号アナライザ（７０）に行わせる１組の命令（７５）を備える、メモリ（７４）と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載の構造ヘルスモニタリングシステム（２５）。
【請求項９】
前記シートの厚さが約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間であり、
前記導電性被覆は、銀インクを含む、
請求項５から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
複数のライザパイプ区間（３１）を使用して海洋ライザパイプ列（３０）を組み立てるステップ（６１）であって、
前記複数のライザパイプ区間（３１）のそれぞれが軸（Ａ）を有する円筒形状を備え、
前記複数のライザパイプ区間の少なくとも１つのライザパイプ区間（３１）がカーボンエポキシ基材（３７）の内層および外層を備える、
ステップと、
前記少なくとも１つのライザパイプ区間（３１）に少なくとも１つ円筒シートを設けるステップ（６２）であって、
前記少なくとも１つのセンサシートは、ポリフッ化ビニリデン積層体（３５）を備え、導電性被覆を有する内側および外側を有して、内側の電極と外側の電極を画成し、
前記少なくとも１つのセンサは、前記内層を取り囲み、前記海洋ライザパイプ（３１）の前記カーボンエポキシ基材（３５）の前記内層と前記外層との間に埋め込まれる、
ステップと、
前記少なくとも１つのライザパイプ区間（３１）の機械的応力および歪みに応答して、前記少なくとも１つのセンサシートの電極（３６）に電気を発生するステップ（６３）と、
前記少なくとも１つのセンサシートの電極（３６）に発生した電気に応答した電気信号を分析するステップ（６７）であり、それによって前記少なくとも１つのライザパイプ区間（３１）内の亀裂を検出する、ステップと、
を含む、複合ライザ（３１）内の亀裂を検出する方法（６０）
【請求項１１】
前記ポリフッ化ビニリデン積層体（３５）の厚さが約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間である、請求項１０に記載の方法（６０）。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのセンサシートは、上端および下端を有し、前記上端および下端のぞれぞれは前記軸に垂直な面にあり、
前記少なくとも１つのセンサシートの上端から下端までの軸方向長さは、前記海洋ライザパイプ区間（３１）の長さ（Ｌ2）の７５％より大きい、
請求項１０または１１に記載の方法（６０）。
【請求項１３】
電気信号を分析する前記ステップ（６７）が、データ収集システム（７９）およびデジタル信号アナライザ（７０）を使用するステップを含む、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法（６０）。
【請求項１４】
前記発生した電気からのエネルギーを、水面下（２３）エネルギー蓄積デバイス（４０）に蓄積するステップ（６４）と、
前記水面下（２３）エネルギー蓄積デバイス（４０）から水面下（２３）微小電気機械デバイス（４２）に電気を供給するステップ（６５）と、
をさらに含む、請求項１０から１３のいずれかに記載の方法（６０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油およびガス産業に関する。より詳細には本発明は、生産段階での海洋複合ライザシステムの能動的構造ヘルスモニタリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油およびガス産業において、ライザは、水面と海底の間の一連のパイプである。石油およびガスライザパイプ列は、順次組み立てられ、当業者には理解されるように、水上船舶、掘削装置、またはプラットフォームを、たとえばクリスマスツリー、噴出防止装置（ＢＯＰ）、または下部海洋ライザパッケージ（ＬＭＲＰ）を含む海中機器に接続する。
【０００３】
海での通常の現地敷設時には、海洋ライザパイプは船の甲板から個々に持ち上げられ、ライザスパイダにおいて互いに接続され、降ろされる。２つのライザパイプは、機械的コネクタを用いて連結または結合される。２つのライザ結合部の間の長さは、ライザシステムに対する要件に応じて通常は４０から８０フィートの間で変わる。
【０００４】
