甲板埋入式壓力場(chǎng)撓度測(cè)量系統(tǒng)

孫小濰

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

甲板撓度測(cè)量是應(yīng)用于下水駁船以及半潛船等工程船上的重要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)甲板裝載大型海工設(shè)備過(guò)程中主甲板的彎曲和縱向變形程度，判斷甲板和船體受力的變形量是否處于安全設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保證船和裝載物的安全，撓度測(cè)量值是評(píng)價(jià)此類工程船安全性的重要指標(biāo)之一。本文結(jié)合目前一艘在建下水駁的特點(diǎn)，根據(jù)連通管測(cè)量原理，采用一種新型埋入式壓力場(chǎng)甲板撓度測(cè)量系統(tǒng)，在保證精度的情況下，擴(kuò)大甲板上的監(jiān)測(cè)范圍，有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的連通立管與甲板平整無(wú)障礙要求的矛盾，為類似項(xiàng)目提供可行參考。

下水駁是一種功能類似于浮船塢的平臺(tái)下水和轉(zhuǎn)移裝置，主要用于將大型海洋工程裝備（如鉆井平臺(tái)）從碼頭陸地轉(zhuǎn)移到水里，同時(shí)也可承擔(dān)平臺(tái)載運(yùn)和維修工作。工作地點(diǎn)在船廠碼頭附近，無(wú)推進(jìn)裝置或其他操縱方法，主船體為箱型結(jié)構(gòu)，分別在甲板4角設(shè)置浮箱為下潛作業(yè)提供浮力。圖1為下水駁三維效果圖。

圖1 下水駁效果圖

平臺(tái)或船下水時(shí)，通過(guò)數(shù)十個(gè)平板移貨小車托舉平臺(tái)或船從碼頭陸地逐漸移到下水駁甲板上。隨著裝置的移動(dòng)，下水駁的吃水、船體受力都在逐漸變化。在這個(gè)過(guò)程中，船員需要通過(guò)船上監(jiān)測(cè)裝置反饋的船舶姿態(tài)情況來(lái)控制各壓載艙的閥門和泵動(dòng)作，控制壓載艙的進(jìn)排水情況，使得下水駁的吃水和傾斜度在規(guī)定范圍內(nèi)，并密切注意甲板撓度變形情況，保證下水駁和上面平臺(tái)的安全。

1 方案比選

常規(guī)的撓度測(cè)量方法主要有千分表法、水準(zhǔn)儀法、全球定位系統(tǒng)（GPS）法、激光法和半封閉連通管法等。這幾種方法在測(cè)量精度、適用環(huán)境、數(shù)據(jù)采集等方面差別很大。

1）千分表測(cè)量法。安裝方便，測(cè)量精度高，對(duì)環(huán)境要求不高，測(cè)量結(jié)果直接可靠，但靈敏度相對(duì)較低，使用時(shí)需要在主甲板上架設(shè)支架且需要工作人員在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)記錄[1]；而下水駁在實(shí)際操作中，需要主甲板無(wú)遮擋且需要遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)量和記錄。因此，這種方法并不適合。

2）水準(zhǔn)儀法。不需要搭設(shè)支架，使用時(shí)將水準(zhǔn)儀安置在測(cè)量對(duì)象的參考點(diǎn)上，然后將水準(zhǔn)塔尺安置在待測(cè)點(diǎn)，通過(guò)光的直線原理測(cè)試撓度[2]。該法使用簡(jiǎn)單方便、精度較高，但需要現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境較好，測(cè)量速度較慢，并需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化的需求。

3）GPS法。利用衛(wèi)星定位待測(cè)點(diǎn)，直接讀出測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)量方便、快速，其精度在水平方向可以達(dá)到毫米級(jí)，但其垂直方向觀測(cè)精度只能達(dá)到厘米級(jí)[3]。下水駁甲板變形主要為垂直于主甲板的方向，因此，該法并不適合。

4）激光標(biāo)靶法。精度較高，但現(xiàn)場(chǎng)需要固定靶位和標(biāo)尺，下水駁在開(kāi)敞甲板環(huán)境下無(wú)法實(shí)現(xiàn)，且在大霧和沙塵天氣下的精度大幅下降[4]，對(duì)測(cè)量人員業(yè)務(wù)水平也有一定要求；數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)測(cè)量功能不能實(shí)現(xiàn)，且對(duì)環(huán)境要求較高?？紤]此項(xiàng)目處于中東地區(qū)，沙塵天氣較多，因此該方法不適合。

5）連通管法。操作簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性較好，響應(yīng)速度快，其形式可根據(jù)實(shí)際船型進(jìn)行多種設(shè)計(jì)；測(cè)量數(shù)據(jù)雖是靜態(tài)結(jié)果，但在下水過(guò)程緩慢可控的情況下，其監(jiān)測(cè)值可以作為參考，并且可連接船上自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。常規(guī)的浮船塢常常采用此方式。

