导管架平台甲板荷载长期监测

王延林, 岳前进, 毕祥军, 张 崎

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连116023;2.大连理工大学船舶工程学院,大连116023)

导管架平台甲板荷载长期监测

王延林1, 岳前进1, 毕祥军1, 张 崎2

(1.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连116023;2.大连理工大学船舶工程学院,大连116023)

本文根据导管架平台的结构特点,采用光纤光栅应变监测技术,实现了导管架平台甲板荷载变化的长期监测。该技术不仅可以监测平台使用过程中的荷载变化,还可以应用于平台建造过程中的结构质量称重与重心测量。

海洋平台;甲板荷载监测;光纤光栅;称重与重心测量

0 引言

海洋平台的上部质量估计与控制是海洋平台结构设计的重要参数。在满足平台安全与功能要求的前提下,应该尽量控制平台的上部质量,以减少平台桩基数量与桩基深度,进而控制平台的建造以及施工的成本。然而平台在陆上建造过程中,由于焊接材料、橇块及结构局部修改等原因,建成后的平台总重量和质量分布与设计时存在着较大的差异。平台陆上吊装、海上运输及海上甲板组块安装施工过程中,平台甲板的总重量和质量分布都十分重要[1]。通常平台在海上安装前,需要在陆上对导管架结构及上部组块等大型结构件进行整体称重,目前通用的方法是通过多点同步顶升技术进行大型结构物的整体称重[2～5]。

海洋平台海上安装就位之后,平台甲板的所有重量都由桩基承载,因此,平台甲板质量的大小直接决定着桩基的数量和单桩的设计承载力。平台安装就位之后,由于平台上部设施的增加、打井作业等因素的影响,平台总重量和质量分布会随之发生变化。通常情况下,桩基的设计能力能够满足这些荷载变化的要求。但如遇到一些特殊或意外情况,例如增加的质量过大或单桩的承载能力降低等情况,这时就需要对平台上部甲板荷载的变化进行监测,以减小对桩基承载力的要求。

在海上对平台甲板的荷载变化进行监测,最常用的方法是将所有的荷载变化记录下来,最后估算总的荷载变化。这种做法对于大型平台而言,工作量将非常大,甚至难以为继。如果能在平台作业过程中,对平台上部的重量直接“称重”则是比较理想的方式,但目前没有类似的海上平台重量“称重”工作可以借鉴。

导管架海洋平台通过泥下的若干根桩支撑着平台上部甲板的总重量。平台组块安装和上部荷载发生变化时会使桩腿处产生压应变,通过桩腿应变和荷载之间的关系,就可以得到平台上部质量的变化,从而起到称重的作用。常规应变测量技术是通过电阻应变计测量结构的应变变化,但由于蠕变、零漂、现场可靠性差等问题,其无法满足现场称重的要求。本文为了实现对某平台上部荷载进行控制的要求,采用了能弥补常规电阻应变计不足的光纤光栅应变监测技术[6～9],建立了导管架平台甲板荷载监测系统,以对平台甲板荷载的长期监测。该测量方法也可用于平台在陆上的整体称重与重心测量。

图1 单桩二维受力模型

1 甲板荷载测量原理

平台甲板荷载分布在各个桩腿上,所有桩腿上承受的荷载的总和即是平台上部甲板的总荷载,因此首先需要测量出每个桩腿所受的荷载。平台甲板荷载是朝着重力方向的,理论上桩腿同一截面处的任一垂向应变都与所受的甲板荷载成正比。但由于平台桩腿并不处于完全垂直状态,同时,由于风载、海浪、流等因素的影响,桩腿受到横向载荷的作用,所以桩腿同一截面处的各点的应变大小是不相等的。为此,横向荷载对测量的影响就不能予以忽略。综上分析,建立如图1所示的单桩二维简化受力模型。图中:F为平台甲板荷载;M为桩腿受某一横向荷载而产生的弯矩;θ角为桩腿的倾角;ε1、ε2为桩腿表面处直径上的两点应变大小。由该模型为压扭组合模型可得