参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、本願の所有者が所有する米国特許出願第１２／０２９，３７６号などには、ライザライフサイクル管理システム（ＲＬＭＳ）が述べられている。このようなライザライフサイクル管理システムは、たとえば、特定の船に割り当てられたすべてのライザ資産のリストを資産管理者に提供し、さらに現在展開されている、甲板上にある、および保守のために除外されている資産の内訳、それと共に予定された返却日、来るべき計画された保守イベントのリスト、特定のライザ資産によって拡大される動作寿命の推定、および特定のライザ資産によって使用された総動作寿命の推定を、最も損傷を与える事象（すなわち、ある種のハリケーン事象）の詳細と共に提供することができる。
【０００５】
圧電気は、機械的歪みおよび応力を受けた誘電体結晶内で電気または電気的極性が生じること、あるいは印加電圧を受けたこのような結晶内で歪みおよび応力が生じることである。
【０００６】
既存の構造ヘルスモニタリング手法および技術は、すべて様々な利点、欠点、およびトレードオフを有する。
【０００７】
たとえばＸ線透視法は、内部損傷および広がりを検出することができ、比較的簡単であり、結果の永久的な記録（すなわち、Ｘ線画像）を生成することができる。しかしＸ線透視法は、実施に費用がかかり、高価な機器を必要とし、時間がかかり、正しく解釈するにはスキルを要する。したがってＸ線透視法は、完全には自動化されていない（すなわち作業者を必要とする）。
【０００８】
たとえば歪みゲージは、構造ヘルスモニタリングにとって軽量であり、低電力で動作する。歪みゲージは可搬であり、表面実装することができ、手順が比較的簡単である。しかし歪みゲージは、実施に費用がかかり、高価な機器を必要とする。
【０００９】
たとえば光ファイバは、一般に、構造ヘルスモニタリングに安価な機器を用いて広い範囲をカバーすることができる軽量なソリューションである。しかし光ファイバは、実施に費用がかかり、診断プロセスにおいてレーザを必要とし、光ファイバは構造ヘルスモニタリングソリューション内に埋め込まれなければならない。
【００１０】
たとえば超音波構造ヘルスモニタリングソリューションは、可搬であり、小さな損傷に感度があり、広い範囲を迅速にスキャンする。しかし超音波構造ヘルスモニタリングソリューションは、非常に高価な機器を使用し、複雑な結果を生じ、動作のために特殊なシステムを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２４９７２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記に鑑みて、本出願人は、圧電気に基づく構造ヘルスモニタリング技術なら、比較的小さなまたは比較的大きな範囲を迅速にスキャンすることができる、可搬、軽量、低電力、および（機器および実施が共に）安価なソリューションがもたらされると理解する。さらに本出願人は、海洋ライザシステムは、曲げおよび引張応力および歪みの連続的な発生源となると理解する。通常はライザは、構造体全体を安定に保つために、水面にて張力調整器を用いて張力を加えた状態に保たれる。圧縮を受けたライザは曲がる場合があり、結果として不安定なライザシステムとなる。また船の相対位置ずれまたはプラットフォームシフトによるライザの動きは、ライザパイプ列に沿った曲げ応力および歪みを引き起こす。さらに本出願人は、能動的構造ヘルスモニタリングおよび海中発電用に、海洋ライザシステムによって、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）積層体またはフィルムを用いることができると理解する。ＰＶＤＦは、ＣＨ2−ＣＦ2を反復単位とする分子の長い連鎖からなる半結晶ポリマーである。具体的には本出願人は、海洋ライザパイプ区間の機械的応力および歪みに応答してセンサの電極に電気が発生するように、ＰＶＤＦ積層体またはフィルムを、ライザ複合パイプに埋め込み、ライザ複合パイプに実質的に外接して囲み、振動をベースとする歪みセンサを構成できると理解する。有利にはこのような積層体の実施形態は、複合ライザ内の亀裂を検出する向上された能力をもたらす（単に応力および歪み検出をもたらすだけでなく）。本出願人は、圧電効果によって、接合されたまたは埋め込まれたＰＶＤＦ積層体からかなりの大きさの電力を発生できると理解する。さらに本出願人は、改善された亀裂検出を含む、海洋ライザシステムにおける能動的構造ヘルスモニタリングおよび海中発電用に圧電気を用いたシステム、装置、および関連する方法の必要性を認識する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態は、たとえばライザ列のための構造ヘルスモニタリングシステムを含む。システムは、海洋ライザパイプ列を含むことができる。海洋ライザパイプ列は、複数のライザパイプ区間と、複数のライザコネクタとを含むことができる。