导管架平台结构静载变形检测实验研究

曹文冉 ，于麟川 ，刘振纹 ，徐长海

1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451 2.中国石油天然气集团公司海洋工程重点实验室，天津 300451 3.中国石油管道公司长沙输油气分公司，湖南长沙 410013

0 引言

固定式导管架平台是最主要的海洋平台形式之一，在其长期作业期间，环境腐蚀、海生物附着、材料老化、构件缺陷和机械损伤等不利因素都将导致结构构件的损伤和整体抗力的衰减，一旦发生事故将造成巨大的经济损失、人员伤亡和环境污染。为了及时准确地获得导管架平台的状态信息，需要对平台进行定期可靠的检测与监测[1-2]。

结构静载变形的检测手段多种多样，但海洋平台所处环境的特殊性对检测传感器和信号采集传输系统提出了更高的要求。由于传统检测元件（如电阻应变片）存在灵敏度低、稳定性差、工作寿命短等缺点，促使光纤光栅逐渐成为当前智能材料信息传感和传输的首选材料，其测量精度高、稳定性好和传输距离远等技术优势非常适合海洋平台的健康监测。因此对基于光纤光栅传感技术的健康监测进行研究是一项十分重要的工作[2-7]。

本文基于光纤光栅传感技术搭建了导管架平台变形检测实验系统，通过合理布设测点对导管架平台结构进行了静载变形检测实验，以期通过桩腿应变和上部荷载的变化曲线达到对导管架平台超载隐患进行安全预警的目的，旨在为国内导管架平台的变形检测与长期监测研究提供借鉴和参考。

1 光纤光栅传感检测系统

1.1 系统原理及组成

光纤光栅传感器的工作原理是将待探测光束波长进行调制，通过波长位移进行检测。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其他物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化。国内外的大量研究和实践表明，结构状态检测技术的实质性进展即是光纤光栅传感方式的应用[2-6]。

就导管架平台检测而言，光纤光栅传感器相对于传统传感器的主要优势在于[3-6]：

（1）可在一根光纤上串联很多传感器，不需要回路，便于集成。

（2）基于高性能、高稳定性的波长测量技术。

（3）传感器小，成本较低，而且非常容易安装。

（4）传感器不需要供电，是无源传感器，消除了电回声探测和电火花危险。

（5）抗电磁干扰、抗腐蚀、抗化学药品，防水等。

（6）远程监控：传感器之间或传感器和测量仪器之间可以相距非常远，可达几十千米，甚至上百千米。

因此，光纤光栅传感器完全能满足导管架平台结构检测远距离、高精度、分布式和长期性的技术要求，从而被广泛应用于对结构的应力、应变、温度、蠕变、裂缝、整体性等参数的实时在线监测。鉴于此，本文搭建了光纤光栅传感检测系统，如图1所示。该系统主要由以下几个部分组成：配备控制终端和数据采集存储软件的电脑、网线、光纤光栅传感解调仪、光缆、法兰盘、带有一定长度尾纤的光纤光栅传感器。

图1 光纤光栅传感检测系统示意

1.2 光纤光栅传感器选择

按有无封装区分，光纤光栅传感器主要有裸光栅和封装光栅两类[4～6]，如图2所示。

图2 光纤光栅传感器类型

裸光纤光栅传感器由于光纤非常纤细，易于安装在较细的结构杆件上，因此多用于实验室实验；但由于其没有任何保护，容易断裂，不适合野外施工安装。

封装光纤光栅传感器由于光纤外侧包裹有金属结构且带有坚实保护层的尾纤，因此非常适合野外施工安装。

1.3 光缆选择

作为光信号的传播途径，光缆对于整个光纤光栅传感系统起到承上启下的作用，在不同的应用场合使用适当的光缆，既可以做到经济合理，又可以保证使用的安全性与耐久性。

光缆按照封装形式的不同大体可分为三种[4-7]，如图3所示。

未加额外保护层的普通黄皮跳线光缆多适合于实验室等室内环境，不锈钢铠装光缆由于具有强度高、耐冲击性和耐久性强等特点从而适合于海洋平台等恶劣环境，而带保护套管的光缆则介于两者之间。

1.4 传感器安装与保护

为了使光纤光栅传感系统能够真正应用于实际工程中，传感器与光缆的安装和保护是关键环节。本检测系统所用传感器的关键安装步骤见图4。

图3 光缆类型

图4 传感器安装步骤

通过以上的合理安装并充分保护，可以提高传感器的长期存活率和检测监测的准确性，从而满足导管架平台在海洋环境中对检测技术的要求。

2 导管架平台结构静载变形检测实验

2.1 实验模型

本文选用的导管架平台实验模型如图5所示。模型整体高度1 980mm，共4层，顶层甲板为10mm厚钢板，桩腿底部构成矩形，长845mm、宽835mm；桩腿管径34.05 mm、壁厚3.5 mm；每层甲板（除顶层外）水平撑杆管径21.95mm、壁厚2.6mm，层与层之间斜撑管径12.85mm、壁厚1.26mm。

