基于可靠性理论的井架承载能力评定系统

安子良，肖立中，孔令超

（上海应用技术学院机械工程学院，上海201400） ①

·开发应用·

基于可靠性理论的井架承载能力评定系统

安子良，肖立中，孔令超

（上海应用技术学院机械工程学院，上海201400）①

基于可靠性理论的一次二阶矩极限状态设计方法，采用分布式光纤光栅传感器网络测量井架多点应力和位移数据，由根据JC法编制的Matlab程序计算井架承载能力。试验数据和计算结果均写入Access后台数据库，自动生成Word格式的评定报告。通过ADO、VBA和MatrixVB组件技术，实现了VB、Access、Word与Matlab软件的混合编程，构成了基于井架承载能力检测技术的评估系统。

井架；可靠性；评定

由于井架的空间桁架结构复杂和多样化的特性，目前还无法定量计算其承载能力。通常采用静载试验测量在役石油井架的应力、位移及结构动态特征数据，通过强度与稳定性、刚度、可靠性等理论评定井架的承载能力和安全性［1－9］。可靠性理论在土木、建筑和水利已建结构的损伤评估、模式识别和可靠性评价方面有着非常广泛与成功的应用。目前国家和国际标准都采用可靠性指标β来度量石油井架的安全性，因此，定量分析井架的可靠性指标β能较好地反映出井架的承载能力。在井架现场承载试验中常用的电阻应变片法易受贴片方法、应变仪零漂和电磁干扰等影响，而且现场大量的连接导线增加了海洋石油井架高空作业的难度和危险系数。因此，研发一种适合于海洋石油井架静态应力测量的现场操作方法，并应用大量的现场测试数据来对井架承载能力进行评估显得尤为重要和迫切。

本文采用分布式光纤光栅传感器网络检测海洋石油钻井井架静态应力，极大提高了数据的数量与精度，同时也减少了导线数量且便于现场安装和调试［10－11］。计算机测量系统采用Modbus RTU通讯协议读取光纤光栅解调仪各个通道中的应力与位移数据，采用JC法编制的Matlab程序处理测试数据并计算井架的可靠性指标β。现场数据与计算结果存储在Access后台数据库中，并自动生成Word格式的井架承载能力评定报告。本文的井架承载能力评定系统实现了试验数据采集、存储、分析与形成报告完全由计算机完成，减少了试验过程和评估报告中的人为干预和失误。

1 可靠性相关理论

GB 50153—1992《工程结构可靠度设计统一标准》和GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》所采用的近似概率设计法简化了基本变量随时间的变化，将复杂的非线性极限状态方程线性化，对工程结构、构件或截面设计的“可靠概率”做出近似估算［12－13］。对在役井架结构进行可靠性评定时，仅以大钩载荷为特定计量工况，按极限状态法的SR干涉模型计算井架结构的可靠性指标β。井架工作载荷引起的效应S和井架构件抗力R均服从正态分布，其极限状态方程为

可靠度指标β表示为

式中，μR、σR为材料抗力R的均值与标准偏差；μS、σS为应力S的均值与标准偏差。

只要知道材料强度和应力分布的均值和标准差，由式（1）可计算出井架的失效概率及可靠度。

由于失效概率很难通过数值积分方法求解，因此工程中引入了可靠性指标β的概念，应用概率论和数理统计的方法获得工程结构的可靠度。目前在可靠度评定的工程应用中，国际标准《结构可靠性总原则》以及国家相关标准都推荐以概率理论为基础的一次二阶矩极限状态设计方法。实践证明：在众多的一次二阶矩法计算模型中，JC法原理简便、利用迭代求解计算收敛快，因此将JC法作为求解井架可靠性指标β的方法。

2 井架应力采集

2.1 应力数据采集系统

用于石油井架应力检测的分布式光纤光栅传感器网络系统由隔离器、耦合器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、单模传输光缆、光纤光栅解调仪、RS485通讯模块与工控机组成，如图1。计算机数据采集硬件系统由工控机通过ADAM4520与光纤光栅解调仪串口相连构成RS－485总线通讯系统［14－15］，采用8字节的Modbus RTU通讯协议读取光纤光栅解调仪中6个通道100个测试点的应力数据。通过ADO控件、MatrixVB组件和VBA技术，将VB、Access、Word和Matlab等编程软件各自的优势融入到用户应用程序中，用户软件主要包括数据自动采集、存储及实时曲线显示、试验数据的后处理，还包括井架承载能力可靠性评定与历史数据查询。