式中:N为总拉(压)力;Mz为总的弯矩;S为桩腿截面积;Wz为材料抗弯截面模量。另外,式中

将式(3)、(4)代入式(1)、(2)中得

设ε1′、ε2′为桩头任意直径上的两点的应变,与ε1、ε2所在直径有一个夹角α(如图1所示),根据等截面梁理论有

式(7)+式(8)求得力F:

式(9)中ε1′、ε2′为任意直径上的两点应变,S、E、θ是常量。因此可以通过测量桩腿任意直径上的两点的垂向应变来补偿桩腿的倾角和所受横向荷载产生的弯矩的影响,从而得到单桩荷载F。所有桩腿的荷载的总和即是平台甲板的总荷载。

2 工程实例

2.1 工程概述

南堡35-2 WHPB平台位于渤海湾东北海域,距河北东南方向约20 km,水深12.6 m。在平台的设计过程中,为了节约钻井船的租用费用,平台上部安有钻井模块并在平台上实施边钻边采作业。平台设计为六腿六桩结构,平台主体包括导管架、上部组块、钻井模块和生活楼等设施。因此平台上部设施质量很大,同时加上钻井作业过程中,产生较大的钻井荷载、以及平台上部钻杆的增减、钻井模块的移动等因素,使得平台甲板的静荷载、动荷载及载荷分布都随时发生着变化,从而使得桩腿需要承担很大的固定荷载和变化荷载。为了确保平台的安全,需要对打井作业期间的平台甲板荷载进行监测。

2.2 测点选择和传感器布设

首先根据平台结构特点选择测点的位置和数量(图2为桩头应变测点布置图)。平台甲板组块与桩腿连接部位(桩头)承载着所有甲板重量,因此测点位置选择在桩头部位的直立腿上距焊缝较远(≥50 cm)的位置,避免焊接处对测量的影响。通过前文理论分析可知,只要同时测量桩腿直径上两点的应变变化,就可以得到桩腿处的荷载情况。但为了保证测量的精度和可靠性,实际传感器布设在每个桩腿的测点位置。在同一水平标高处,每间隔90°布置一个光纤光栅应变传感器(见图2)。这样每个桩腿上就有两对荷载测量传感器,如果有任意一个传感器失效,还可以通过剩下的一对传感器继续测量,这即保证了测量的可靠性,又可以提高系统的测量精度。同时在传感器安装之后,还应对传感器部位以及传输的线路进行防护,以防由于施工等原因造成信号丢失。桩腿上安装就位后的光纤光栅应变传感器如图3所示。六个桩腿在同一水平标高处,按相同方式布设传感器。并为消除由于温度引起的测量误差,还在每个桩腿附近布设了一个光纤光栅温度传感器,六个桩腿共计布设24个光纤光栅应变传感器和6个光纤光栅温度传感器,总体布置图如图4所示。

2.3 系统标定

传感器布设之后,需对整个监测系统的载荷灵敏度系数进行标定。首先,根据公式(9),计算系统的理论荷载灵敏度系数。其中,E取200 GPa,θ近似90°,桩腿外径1 524 mm,壁厚50 mm,计算得到荷载灵敏度系数为4.69 T/με。

其次,通过平台吊车吊装货物进行现场灵敏度系数标定实验。使用平台40 t吊车进行部分物资、设备的吊装,吊车可以记录每次吊装货物的重量。根据吊装记录以及监测到的六个桩腿的总的应变情况,标定得到系统的荷载灵敏度系数为:4.73 T/με。与理论值基本吻合,其中的偏差可能是由于理论分析中材料的弹性模量和倾角θ与实际情况略有不同引起的。标定实验表明该系统用于平台甲板荷载监测是可行的。但最终采用的荷载灵敏度系数以实际标定值为准。