經(jīng)過(guò)研究分析，根據(jù)下水駁特點(diǎn)，船舶采用改進(jìn)的埋入式連通管方法進(jìn)行撓度測(cè)量。

2 系統(tǒng)方案

傳統(tǒng)立管式連通管測(cè)量系統(tǒng)需要在主甲板兩側(cè)沿縱向方向設(shè)置若干約2 m高的立管，下部通過(guò)連通管連接。立管上端部設(shè)有透氣管并保證立管內(nèi)存在一定高度的液體。連通管固定在主甲板上，當(dāng)主甲板發(fā)生變形時(shí)，此變形將傳遞到各個(gè)立管上，立管隨即產(chǎn)生上下位移；基于連通管原理，管內(nèi)最高液位保持一致，而立管內(nèi)的最高液位到傳感器的高度差發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量點(diǎn)處的壓力差發(fā)生變化，通過(guò)采集變形前后的壓力差信號(hào)，便可以得到甲板的撓度變形[5]。如圖2所示。

對(duì)于下水駁而言，主甲板面是1個(gè)通暢、開(kāi)敞的方形甲板，4個(gè)角上各有1個(gè)浮箱，沒(méi)有兩側(cè)的塢墻，中間的立管沒(méi)有地方支撐和固定。根據(jù)下水駁作業(yè)流程，待下水的平臺(tái)通過(guò)移貨平板車，從碼頭平穩(wěn)處移到下水駁上，該操作過(guò)程要求主甲板沒(méi)有任何凸起或阻擋，因此主甲板面上不能布置立管和連通管，傳統(tǒng)的兩側(cè)塢墻立管連通法不適合本下水駁。

圖2 主甲板上撓度測(cè)量示意圖（單位：mm）

另一種連通管方案為：取消立管，將水平連通管布置到主甲板下方，連通管的兩端連接高置水箱和透氣管，保證管內(nèi)存在液位和壓力，如圖3所示。

圖3 主甲板下過(guò)道內(nèi)撓度測(cè)量示意圖

傳感器固定在下方船體內(nèi)部的走道側(cè)壁空間上，并通過(guò)細(xì)管連接至上方水平連通管，連通管固定于主甲板下方的梁上。當(dāng)船體發(fā)生變形時(shí)，傳感器的位置隨即發(fā)生改變，而最高液面位置不變，各傳感器到最高液位的高度差不同，間接反應(yīng)出船體變形的情況。此種方式測(cè)量的主要缺點(diǎn)是：測(cè)量值反應(yīng)的是主甲板下方側(cè)壁上的變形量，而主甲板的變形通過(guò)甲板下的梁和縱壁傳遞到下方，大部分已被結(jié)構(gòu)形式所吸收或分散，加上考慮到船舶搖擺和溫度對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的影響，實(shí)際的偏差值已經(jīng)不能反映真實(shí)情況，因此也不適用。

綜上所述，通過(guò)研究和討論，選用埋入式連通管方案，如圖4所示。

圖4 主甲板埋入式撓度測(cè)量示意圖

此方案在主甲板上需要的測(cè)量位置上開(kāi)孔，將傳感器裝入安裝腔內(nèi)，安裝腔固定在主甲板下方，并用埋入式艙口蓋密封，防止水和灰塵進(jìn)入；空腔內(nèi)的傳感器連接在1個(gè)三通閥塊上，并連接連通管將主甲板上的所有傳感器連接起來(lái)，信號(hào)通過(guò)電纜傳遞到外部的接線盒，并通過(guò)信號(hào)采集箱進(jìn)行收集，進(jìn)而傳輸?shù)綁狠d控制臺(tái)或中央控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的高置水箱和透氣管安放在4個(gè)角上不影響裝載工作的地方，用于提供穩(wěn)定的壓力，并排出管內(nèi)空氣。

由于下水駁的結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的浮船塢，長(zhǎng)寬比很小，裝載的設(shè)備也不是常規(guī)船，而是鉆井平臺(tái)之類長(zhǎng)寬比較大的設(shè)備，因此，在結(jié)構(gòu)同一截面，左右舷與船中和艏艉與船中的撓度不一樣，不可簡(jiǎn)化為梁來(lái)考慮。整個(gè)甲板面上的撓度不僅分布在橫向或縱向，還需根據(jù)上面裝載的設(shè)備不同和受力點(diǎn)不同來(lái)考慮分布變化，總體來(lái)看是一個(gè)復(fù)雜的曲面變化，而不是常規(guī)的直線彎曲梁。根據(jù)此情況，在主甲板上橫向方向上布置3排傳感器，縱向每排設(shè)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共15個(gè)傳感器，形成壓力監(jiān)測(cè)場(chǎng)，用于檢測(cè)不同部位的變形，如圖5所示。

