導(dǎo)管架平臺(tái)甲板荷載長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

王延林, 岳前進(jìn), 畢祥軍, 張 崎

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116023;2.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,大連116023)

導(dǎo)管架平臺(tái)甲板荷載長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

王延林1, 岳前進(jìn)1, 畢祥軍1, 張 崎2

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連116023;2.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,大連116023)

本文根據(jù)導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管架平臺(tái)甲板荷載變化的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。該技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用過(guò)程中的荷載變化,還可以應(yīng)用于平臺(tái)建造過(guò)程中的結(jié)構(gòu)質(zhì)量稱(chēng)重與重心測(cè)量。

海洋平臺(tái);甲板荷載監(jiān)測(cè);光纖光柵;稱(chēng)重與重心測(cè)量

0 引言

海洋平臺(tái)的上部質(zhì)量估計(jì)與控制是海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。在滿(mǎn)足平臺(tái)安全與功能要求的前提下,應(yīng)該盡量控制平臺(tái)的上部質(zhì)量,以減少平臺(tái)樁基數(shù)量與樁基深度,進(jìn)而控制平臺(tái)的建造以及施工的成本。然而平臺(tái)在陸上建造過(guò)程中,由于焊接材料、橇塊及結(jié)構(gòu)局部修改等原因,建成后的平臺(tái)總重量和質(zhì)量分布與設(shè)計(jì)時(shí)存在著較大的差異。平臺(tái)陸上吊裝、海上運(yùn)輸及海上甲板組塊安裝施工過(guò)程中,平臺(tái)甲板的總重量和質(zhì)量分布都十分重要[1]。通常平臺(tái)在海上安裝前,需要在陸上對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)及上部組塊等大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行整體稱(chēng)重,目前通用的方法是通過(guò)多點(diǎn)同步頂升技術(shù)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)物的整體稱(chēng)重[2～5]。

海洋平臺(tái)海上安裝就位之后,平臺(tái)甲板的所有重量都由樁基承載,因此,平臺(tái)甲板質(zhì)量的大小直接決定著樁基的數(shù)量和單樁的設(shè)計(jì)承載力。平臺(tái)安裝就位之后,由于平臺(tái)上部設(shè)施的增加、打井作業(yè)等因素的影響,平臺(tái)總重量和質(zhì)量分布會(huì)隨之發(fā)生變化。通常情況下,樁基的設(shè)計(jì)能力能夠滿(mǎn)足這些荷載變化的要求。但如遇到一些特殊或意外情況,例如增加的質(zhì)量過(guò)大或單樁的承載能力降低等情況,這時(shí)就需要對(duì)平臺(tái)上部甲板荷載的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),以減小對(duì)樁基承載力的要求。

在海上對(duì)平臺(tái)甲板的荷載變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),最常用的方法是將所有的荷載變化記錄下來(lái),最后估算總的荷載變化。這種做法對(duì)于大型平臺(tái)而言,工作量將非常大,甚至難以為繼。如果能在平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中,對(duì)平臺(tái)上部的重量直接“稱(chēng)重”則是比較理想的方式,但目前沒(méi)有類(lèi)似的海上平臺(tái)重量“稱(chēng)重”工作可以借鑒。

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)通過(guò)泥下的若干根樁支撐著平臺(tái)上部甲板的總重量。平臺(tái)組塊安裝和上部荷載發(fā)生變化時(shí)會(huì)使樁腿處產(chǎn)生壓應(yīng)變,通過(guò)樁腿應(yīng)變和荷載之間的關(guān)系,就可以得到平臺(tái)上部質(zhì)量的變化,從而起到稱(chēng)重的作用。常規(guī)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化,但由于蠕變、零漂、現(xiàn)場(chǎng)可靠性差等問(wèn)題,其無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)稱(chēng)重的要求。本文為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某平臺(tái)上部荷載進(jìn)行控制的要求,采用了能彌補(bǔ)常規(guī)電阻應(yīng)變計(jì)不足的光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)[6～9],建立了導(dǎo)管架平臺(tái)甲板荷載監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以對(duì)平臺(tái)甲板荷載的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。該測(cè)量方法也可用于平臺(tái)在陸上的整體稱(chēng)重與重心測(cè)量。

圖1 單樁二維受力模型

1 甲板荷載測(cè)量原理

平臺(tái)甲板荷載分布在各個(gè)樁腿上,所有樁腿上承受的荷載的總和即是平臺(tái)上部甲板的總荷載,因此首先需要測(cè)量出每個(gè)樁腿所受的荷載。平臺(tái)甲板荷載是朝著重力方向的,理論上樁腿同一截面處的任一垂向應(yīng)變都與所受的甲板荷載成正比。但由于平臺(tái)樁腿并不處于完全垂直狀態(tài),同時(shí),由于風(fēng)載、海浪、流等因素的影響,樁腿受到橫向載荷的作用,所以樁腿同一截面處的各點(diǎn)的應(yīng)變大小是不相等的。為此,橫向荷載對(duì)測(cè)量的影響就不能予以忽略。綜上分析,建立如圖1所示的單樁二維簡(jiǎn)化受力模型。圖中:F為平臺(tái)甲板荷載;M為樁腿受某一橫向荷載而產(chǎn)生的彎矩;θ角為樁腿的傾角;ε1、ε2為樁腿表面處直徑上的兩點(diǎn)應(yīng)變大小。由該模型為壓扭組合模型可得