将标定的荷载灵敏度系数输入到系统中,比较吊装记录和监测系统实测到的荷载变化情况如图5所示。可见监测系统的监测数据与吊装记录数据吻合很好,而且系统响应灵敏,实时地监测到了平台甲板荷载的变化情况。

2.4 监测结果与分析

监测系统安装就位后,在平台整个打井作业的危险作业期内,系统运行良好,不但记录下了平台甲板荷载的变化情况还实时记录下了每个桩腿的荷载情况。以A2腿为例,其实时监测曲线如图6所示。通过监测曲线可知,监测系统能够及时准确反映荷载的变化情况,并且测量精度可以满足工程要求。平台六个桩腿一天的荷载变化情况如图7所示。该系统在平台打井作业期间,实时地监测了平台甲板荷载的变化情况,其中8月～12月的变化情况如图8所示。可见平台甲板荷载呈上升趋势,与实际情况一致。

3 结语

根据导管架平台的结构特点,提出了平台甲板荷载监测方法。其中采用了光纤光栅应变测量技术,克服了传统应变片在实际工程应用中的局限性,实现了在役平台甲板荷载的长期监测。通过所测数据,可以了解平台在生产与打井作业期间的平台甲板荷载变化情况以及荷载的分布情况,进而合理分配甲板质量的分布以及生产设施的摆放。因此对于其他类似平台的设计与建造都很有参考价值。同时该方法也可以用于平台陆上建造过程中的整体称重和重心测量,比较目前普遍采用的同步顶升技术,其具有造价低、操作性强等优点。同时该方法在实际工程应用中也存在着一些需要注意的问题:

(1)温度问题:如进行短时测量,可以忽略温度效应对测量系统的影响;但如需要长期进行荷载监测,则需要考虑温度因素。本文采用了温度传感器进行温度补偿的方法。其中温度效应包括传感器本身的温度效应以及钢结构本身由于温度效应而产生的热胀冷缩对应变测量的影响。温度补偿系数可以通过理论计算或实际实验标定得到。但在实际应用过程中发现,同一个桩腿处的四个测点的温度存在着差异。分析其原因,认为由于桩腿直径比较大,致使受阳光照射、海风吹拂的程度不同造成了单桩的温度场分布的不均匀。因此实际测量中需要对每一个测点都进行温度补偿,或者选择日落后,温差较小的时刻进行测量。

(2)长期性、可靠性问题:由于光纤光栅测试技术还处于发展阶段,其现场应用是否具可靠性和长期性,这一问题一直是其实际应用推广发展的瓶颈。本文采用的是裸光纤光栅直接贴附在结构上的方法。其方法在实际应用过程中会出现传感器失效,长期应用情况下粘贴用的胶水失效等问题,影响了测量的可靠性和精度。因此建议在以后的工程应用中采用无胶封装好的光纤光栅应变传感器,并采用焊接的安装技术,以保证其可以长期、可靠地进行荷载监测。

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The Deck Load Monitoring of the Jacket Platform

WANG Yan-lin1, YUE Qian-jin1, BIXiang-jun1, ZHANG Qi2
(1.State Key Labo rato ry of Structural Analysis for Industrial Equipment of DU T,Dalian 116023,China;2.Department of Naval Architecture of DU T,Dalian 116023,China)

Based on the characteristic of the jacket offshore platform s,the long-term monitoring method on deck load with the Fiber Bragg Grating strain sensors is demonstrated.Thismethod can not only monitor the deck load variety when the platform is in service,but also measure the weight and centroid of the platform during structures construction process.

offshore platform;deck load monitoring;fiber bragg grating;weight and centroid measurement

P752

A

1001-4500(2010)03-0047-05

2009-09-29; 修改稿收到日期:2010-03-29

王延林(1981-),男,博士,主要从事海洋装备结构的监测技术研究与应用。