複数のライザパイプ区間のそれぞれは、軸と、カーボンエポキシ基材と、センサとを有する円筒形状を含むことができる。センサは、電極と、ライザパイプ区間を実質的に外接して囲むポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）積層体とを含むことができ、それにより、（より小さい占有面積を有する）より小さな圧電センサに勝る向上されたライザ亀裂検出をもたらす。センサは、ライザパイプ区間の機械的応力および歪みに応答して電極に電気を発生するように構成することができる。システムはさらに、複数のライザパイプ区間用のセンサの電極に発生した電気に応答した電気信号を捕捉し、デジタル化し、分析し、海洋ライザパイプ列のためのヘルスモニタリングをもたらすための、たとえば水面に配置されたデータ収集システムと、デジタル信号アナライザとを含むことができる。
【００１４】
デジタル信号アナライザの実施形態は、たとえば、プロセッサと、入力／出力デバイスと、その中にコンピュータプログラム製品が記憶された有形で永続的なメモリとを含むことができる。コンピュータプログラム製品は、プロセッサによって実行されたときに、様々な動作を実行することによって海洋ライザパイプ列のためのヘルスモニタリングをデジタル信号アナライザに行わせる、１組の命令を含むことができる。動作は、入力／出力デバイスによって、複数のライザパイプ区間用のセンサの電極に発生した電気に応答した電気信号を受け取ることを含むことができる。動作はまた、プロセッサによって、海洋ライザパイプ列のためのヘルスモニタリングを行うために電気信号を分析することを含むことができる。
【００１５】
本発明の実施形態は、たとえば、複合ライザ内の亀裂を検出する方法を含む。方法は、複数のライザパイプ区間を使用して海洋ライザパイプ列を組み立てるステップを含む。複数のライザパイプ区間のそれぞれは、軸を有する円筒形状を含むことができ、複数のライザパイプ区間の少なくとも１つのライザパイプ区間は、カーボンエポキシ基材を含むことができる。方法は、少なくとも１つのライザパイプ区間に少なくとも１つのセンサを設けるステップを含むことができ、センサはライザパイプ区間を実質的に外接して囲む。センサは、ポリフッ化ビニリデン積層体と、電極とを含むことができる。方法は、ライザパイプ区間の機械的応力および歪みに応答してセンサの電極に電気を発生するステップを含むことができる。方法は、電気信号を分析するステップを含むことができ、電気信号は少なくとも１つのセンサの電極に発生した電気に応答し、それによって少なくとも１つのライザパイプ区間内の亀裂を検出する。方法はさらに、データ収集システムと、デジタル信号アナライザとを含むことができる。
【００１６】
方法の実施形態はさらに、発生した電気からのエネルギーを水面下エネルギー蓄積デバイスに蓄積するステップと、水面下エネルギー蓄積デバイスから水面下微小電気機械デバイスに電気を供給するステップとを含むことができる。
【００１７】
本発明の実施形態は、たとえば装置を含む。装置は、たとえば、円筒形状および軸を有する海洋ライザパイプ区間を含むことができる。海洋ライザパイプ区間は、カーボンエポキシ基材を含むことができる。装置はまた、海洋ライザパイプ区間に関連付けられ、海洋ライザパイプ区間を実質的に外接して囲むセンサを含むことができる。センサは、ポリフッ化ビニリデン積層体と、電極とを含むことができる。センサは、海洋ライザパイプ区間の機械的応力および歪みに応答してセンサの電極に電気を発生するように構成することができる。装置の実施形態はさらに、約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間のポリフッ化ビニリデン積層体の厚さと、導電性銀インク被覆を含む電極とを含むことができる。
【００１８】
他の従来のソリューションは、センサを海洋ライザ上にばらばらに取り付けており、ライザ区間を実質的に外接して囲む、またはライザパイプ区間の長さの７５％より大きな長さに対してライザパイプ区間の軸に沿って延在する圧電気センサは述べていない。他の従来技術のソリューションは、本明細書に述べられる向上された亀裂検出機能を含む、ＰＶＤＦの実施形態およびそれらの応用を認識していない。
【００１９】
