光纖傳感技術(shù)在海洋平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用

張奇，孫道青，李曉明，陳曦，朱澧

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

1 引言

目前我國海上在役油氣平臺的數(shù)量達(dá)到三百多座，其中部分平臺的服役時(shí)間較長，并且隨著時(shí)間的推移，大部分平臺將逐漸達(dá)到服役年齡。出于經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境保護(hù)等方面的考慮，將這些老齡平臺拆除后再安裝新的油氣平臺是不現(xiàn)實(shí)的。然而，這些老齡平臺長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，其自身結(jié)構(gòu)長期承受海水、海生物腐蝕以及各種環(huán)境載荷的沖擊等不利因素的影響，結(jié)構(gòu)老化現(xiàn)象嚴(yán)重，其結(jié)構(gòu)承載能力逐年降低[1]，一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)性的安全事故將會導(dǎo)致嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)損失，造成惡劣的政治和環(huán)境影響，如英國北海的“海上鉆石”號鉆井平臺沉沒事故[2]以及北海挪威Ekofisk油田的一座 Alexander L. Kiel land 號半潛式鉆井平臺傾覆倒塌事故[3-4]。因此為了確保海上平臺的安全運(yùn)行，需要保持對平臺主要結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果識別出風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并采取合理的維護(hù)方式提前進(jìn)行干預(yù)，確保平臺安全平穩(wěn)地運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)國外的相關(guān)研究表明[5-6]，海上平臺的設(shè)計(jì)壽命一般為25年，通過對平臺結(jié)構(gòu)的長期在線監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測情況加以適當(dāng)?shù)木S護(hù)，平臺的服役時(shí)間將延長30%-400%！

在結(jié)構(gòu)物應(yīng)力監(jiān)測領(lǐng)域，出于光纖天然的高靈敏性，極強(qiáng)的抗高壓、腐蝕以及電磁干擾能力等特性，目前市面上應(yīng)用較為廣泛的是采用光纖傳感技術(shù)[7-8]，即通過將光纖光柵傳感器布置在需要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)物指定位置，通過光纖將監(jiān)測位置結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變量以光信號的形式傳輸?shù)叫盘柼幚斫K端進(jìn)而可以得出監(jiān)測位置應(yīng)力變化情況。目前國內(nèi)閆天紅等[9]已在南海某導(dǎo)管架平臺成功實(shí)施了應(yīng)用光纖傳感器進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)振動(dòng)和應(yīng)力監(jiān)測，進(jìn)而評估平臺的健康狀態(tài)。

本文從現(xiàn)場實(shí)施的角度出發(fā)，詳細(xì)介紹了如何在渤海海域某八腿導(dǎo)管架平臺從布置應(yīng)力監(jiān)測傳感器到搭設(shè)整個(gè)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的過程，為后續(xù)海上平臺類似監(jiān)測項(xiàng)目提供借鑒。

2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝

2.1 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測平臺組塊腿應(yīng)力來反應(yīng)平臺的安全狀態(tài)，主要分為傳感器子系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)三大部分。因此，需要對平臺各組塊腿安裝相應(yīng)的應(yīng)力傳感器，連接線纜傳輸信號，并在平臺控制室安裝解調(diào)和控制設(shè)備。然后將應(yīng)變傳感器測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化值，換算為應(yīng)力值。通過對平臺樁腿和結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)管架關(guān)鍵部位受力情況，判斷結(jié)構(gòu)是否存在平臺受力不均，結(jié)構(gòu)承載力是否達(dá)到極限。

2.2 應(yīng)力傳感器的選型及布置

鑒于海上平臺所處的自然環(huán)境惡劣，現(xiàn)場干擾因素較多，本次選用了天津慧感光電科技有限公司生產(chǎn)的HG-S01光纖光柵應(yīng)力傳感器（見圖2.2）。該型號傳感器與專用底座配套使用?，F(xiàn)場安裝時(shí)先將底座固定在鋼結(jié)構(gòu)表面，然后通過螺母將傳感器方便地固定在底座上（見圖2.3），既可以進(jìn)行長期監(jiān)測，又可以在短期監(jiān)測完成后重復(fù)使用。其具有防爆、抗電磁干擾、測量精度高以及可靠性高等特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)見表2.1.

表2.1 光纖光柵應(yīng)力傳感器性能指標(biāo)

圖2.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器

圖2.3 光纖光柵應(yīng)變傳感器現(xiàn)場安裝圖

在安裝應(yīng)力傳感器前，首先我們需要借助于有限元模型計(jì)算分析得出導(dǎo)管架平臺組塊腿的應(yīng)力集中點(diǎn)位置，即導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)受力最大也是最為危險(xiǎn)的位置，一般情況下這些位置為導(dǎo)管架平臺組塊腿的上端，然后在組塊腿表面均勻布置4個(gè)應(yīng)力傳感器，具體如圖2.4和圖2.5所示。

圖2.4 傳感器布置位置示意圖

圖2.5 傳感器現(xiàn)場布置圖

2.3 信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用光纜（鎧裝光纖）作為信號傳輸?shù)拿浇?，其中光纜的具體布設(shè)過程主要分為以下幾個(gè)步驟：(1)首先分別將每個(gè)樁腿上的4個(gè)傳感器采用串聯(lián)的方式通過一條光纜連接在一起（見圖2.6），共計(jì)引出8根信號傳輸光纜；

圖2.6 單根樁腿光纜走線圖

(2)將這8根光纜走線至距離平臺中控室較近且便于便于走線的一根樁腿附近，用集線盒將這8根光纜匯集成為一根光纜（見圖2.7）；

圖2.7 多樁腿光纜匯集走線圖

(3)通過該樁腿處的走線孔，將光纜引線至平臺上甲板，并沿著甲板上的線槽將穿梭光纜引至中控室，并與信號解調(diào)設(shè)備進(jìn)行連接調(diào)試，完成信號傳輸系統(tǒng)的搭建，如圖2.8所示。

圖2.8 傳輸光纜連接解調(diào)設(shè)備圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

通過上一節(jié)中信號傳輸系統(tǒng)的建立，平臺各樁腿實(shí)時(shí)的應(yīng)力變化信號通過光纖傳輸匯入光纖集線盒并進(jìn)入中控室的智能解調(diào)儀中，經(jīng)過信號解調(diào)分析后，通過軟件界面實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測組塊樁腿的受力變化情況。如下圖3.1所示軟件監(jiān)測畫面為平臺的三維模型，其中每個(gè)樁腿的應(yīng)力變化的最大值均顯示在軟件界面上。

圖3.1 平臺應(yīng)力監(jiān)測軟件界面

下圖3.2所示為每各組塊樁腿每個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位處應(yīng)力監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)詳圖。（數(shù)值計(jì)數(shù)單位為μm）

圖3.2 單個(gè)組塊腿應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)界面

4 結(jié)語

本文以渤海海域某八腿導(dǎo)管架平臺的實(shí)際案例出發(fā)，從現(xiàn)場實(shí)施的角度較為全面地闡述了如何在海洋平臺上搭建應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的全過程，包括應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、傳感器的選型及布置、信號傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝、監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與分析。目前海洋平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測的實(shí)施案例較少，未來的市場需求量較大，市場前景廣闊，本文作為實(shí)際的實(shí)施案例能夠?yàn)楹罄m(xù)的相關(guān)海洋平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測類項(xiàng)目提供借鑒。