图5 导管架平台实验模型

2.2 测点布置

由于导管架第2层处（从下往上数）没有斜撑，上部载荷完全由四根桩腿来承受。因此选择该层桩腿的中点处作为检测位置，为了消除弯曲应力及偏心对测量的影响，需要在各桩腿内外两侧安装至少2个传感器。本次实验于各桩腿内外两侧安装2个传感器，共计8个，可分为两条通道，其布置示意见图6。

图6 传感器布置示意

由于在实验室常温环境下进行检测，因此不需要对传感器、连接线和接头进行环氧树脂的涂敷。另外，由于本实验加载过程时间很短，完全可以忽略温度的变化。

2.3 系统调试

通过光缆将安装好的传感器与解调仪连接，再连接解调仪与电脑，即完成了整个光纤光栅检测系统的搭建，实验现场如图7所示。

图7 实验现场

整个检测系统搭建完成后，首先要对各路传感器初始值进行调零。

由于传感器的中心波长一般在1 512～1 588 nm之间，这样处于一条通道上的数个光纤光栅传感器的波长范围需要间隔分布相互错开，才能保证各传感器测试的数据不会混淆。从图8可以看出第1通道（蓝色，对应A01～A04）上各传感器的波长分布都已拉开一定距离，同样第2通道（黑色，对应B01～B04）上各传感器的波长分布也已拉开一定距离。尽管两个通道的前两个传感器的波长靠得较近，但由于分处两个通道，所以不影响测量。

图8 传感器波长分布

2.4 加载过程

本次导管架平台静载变形检测实验内容为：

（1）检测平台的荷载变化，控制导管架平台的上部总载荷不超过设计限定值。

（2）监测各桩腿的应变值，控制导管架各桩腿的静载变形不超过设计限定值。

本实验模型上部载荷和静载变形的设计限定值分别为25 kN和1 000με。由于导管架平台模型的上部重量通过桩腿向下传递，平台上部重量的改变将导致桩腿的受力变化，理论上通过测量各桩腿的应变就可以确定上部荷载的增加量。由于传感器可以检测50 kN/桩的荷载变化，但为了更明显地记录荷载变化对桩腿的影响，本文设定加载步长至少为300 N。

实验时，在模型甲板上方分别放置不同质量的重物，通过软件设置2 Hz的采样频率，对传感器数据连续采集10 s，通过解调仪的信号采集转换以及电脑的数据处理，每个传感器可以得到20组结构应变值。为了减少结构微小振动对测量值的影响，同时也为了提高测量精度，本文取平均值作为最终测量结果。

3 实验结果及分析

实验结果见表1～3。

表1 结构加载300 N后各测点应变值

表2 结构加载750 N后各测点应变值

由表1对桩腿应变值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-10.891（ με）

表3 结构加载1 050N后各测点应变值

由表2对桩腿应变值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-27.962（με）

由表3对桩腿应变值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-36.301（με）

由表可知，上部荷载增量不大时，单个应变传感器的数值变化不是很明显，加之传感器结构与性能所导致的应变数值细微的漂移，都给上部荷载变化的判断增加了难度，但是通过求平均的方法，使得单个传感器的数值更接近于真实值，再通过求和的方法更利于观测桩腿总应变的变化。因此，本文得到桩腿总应变与竖向静载之间的关系，如图9所示。

图9 桩腿总应变随竖向静载变化曲线

由图9可知，桩腿总应变与竖向静载基本成正比例关系。通过这个变化曲线，就可以根据桩腿总应变的变化值来估算上部荷载的变化值，从而对导管架平台超载隐患起到安全预警的作用。

4 结论

（1）基于光纤光栅传感器的工作原理，搭建了可用于导管架平台的光纤光栅传感检测系统，同时从提高传感器长期存活率和检测准确性的角度出发，探讨了光纤光栅传感器的合理安装和充分保护方法，以便满足导管架平台在海洋环境中对检测技术的要求。

（2）选用四腿导管架模型进行了平台静载变形检测实验，提出了导管架平台结构应变检测的实验流程，通过检测平台的荷载变化和各桩腿的应变值，采用对桩腿应变先求平均再求和的方法以提高测量精度，最后得到了桩腿总应变和竖向静载的关系曲线。

（3）基于本文得到的近乎正比例变化曲线，可以根据桩腿总应变的变化值来估算上部荷载的变化情况，从而控制上部总载荷不超过设计限定值，进而对导管架平台的超载隐患起到安全预警的作用，为国内导管架平台的变形检测和长期监测研究提供了借鉴和参考。

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