本発明の特徴および利点、ならびに明らかとなるその他をより詳細に理解できるように、本明細書の一部となる添付の図面に示されるその実施形態を参照することによって、上記に簡潔にまとめた本発明のより具体的な説明が得られよう。しかし図面は、本発明の様々な実施形態のみを示し、したがって、本発明は他の有効な実施形態も含み得るので、本発明の範囲を限定すると見なされるべきでないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態による、海洋ライザ列のための能動的構造ヘルスモニタリングシステムの環境を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による、海洋ライザ列のための能動的構造ヘルスモニタリングシステムの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の化学式を示す図である。
【図４Ａ】円筒形状および軸を有するライザパイプ区間を含み、ライザパイプ区間に関連付けられ、ライザパイプ区間を実質的に外接して囲む１つまたは複数のセンサを含む、本発明の装置の実施形態の概略図である。
【図４Ｂ】円筒形状および軸を有するライザパイプ区間を含み、ライザパイプ区間に関連付けられ、ライザパイプ区間を実質的に外接して囲む１つまたは複数のセンサを含む、本発明の装置の実施形態の概略図である。
【図４Ｃ】円筒形状および軸を有するライザパイプ区間を含み、ライザパイプ区間に関連付けられ、ライザパイプ区間を実質的に外接して囲む１つまたは複数のセンサを含む、本発明の装置の実施形態の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態による、海洋ライザ列のための能動的構造ヘルスモニタリングシステムの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態による、たとえば複合ライザ内の亀裂の検出など、海洋複合ライザシステムの能動的構造ヘルスモニタリングを行う方法の概略ブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による信号アナライザの概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に本発明について以降で、本発明の実施形態を示す添付の図面を参照して、より十分に述べる。しかし本発明は、多くの異なる形で実施することができ、本明細書に記載された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。そうではなくこれらの実施形態は、本開示が十分で完全なものとなり、本発明の範囲を当業者に十分に伝えるように示される。
【００２２】
本発明の実施形態は、油漏れ、流出、および環境への関連する影響の防止における、海洋ライザシステムの構造ヘルスモニタリングの有用性に寄与する。たとえば繰り返し応力による亀裂などの、損傷を検出することによって、故障または重大な損傷の前にライザ区間を交換または修理することができる。
【００２３】
本出願人は、圧電気に基づく構造ヘルスモニタリング技術は、比較的小さなまたは比較的大きな範囲を迅速にスキャンすることができる、可搬、軽量、自己電力供給型、および（機器および実施が共に）安価なソリューションをもたらすと理解する。さらに本出願人は、図１に示すような海洋ライザシステムは、曲げおよび引張応力および歪みの連続的な発生源となると理解する。通常はライザは、構造体全体を安定に保つために、水面にて張力調整器を用いて張力を加えた状態に保たれる。圧縮を受けたライザは曲がる場合があり、結果として不安定なライザシステムとなる。また船の相対位置ずれまたはプラットフォームシフトによるライザの動きは、ライザパイプ列に沿った曲げ応力および歪みを引き起こす。さらに本出願人は、能動的構造ヘルスモニタリングおよび海中発電用に、海洋ライザシステムによって、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）積層体またはフィルムを用いることができると理解する。具体的には本出願人は、海洋ライザパイプ区間の機械的応力および歪みに応答してセンサの電極に電気が発生するように、ＰＶＤＦ積層体またはフィルムを、ライザ複合パイプに埋め込み、ライザ複合パイプに実質的に外接して囲み、振動をベースとする歪みセンサを構成できると理解する。有利にはこのような積層体の実施形態は、複合ライザ内の亀裂を検出する向上された能力をもたらす（単に応力および歪み検出をもたらすだけでなく）。本出願人は、圧電効果によって、接合されたまたは埋め込まれたＰＶＤＦ積層体からかなりの大きさの電力を発生できると理解する。さらに本出願人は、改善された亀裂検出を含む、海洋ライザシステムにおける能動的構造ヘルスモニタリングおよび海中発電用に圧電気を用いたシステム、装置、および関連する方法の必要性を認識する。
【００２４】