式中:N為總拉(壓)力;Mz為總的彎矩;S為樁腿截面積;Wz為材料抗彎截面模量。另外,式中

將式(3)、(4)代入式(1)、(2)中得

設(shè)ε1′、ε2′為樁頭任意直徑上的兩點(diǎn)的應(yīng)變,與ε1、ε2所在直徑有一個(gè)夾角α(如圖1所示),根據(jù)等截面梁理論有

式(7)+式(8)求得力F:

式(9)中ε1′、ε2′為任意直徑上的兩點(diǎn)應(yīng)變,S、E、θ是常量。因此可以通過(guò)測(cè)量樁腿任意直徑上的兩點(diǎn)的垂向應(yīng)變來(lái)補(bǔ)償樁腿的傾角和所受橫向荷載產(chǎn)生的彎矩的影響,從而得到單樁荷載F。所有樁腿的荷載的總和即是平臺(tái)甲板的總荷載。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概述

南堡35-2 WHPB平臺(tái)位于渤海灣東北海域,距河北東南方向約20 km,水深12.6 m。在平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了節(jié)約鉆井船的租用費(fèi)用,平臺(tái)上部安有鉆井模塊并在平臺(tái)上實(shí)施邊鉆邊采作業(yè)。平臺(tái)設(shè)計(jì)為六腿六樁結(jié)構(gòu),平臺(tái)主體包括導(dǎo)管架、上部組塊、鉆井模塊和生活樓等設(shè)施。因此平臺(tái)上部設(shè)施質(zhì)量很大,同時(shí)加上鉆井作業(yè)過(guò)程中,產(chǎn)生較大的鉆井荷載、以及平臺(tái)上部鉆桿的增減、鉆井模塊的移動(dòng)等因素,使得平臺(tái)甲板的靜荷載、動(dòng)荷載及載荷分布都隨時(shí)發(fā)生著變化,從而使得樁腿需要承擔(dān)很大的固定荷載和變化荷載。為了確保平臺(tái)的安全,需要對(duì)打井作業(yè)期間的平臺(tái)甲板荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 測(cè)點(diǎn)選擇和傳感器布設(shè)

首先根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇測(cè)點(diǎn)的位置和數(shù)量(圖2為樁頭應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖)。平臺(tái)甲板組塊與樁腿連接部位(樁頭)承載著所有甲板重量,因此測(cè)點(diǎn)位置選擇在樁頭部位的直立腿上距焊縫較遠(yuǎn)(≥50 cm)的位置,避免焊接處對(duì)測(cè)量的影響。通過(guò)前文理論分析可知,只要同時(shí)測(cè)量樁腿直徑上兩點(diǎn)的應(yīng)變變化,就可以得到樁腿處的荷載情況。但為了保證測(cè)量的精度和可靠性,實(shí)際傳感器布設(shè)在每個(gè)樁腿的測(cè)點(diǎn)位置。在同一水平標(biāo)高處,每間隔90°布置一個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器(見(jiàn)圖2)。這樣每個(gè)樁腿上就有兩對(duì)荷載測(cè)量傳感器,如果有任意一個(gè)傳感器失效,還可以通過(guò)剩下的一對(duì)傳感器繼續(xù)測(cè)量,這即保證了測(cè)量的可靠性,又可以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。同時(shí)在傳感器安裝之后,還應(yīng)對(duì)傳感器部位以及傳輸?shù)木€(xiàn)路進(jìn)行防護(hù),以防由于施工等原因造成信號(hào)丟失。樁腿上安裝就位后的光纖光柵應(yīng)變傳感器如圖3所示。六個(gè)樁腿在同一水平標(biāo)高處,按相同方式布設(shè)傳感器。并為消除由于溫度引起的測(cè)量誤差,還在每個(gè)樁腿附近布設(shè)了一個(gè)光纖光柵溫度傳感器,六個(gè)樁腿共計(jì)布設(shè)24個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和6個(gè)光纖光柵溫度傳感器,總體布置圖如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)標(biāo)定

傳感器布設(shè)之后,需對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的載荷靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。首先,根據(jù)公式(9),計(jì)算系統(tǒng)的理論荷載靈敏度系數(shù)。其中,E取200 GPa,θ近似90°,樁腿外徑1 524 mm,壁厚50 mm,計(jì)算得到荷載靈敏度系數(shù)為4.69 T/με。