2.2 现场应力数据的计算机读取及存储

在串口数据通讯系统中，工控机作为主机将光纤光栅解调仪地址设置为02，波特率为9 600bps，数据位为8位，无奇偶校验位，1位停止位。为了保持和光纤光栅解调仪通讯参数的一致，将MSComm控件的Settings属性设置为“9 600，n，8，1”。为了提高数据传输效率和安全性，选用了高效简洁的Modbus RTU通讯规约，需要将MSComm控件的InputMode属性设置为二进制模式。当光纤光栅解调仪通过串口返回数据时，将触发MSComm控件的OnComm事件在ComEvReceive中调用Input属性读取缓冲区中的数据。由于采用VB6.0作为编程软件，因此选择了与VB兼容性良好且具有严格数学概念的Microsoft Access 2003关系型数据库，现场测试数据和历史数据都保存在数据库中。采用人工代码获得ADO数据对象的控制句柄，通过调用Connection与Recordset对象的属性、方法来完成VB与Access数据库的连接与操作，调用Recordset对象的AddNew和Update方法向已经打开的数据表追加数据记录。由于数据采集程序与存储程序的相关实例或论述非常详尽，本文不再赘述，仅给出具体的编程思路［16－17］。

图1 分布式光纤光栅传感器网络井架应力数据采集系统

3 可靠性评价系统的实现

3.1 JC法计算井架可靠性指标

采用JC法迭代求解井架构件截面的可靠度指标β和验算点值，收敛准则为验算点收敛。在VB中使用MatrixVB数学工具包可降低开发人员实现井架载荷与可靠性算法编程难度，程序代码安全、简洁且用户界面友好。由于Matlab程序只处理矩阵格式的数据，因此需将数据库中的实验数据表转换为文本文件，由CreateMatrix函数将其转换为矩阵格式后才能进行计算。井架承载能力可靠性分析结果由VB用户程序写入到该井架历史档案数据中，以便查询和对比历史曲线和数据［18－19］。

给出的JC法函数的计算程序为

3.2 自动生成Word格式井架承载能力报告

Visual Basic for Applications（简称VBA）是基于Visual Basic发展而来的新一代标准宏语言，提供了面向对象的程序设计方法，通过VBA程序代码可实现Office家族各应用程序的自动化操作［20－21］。本文利用OLE和VBA技术自动创建一个Word文档，将井架应力计算结果和可靠性结果插入Word文本和表格中，从而减少了实验人员的工作量和形成报告时的人为失误。在VB工具栏中引用“Microsoft word 11.0object library”对象库，通过对Application、Document、Pagesetup、Paragraph和FontTable对象属性和方法的调用，来规范报告的文档、段落和表格的文本格式和布局。部分程序：

4 结论

1） 通过对传感器、信号传输方式、数据存储与处理等方面的改进，形成了1套完整的且适用现场操作的石油井架承载能力安全检测技术和评估系统软件。

2） 利用ModBus RTU通讯协议和MSComm通信控件，自动采集井架静态载荷试验数据，通过ADO、VBA和MatrixVB组件技术，实现了VB、Access、Word与Matlab软件的混合编程。井架应力试验数据的采集、存储、分析、报告等工作均由计算机自动完成，既减轻了现场安装与记录试验数据的工作量，又极大减少了试验过程和评估报告中的人为干预和失误。

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Evaluation System for Carrying Capacity of Drilling Derrick Based on Reliability Theory

AN Zi－liang，XIAO Li－zhong，KONG Ling－chao
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201400，China）

Based on the first－order second－moment method of reliability theory，stress and displacement of oil rig derrick were measured by distributed fiber bragg grating sensor network，carrying capacity of oil rig derrick was calculated by JC method programmed by Matlab，the experimental data and the results were saved into Access background database，the word style evaluation report was automatically generated by using program.Multi－language program of VB，Access，Word and Matlab were implemented by the techniques of ADO，VBA and MatrixVB component，safety investigation technology and evaluation system for carrying capacity of oil rig derrick were implemented.

drilling derrick；reliability；evaluation

1001－3482（2012）01－0068－04

TE923

A

2011－07－30

上海市教育委员会重点学科建设项目资助（J51501）

安子良（1972－），男，河北唐山人，讲师，博士，主要从事高温高压设备结构完整性监测与使用寿命预测研究，E－mail：anziliang123＠163.com