ＰＶＤＦは、図３に示すように、ＣＨ2−ＣＦ2を反復単位とする分子の長い連鎖からなる半結晶ポリマーである。ＰＶＤＦの分子量は、２０００個の反復単位に対応して約１０５である。ＰＶＤＦは、結晶および非晶質の形で得ることができる。４つの結晶形態が、Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、およびｐＩＩとして知られ、またβ、α、γ、およびα（δ）として知られる。センサとして用いられるＰＶＤＦフィルムは、機械的および電気的特性を改善するために１軸または２軸方向に延伸され、巻かれる。市販のＰＶＤＦフィルムは、通常は逆極性の形態ＩＩの材料である。この材料を圧電性にするために、当業者には理解されるように、たとえば延伸、アニール、熱またはコロナポーリング、および電極の蒸着などの様々なプロセスを経由する。フッ素は、炭素よりずっと電気陰性であるので、フッ素原子は、それらが付随する炭素原子から電子を引き離すことになる。これは、連鎖内の−ＣＦ2−基は、フッ素原子上に部分的に負の電荷があり、炭素原子上に部分的に正の電荷がある状態で、非常に有極性となることを意味する。電界中に置かれると、基は整列する。これはすべての−ＣＦ2−基が整列しようとしてポリマーを変形させ、分極として知られる状態を生じる。本発明の実施形態ではＰＶＤＦ積層体は、振動をベースとするセンサとして、カーボンエポキシ複合パイプ内に埋め込むことができる。好ましい実施形態ではＰＶＤＦセンサの厚さは、高い感度を得るために５０から２５０ミクロンの範囲とすることができる。
【００２５】
当業者には理解されるように、圧電気は、圧電材料の応力Ｔ、歪みＳ、電荷密度変位Ｄ、および電界Ｅがどのように相互作用するかを規定する、材料の構成方程式において数学的に記述することができる。歪み対電荷の形での圧電構成関係は、（１）および（２）で与えられる。
【００２６】
Ｄ＝ｄ・Ｔ＋εT・Ｅ  （１）
Ｓ＝SE・Ｔ＋ｄ・Ｅ  （２）
応力対電荷の形でのＰＶＤＦ構成関係は、（３）および（４）によって与えられる。
【００２７】
Ｔ＝ｃE・Ｓ−ｅT・Ｅ  （３）
Ｄ＝ｅ・Ｓ＋ε・Ｅ  （４）
ここでＴは応力成分、Ｓは歪み成分、Ｅは電界成分である。電気変位Ｄまたは歪みＳを測定するためには、電界強度Ｅと応力Ｔの両方を指定する必要がある。ＰＶＤＦに対するいずれの物理量を定義するときも、機械的および電気的境界条件を指定しなければならない。圧電材料の機械的挙動と電気的挙動の間の関係は、それらの圧電係数によって表される。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、ＰＶＤＦは、海洋ライザ列の構造ヘルスモニタリング用に、他の圧電材料と比べて著しい利点をもたらす。たとえばＰＶＤＦは、すべての加工可能なフルオロカーボンで最も引張強さが高く、放射線耐性が良い。当業者には理解されるように、ＰＶＤＦは溶融加工が可能である。ＰＶＤＦは、金属被覆することができ、複合材料中に埋め込むことが可能であるので本明細書で述べる用途に役立つ。さらにＰＶＤＦは、良好な耐摩耗性、および良好な一般的化学耐性を有する。ＰＶＤＦは、１５０℃（３００°Ｆ）の最大使用温度を有する。ＰＶＤＦは可撓性および耐久性を有し、ＰＶＤＦは軽量であり比較的低い音響インピーダンスを有する。有利には、ＰＶＤＦは大きなシートの薄膜の形で入手可能なので製造は高価ではなく、複雑な形状に切断または整形するのが容易である。有益には、ＰＶＤＦは既存の構造体に一体化することができる。
【００２９】
本発明の実施形態は、ライザパイプの長さ全体に対して、または好ましくは海洋ライザパイプ区間３１の長さＬ2の７５％より大きな長さＬ3に対して、パイプの表面領域にＰＶＤＦシートを接合する（ライザ結合部を除く）ことを含む。図４Ｂを参照されたい。本発明の実施形態は、ＰＶＤＦシートを複合ライザ組立体に埋め込むことを含む。
【００３０】
さらに、図２に示すように、組み立てられた海洋ライザパイプ列３０の全長Ｌ1は、１０００フィートより大きくなり得るので、圧電効果によりかなりの量の発電が可能である。この発生された電力は海中で用いることができ、水面からの送電の需要を回避する、または低減することができる。
【００３１】
図１〜２に示されるように本発明の実施形態は、たとえば、海洋ライザシステムにおける能動的構造ヘルスモニタリングおよび海中発電のために圧電気を用いたシステム２５を含むことができる。当業者には理解されるように、ライザは、水面２２から水面下２３に延びて海底２６までの間の一連のパイプ３０である。隣接するライザパイプ区間３１は、機械的コネクタ３２を用いて連結または結合される。当業者には理解されるように、図４Ａおよび４Ｂに示されるように、コネクタ３２はライザ区間３１とは別個でもよく、ライザ区間３１と一体化した部材でもよい。石油およびガスライザパイプ列３０は、順次組み立てられ、当業者には理解されるように水上船舶、掘削装置、またはプラットフォーム２１を、たとえばクリスマスツリー、噴出防止装置（ＢＯＰ）、または下部海洋ライザパッケージ（ＬＭＲＰ）を含む海中機器３４に接続する。２つのライザ結合部の間の長さＬ2は、ライザシステムに対する要件に応じて通常は４０から８０フィートの間で変わる。図４Ａおよび４Ｂを参照されたい。組み立てられた海洋ライザパイプ列３０の全長Ｌ1は、１０００フィートより大きくなり得る。