圖5 甲板傳感器布置圖

3 測(cè)量原理

撓度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由壓電式傳感器、連接閥塊、傳感器安裝腔體、連通管、水箱、透氣管、邏輯控制器、觸摸屏、計(jì)算機(jī)和處理軟件等組成。數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)由邏輯控制器完成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒肟刂普?。高置水箱設(shè)置在浮塔內(nèi)較高位置并做成橫截面積遠(yuǎn)大于連通管的形狀，保證在主甲板變形時(shí)水箱內(nèi)水位基本不變，為整個(gè)系統(tǒng)提供較為穩(wěn)定的壓力參考值。當(dāng)甲板發(fā)生縱向變形時(shí)，甲板上的埋入式安裝腔位置發(fā)生變化，傳感器到水箱液面的高度差隨之變化，內(nèi)部的壓電式傳感器將測(cè)得的壓力變化值轉(zhuǎn)化為液位變化，進(jìn)而反應(yīng)船體變形量。

根據(jù)船體變形特性，簡(jiǎn)化分析單排撓度測(cè)量原理，見(jiàn)圖6。

圖6 撓度計(jì)算示意圖

在3排共15個(gè)測(cè)量點(diǎn)上布置相同的液位傳感器，初始狀態(tài)下15個(gè)傳感器測(cè)量甲板偏離基準(zhǔn)數(shù)據(jù)值為矩陣H：

當(dāng)甲板面發(fā)生變形時(shí)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)傳感器輸出數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)值矩陣變?yōu)镠'：

各測(cè)量點(diǎn)的撓度數(shù)據(jù)為：

式中：i＝1, 2, 3；j＝1, 2, 3, 4, 5。

以上為船體平穩(wěn)的理想狀態(tài)，在平臺(tái)移動(dòng)到下水駁的過(guò)程中，船體會(huì)有傾斜情況，左舷和右舷的吃水會(huì)有輕微變化，以第一排傳感器布置示意圖為例，如圖7所示。

圖7 船體傾斜撓度計(jì)算示意圖

由于甲板傾斜，實(shí)際傳感器的位置為直線 1"-2"-3"-4"-5"，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)矩陣為：

其液位絕對(duì)高度實(shí)際上包含了傾斜情況下的甲板偏差值，實(shí)際的撓度值需要修正，應(yīng)由測(cè)量值H''減去各個(gè)位置根據(jù)吃水傾角轉(zhuǎn)換的縱向偏離值。

式中：α為根據(jù)吃水測(cè)算出的傾斜角度，(°)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)計(jì)算得出最大的值即為甲板最大變形量。對(duì)于下水駁而言，當(dāng)船的尺度和結(jié)構(gòu)確定以后，進(jìn)而確定該船的最大撓度。按照ANSYS軟件計(jì)算分析，裝船時(shí)的最大變形值為-57.53 mm，位置出現(xiàn)在甲板中心附近；而裝載平臺(tái)時(shí)的最大變形值為-81.45 mm，位置在樁腿凹坑附近。根據(jù)這個(gè)極限指標(biāo)，設(shè)定當(dāng)測(cè)量的最大值超過(guò)極限值60%時(shí)開(kāi)始預(yù)警，當(dāng)超過(guò)90%極限撓度值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。

4 結(jié)論

撓度測(cè)量作為一種在特殊工程船上采用的系統(tǒng)，其應(yīng)用還未十分廣泛，相關(guān)研究也不多，目前主要采用簡(jiǎn)化的靜態(tài)測(cè)量方法。在下水駁工作過(guò)程中，裝載物在下水駁上的重量分布是一個(gè)變化值，甲板受力位置也隨著裝置移動(dòng)，尤其對(duì)于裝載平臺(tái)這種重量分布不規(guī)則的裝置，甲板的變形是一個(gè)連續(xù)的變載荷動(dòng)態(tài)特性，如何在變化過(guò)程中準(zhǔn)確反饋各處甲板的實(shí)際變形，需要結(jié)合結(jié)構(gòu)特性進(jìn)一步研究和實(shí)踐，目前還未有成熟的應(yīng)用方案。

此外，對(duì)于連通管法，由于連通管呈水平布置，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，管徑較小，管內(nèi)存在的氣泡會(huì)影響液體的振動(dòng)頻率，對(duì)傳感器的精度值也會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，在較長(zhǎng)的甲板變形測(cè)量過(guò)程中，管內(nèi)液體會(huì)存在微小的流動(dòng)，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生延程損失和局部阻力損失；在極端情況下，局部阻礙處會(huì)出現(xiàn)液體的離散和碰撞現(xiàn)象。這些都會(huì)引起傳感器前端壓強(qiáng)值，對(duì)數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響。未來(lái)，在提高測(cè)量系統(tǒng)的精度和消除液體動(dòng)態(tài)影響方面還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。