其次,通過(guò)平臺(tái)吊車(chē)吊裝貨物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。使用平臺(tái)40 t吊車(chē)進(jìn)行部分物資、設(shè)備的吊裝,吊車(chē)可以記錄每次吊裝貨物的重量。根據(jù)吊裝記錄以及監(jiān)測(cè)到的六個(gè)樁腿的總的應(yīng)變情況,標(biāo)定得到系統(tǒng)的荷載靈敏度系數(shù)為:4.73 T/με。與理論值基本吻合,其中的偏差可能是由于理論分析中材料的彈性模量和傾角θ與實(shí)際情況略有不同引起的。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)用于平臺(tái)甲板荷載監(jiān)測(cè)是可行的。但最終采用的荷載靈敏度系數(shù)以實(shí)際標(biāo)定值為準(zhǔn)。

將標(biāo)定的荷載靈敏度系數(shù)輸入到系統(tǒng)中,比較吊裝記錄和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)到的荷載變化情況如圖5所示?？梢?jiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與吊裝記錄數(shù)據(jù)吻合很好,而且系統(tǒng)響應(yīng)靈敏,實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到了平臺(tái)甲板荷載的變化情況。

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝就位后,在平臺(tái)整個(gè)打井作業(yè)的危險(xiǎn)作業(yè)期內(nèi),系統(tǒng)運(yùn)行良好,不但記錄下了平臺(tái)甲板荷載的變化情況還實(shí)時(shí)記錄下了每個(gè)樁腿的荷載情況。以A2腿為例,其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)如圖6所示。通過(guò)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可知,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確反映荷載的變化情況,并且測(cè)量精度可以滿(mǎn)足工程要求。平臺(tái)六個(gè)樁腿一天的荷載變化情況如圖7所示。該系統(tǒng)在平臺(tái)打井作業(yè)期間,實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)了平臺(tái)甲板荷載的變化情況,其中8月～12月的變化情況如圖8所示?？梢?jiàn)平臺(tái)甲板荷載呈上升趨勢(shì),與實(shí)際情況一致。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了平臺(tái)甲板荷載監(jiān)測(cè)方法。其中采用了光纖光柵應(yīng)變測(cè)量技術(shù),克服了傳統(tǒng)應(yīng)變片在實(shí)際工程應(yīng)用中的局限性,實(shí)現(xiàn)了在役平臺(tái)甲板荷載的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。通過(guò)所測(cè)數(shù)據(jù),可以了解平臺(tái)在生產(chǎn)與打井作業(yè)期間的平臺(tái)甲板荷載變化情況以及荷載的分布情況,進(jìn)而合理分配甲板質(zhì)量的分布以及生產(chǎn)設(shè)施的擺放。因此對(duì)于其他類(lèi)似平臺(tái)的設(shè)計(jì)與建造都很有參考價(jià)值。同時(shí)該方法也可以用于平臺(tái)陸上建造過(guò)程中的整體稱(chēng)重和重心測(cè)量,比較目前普遍采用的同步頂升技術(shù),其具有造價(jià)低、操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中也存在著一些需要注意的問(wèn)題:

(1)溫度問(wèn)題:如進(jìn)行短時(shí)測(cè)量,可以忽略溫度效應(yīng)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響;但如需要長(zhǎng)期進(jìn)行荷載監(jiān)測(cè),則需要考慮溫度因素。本文采用了溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒āＦ渲袦囟刃?yīng)包括傳感器本身的溫度效應(yīng)以及鋼結(jié)構(gòu)本身由于溫度效應(yīng)而產(chǎn)生的熱脹冷縮對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。溫度補(bǔ)償系數(shù)可以通過(guò)理論計(jì)算或?qū)嶋H實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),同一個(gè)樁腿處的四個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度存在著差異。分析其原因,認(rèn)為由于樁腿直徑比較大,致使受陽(yáng)光照射、海風(fēng)吹拂的程度不同造成了單樁的溫度場(chǎng)分布的不均勻。因此實(shí)際測(cè)量中需要對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行溫度補(bǔ)償,或者選擇日落后,溫差較小的時(shí)刻進(jìn)行測(cè)量。

(2)長(zhǎng)期性、可靠性問(wèn)題:由于光纖光柵測(cè)試技術(shù)還處于發(fā)展階段,其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用是否具可靠性和長(zhǎng)期性,這一問(wèn)題一直是其實(shí)際應(yīng)用推廣發(fā)展的瓶頸。本文采用的是裸光纖光柵直接貼附在結(jié)構(gòu)上的方法。其方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)傳感器失效,長(zhǎng)期應(yīng)用情況下粘貼用的膠水失效等問(wèn)題,影響了測(cè)量的可靠性和精度。因此建議在以后的工程應(yīng)用中采用無(wú)膠封裝好的光纖光柵應(yīng)變傳感器,并采用焊接的安裝技術(shù),以保證其可以長(zhǎng)期、可靠地進(jìn)行荷載監(jiān)測(cè)。

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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,主要從事海洋裝備結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用。