【００３２】
図１〜２にさらに示されるように、ライザ列３０のための構造ヘルスモニタリングシステム２５は、具体的には電極３６での関連するセンサ３８を含む個々のライザパイプ区間３１を水面、具体的にはデジタル信号プロセッサ７０に接続する伝送線路４５を含むことができる。典型的にはデジタル信号プロセッサ７０は、水上船舶、掘削装置、またはプラットフォーム２１上に配置されることになる。システム２５はまた、デジタル信号プロセッサ７０のための遠隔の陸上の場所２４を設けるための衛星２７、および関連する送信器／受信器２８を含むことができる。図７を参照されたい。当業者には理解されるように、無線周波数（ＲＦ）伝送方式および電力線通信などの他の知られている通信手法は、本発明の実施形態の範囲に包含される。
【００３３】
図３に示すように、ＰＶＤＦは、ＣＨ2−ＣＦ2を反復単位とする分子の長い連鎖からなる半結晶ポリマーである。
【００３４】
図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃに示されるように、本発明の実施形態は、たとえば装置を含む。装置は、たとえば海洋ライザパイプ区間３１を含むことができる。海洋ライザパイプ区間３１は、円筒形状３３を有することができる。海洋ライザパイプ区間３１は、軸Ａを有することができる。海洋ライザパイプ区間３１は、カーボンエポキシ基材３７を有することができる。装置はまた、たとえば、海洋ライザパイプ区間３１に関連付けられ、海洋ライザパイプ区間３１を実質的に外接して囲むセンサ３８を含むことができる。センサ３８は、たとえば約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間の厚さを有するポリフッ化ビニリデン積層体３５と、電極３６、たとえば導電性銀インク被覆とを含むことができる。センサ３８は、海洋ライザパイプ区間３１の機械的応力および歪み（たとえば、振動による）に応答してセンサ３８の電極３６に電気を発生するように構成することができる。たとえばセンサ３８は、海洋ライザパイプ３１のカーボンエポキシ基材３７の層の間に埋め込むことができる。
【００３５】
さらに図４Ｂに示すように、センサ３８は、海洋ライザパイプ区間３１の長さＬ2の７５％より大きな長さＬ3に対して海洋ライザパイプ区間３１の軸Ａに沿って延在することができる。あるいは図４Ａに示すように、複数のセンサ３８を海洋ライザパイプ区間３１の軸Ａに沿ってほぼ均等の間隔で配置することができる。
【００３６】
図５に示すように本発明の実施形態は、たとえば、ライザ列３０のための構造ヘルスモニタリングシステム２５を含む。システム２５は、たとえば海洋ライザパイプ列３０を含むことができる。ライザ列３０は、複数のライザパイプ区間３１と、複数のライザコネクタ３２とを含むことができる。ライザパイプ区間３１は、円筒形状と、軸と、カーボンエポキシ基材と、電極、およびライザパイプ区間を実質的に外接して囲むポリフッ化ビニリデン積層体を備えるセンサとを含むことができる。図４Ｃを参照されたい。システム２５は、たとえば、複数のライザパイプ区間用のセンサの電極に発生した電気に応答した電気信号を捕捉し、デジタル化し、分析するため、および海洋ライザパイプ列のためのヘルスモニタリングを行うために、おそらく水面２２に配置されたデジタル信号アナライザ７０と、データ収集システム７９とを含むことができる。図７も参照されたい。
【００３７】
好ましい実施形態では、データ収集システム（ＤＡＱ）ボード上の複数のチャネルを通してデータ収集システムを用いて、各ライザ区間から少なくとも１つの信号が収集される。伝送線路に沿って信号ブースト装置を含むこともできる。ＤＡＱボードからの出力信号は、デジタル信号アナライザへの入力となり、デジタル信号アナライザは、損傷検出のために信号をフィルタし分析することができる。当業者には理解されるようにデジタル信号アナライザは通常は、固有振動数の最初の少数のモードを監視するために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて伝達関数（入力／出力）を取得する。あるいは、他の周波数分析技術を用いてもよい。損傷がある場合は、構造体の固有振動数がシフトし、損傷を検出することができる。たとえば、データ収集システム（ＤＡＱ）ボード上の異なる入力／出力チャネルを通して、４０個の異なるライザ区間からの４０個の信号を監視することができる。いずれかの特定の、たとえば上から５番目のライザ区間からの固有振動数の著しいまたは大きなシフトは、その区間、すなわち５番目のライザ区間における損傷を示す。
【００３８】
システム２５はさらに、たとえば、発生した電気からのエネルギーを蓄積するための水面下エネルギー蓄積デバイス４０を含むことができる。システム２５は、たとえば、水面下エネルギー蓄積デバイス４０に結合された、複数の水面下微小電気機械デバイス４２を含むことができる。たとえば水面下微小電気機械デバイス４２は、たとえばクリスマスツリー、噴出防止装置（ＢＯＰ）、または下部海洋ライザパッケージ（ＬＭＲＰ）を含む海中機器３４の一部とすることができる。
【００３９】
図６に示されるように本発明の実施形態は、たとえば、海洋複合ライザシステムの能動的構造ヘルスモニタリングを行う、たとえば複合ライザ内の亀裂を検出する、方法６０を含む。方法６０は、たとえば６１に示すように、複数のライザパイプ区間３１を用いて、海洋ライザパイプ列３０（たとえば、組み立てられた海洋ライザパイプ列３０の全長Ｌ1は１０００フィートより大きい）を組み立てるステップを含むことができる。複数のライザパイプ区間３１のそれぞれは、軸Ａを有する円筒形状３３を含むことができる。複数のライザパイプ区間３１の少なくとも１つのライザパイプ区間は、カーボンエポキシ基材３７を含むことができる。方法６０は、たとえば６２に示すように、少なくとも１つのライザパイプ区間に少なくとも１つのセンサ３８を設けるステップを含むことができる。少なくとも１つのセンサ３８は、少なくとも１つのライザパイプ区間３１を実質的に外接して囲むことができる。少なくとも１つのセンサ３８は、たとえば約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間の厚さを有するポリフッ化ビニリデン積層体３５を含むことができる。少なくとも１つのセンサ３８は、電極３６、たとえば導電性銀インク被覆を含むことができる。方法６０は、たとえば６３に示すように、少なくとも１つのライザパイプ区間３１の機械的応力および歪み（たとえば、振動による）に応答して、少なくとも１つのセンサ３８の電極３６に電気を発生するステップを含むことができる。
【００４０】
方法６０はまた、たとえば６６に示すように、少なくとも１つのセンサ３８の電極３６に発生した電気に応答した電気信号を水面２２に送るステップを含むことができる。当業者には理解されるように、送信は、図２に示されるように伝送線路４５、または無線周波数（ＲＦ）伝送方式を使用することができる。方法６０は、たとえば６７に示すように、海洋ライザパイプ列３０のためのヘルスモニタリングを行うために、水面２２でのデジタル信号アナライザ７０によって電気信号を分析するステップを含むことができる。ヘルスモニタリングは、当業者には理解されるように、たとえば衝撃損傷および疲労亀裂発生などの損傷検出を含むことができる。
【００４１】
方法６０はさらに、たとえば６４に示すように、発生した電気からのエネルギーを水面下エネルギー蓄積デバイス４０に蓄積するステップを含むことができる。方法６０は、たとえば６５に示すように、水面下エネルギー蓄積デバイス４０から水面下微小電気機械デバイス４２に電気を供給するステップを含むことができる。
【００４２】
図７に示されるように、ライザ列のための構造ヘルスモニタリングシステム２５の実施形態は、デジタル信号アナライザ７０を含むことができる。デジタル信号アナライザ７０は、水面２２にまたは水面２２上に、典型的には水上船舶、掘削装置、またはプラットフォーム２１上に配置することができ、あるいは（図１に示されるように）陸上の場所２４に配置することができる。デジタル信号アナライザ７０は、たとえば、電気信号を分析するように配置されたプロセッサ７３を含むことができる。デジタル信号アナライザ７０は、たとえば、複数のライザパイプ区間用のセンサの電極に発生した電気に応答した電気信号を受け取るための入力／出力デバイス７２を含むことができる。デジタル信号アナライザ７０は、たとえばディスプレイ７１を含むことができる。デジタル信号アナライザ７０は、たとえば、コンピュータプログラム製品７５がその中に記憶された、メモリ７４を含むことができる。コンピュータプログラム製品７５は、有形で永続的なコンピュータメモリ媒体７４上に記憶され、プロセッサ７３上で動作可能であり、プロセッサ７３によって実行されたときに、様々な動作を実行することによって海洋ライザパイプ列のためのヘルスモニタリングをデジタル信号アナライザ７０に行わせる１組の命令を含む。動作は、７６に示すように、複数のライザパイプ区間３１用のセンサの電極に発生した電気に応答した電気信号を、入力／出力デバイス７２によって受け取ることを含むことができる。動作は、７７に示すように、海洋ライザパイプ列３０のためのヘルスモニタリングを行うために、プロセッサ７３によって電気信号を分析することを含むことができる。当業者には理解されるように、このような分析は一般に、曲げおよび張力を受けたライザ列３０からの圧電効果をモデル化するために、マルチ物理モデリングおよびシミュレーション技術を含むことができる。マルチ物理モデリングは、機械的、電気的、および磁気的などの異なる場との相互作用が存在するシミュレーションを含む。圧電気の分析では、構造的な応力対電荷、および歪み対電荷の材料特性を用いて構造的な場と電界とが結合され、これは直接結合と呼ばれる。別法として順次結合は、たとえば構造解析の出力が電気的解析への入力となる。
【００４３】
さらに図１に示されるように、デジタル信号アナライザ７０はまた、内部または外部メモリに記憶された１つまたは複数のデータベース７８を含むことができ、またはそれらにアクセスすることができる。
【００４４】
当業者なら、様々なタイプのメモリが、本明細書で述べられるようなコンピュータ、たとえばデジタル信号アナライザ、または本発明の実施形態を有する他のコンピュータなどによって読み取り可能であることが理解されよう。コンピュータ可読媒体の例は、非限定的に、不揮発性、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）などのハードコードタイプの媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、およびＤＶＤ−ＲＯＭ、または消去可能、電気的プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フロッピー（商標）ディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ／ＲＷ、フラッシュドライブ、メモリスティックなどの記録可能型媒体、および他の新しいタイプのメモリ、ならびにデジタルおよびアナログ通信リンクなどの伝送型媒体を含む。このような媒体は、たとえば動作命令、ならびに上述のシステムおよび方法のステップに関係する命令を含むことができ、コンピュータ上で動作することができる。当業者にはこのような媒体は、たとえばソフトウェアを含むプログラム製品をその中に記憶するために、述べられた場所の代わりにまたはそれに加えて他の場所に配置することができることが理解されよう。当業者には理解されるようにこれらのコンピュータまたはサーバのそれぞれは、たとえばこれらの様々なタイプのメモリの１つまたは複数を有することができる。
【００４５】
さらに当業者なら、本明細書で述べた実施形態を実施するのに、Ｃ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ（商標）、ＨＴＭＬ、および他のプログラミング言語を含む様々なタイプのソフトウェア言語および開発環境を使用できることが理解されよう。
【００４６】
図面および明細書において本発明の典型的な好ましい実施形態が開示され、特定の用語が用いられたが説明の意味のみで用いられたものであり、限定するために用いられたものではない。本発明について、これらの例示の実施形態を具体的に参照してかなり詳細に述べてきた。しかし、上記の明細書に述べた本発明の趣旨および範囲内において様々な変更形態および変形形態が可能であることが明らかであろう。
【符号の説明】
【００４７】
２１  プラットフォーム
２２  水面
２３  水面下
２４  陸上の場所
２５  構造ヘルスモニタリングシステム
２６  海底
２７  衛星
２８  送信器／受信器
３０  海洋ライザパイプ列
３１  海洋ライザパイプ区間
３２  機械的コネクタ
３４  海中機器
３５  ポリフッ化ビニリデン積層体
３６  電極
３７  カーボンエポキシ基材
３８  センサ
４０  水面下エネルギー蓄積デバイス
４２  水面下微小電気機械デバイス
４５  伝送線路
６０  方法
７０  デジタル信号プロセッサ、デジタル信号アナライザ
７１  ディスプレイ
７２  入力／出力デバイス
７３  プロセッサ
７４  メモリ
７５  コンピュータプログラム製品
７８  データベース
７９  データ収集システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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