导管架平台应变监测传感器优化布置

王火平，王德洋

(1.中海石油深海开发有限公司 深水工程建设中心，广东 深圳 518067；2.清华大学 深圳国际研究生院，广东 深圳 518000)

0 引 言

导管架平台作为重要的海洋油气开采基础设施，在海洋工程中得到了广泛应用。众所周知，风、浪、流等环境载荷作用于平台和各子系统，导致长期的循环响应和疲劳损伤累积[1]。通过连续监测导管架平台关键位置疲劳损伤，可掌握结构疲劳强度的衰减和结构整个生命周期的安全状态演变，因此应变监测具有重要的工程意义[2-3]。

随着传感器技术的进步，应变测量已普遍用于大型结构的在线结构健康监测。LI等[4]提出通过从分布式长规格光纤传感器测量的应变响应来定位和量化损伤。KATSIKEROS等[5]基于结构应变测量开发一种创新的结构健康监测方法。BENEDETTI等[6]专注于使用合适的应变传感器在风塔的关键位置进行裂缝检测。

对于监测而言希望安装更多的传感器获得更多的数据，但实际上受到工期费用等制约只能安装有限个传感器，这就要求根据结构特点进行传感器优化布置，选择更适合的点安装传感器。针对导管架平台结构，需要在应力敏感区域安装应变传感器，才能测得环境激励下结构的应变变化量。从设计层面，用于强度计算的导管架平台结构有限元建模均采用管单元和梁单元，该模型可反映导管架结构的整体应力分布状态，但无法表征局部位置的应力状态。应变传感器测量的是结构表面的应力，有限元模型的梁单元仅能反映轴力和截面弯矩的大小，无法对应测量数据的信息，因此需要在监测位置处建立三维实体单元或壳单元来反映测试数据的信息。为了兼顾计算效率并能够在测量数据及有限元模拟结果间建立关联，需要建立结构的多尺度模型，即在关键位置处采用实体单元或壳单元建立模型，而对其他构件采用梁单元或管单元建模。多尺度建模最核心的问题是如何建立不同类型单元之间的关联，目前较有效的方法是多点约束法，多点约束法的原理是通过位移协调推导界面的约束方程，从而实现不同类型单元之间关联。国内学者[7-8]利用多点约束法连接不同单元，进行铁塔、井架等结构的多尺度模型分析，获得结构的整体和局部应力状态分布。

鉴于多尺度模型的优点，本文提出基于多尺度模拟的导管架平台结构应变传感器布置方法，以有限元ANSYS软件作为分析平台，应用多点约束方法建立结构的多尺度模型，通过分析管节点焊缝的应力分布，确定传感器的具体安装位置。

1 多点约束算法

在对导管架平台进行多尺度模拟分析中，对需重点关注的区域，如应力集中的管节点处应采用三维实体单元或壳单元建模，而其他构件采用梁单元或管单元建模。两类单元节点数不同，且每个节点的自由度也不同，若实现单元间界面自由度耦合，需采用多点约束算法来处理，以实现载荷的传递。多点约束算法[9]的表达式为

(1)

式中：C为常量；i为节点编号；n为方程数量；Cf为系数；U(i)为自由度。

管单元节点的位移向量为

δi=(ui,vi,wi,θix,θiy,θiz)T

(2)

式中：ui、vi、wi为节点i在整体坐标系下的位移；θix、θiy、θiz为节点i在整体坐标系下的角位移。

实体单元的位移为

(3)

式中：Ni为节点i的形函数。

实体单元的转角为

(4)

令管单元与实体单元耦合节点位移与转角相同，由式(2)～式(4)可得到管单元与实体单元的多点约束方程为

(5)

2 陆丰13-1导管架平台管-梁模型建立与关键位置确定

陆丰13-1导管架平台位于香港南东约217 km的海上。该平台建于1985年，设计水深 为146 m，设计寿命为15 a。平台长、宽、高分别为85.954 m×68.275 m×187.715 m，平台结构主要由桩基础、导管架、甲板组块等3部分组成，平台水面以上结构约41 m。

为了高效地确定平台关键监测区域，对陆丰13-1导管架平台采用管-梁单元进行建模，其中：水上组块结构采用梁单元建模，压缩机模块、生活设施、起重机和发电机模块等均以等效重量施加在对应节点上，以模拟整个平台设施重量；导管架结构由于考虑水动力影响，采用管单元进行建模，且对桩腿、斜撑、水平撑和内撑进行详细模拟。陆丰13-1导管架平台管-梁简化模型如图1所示。

图1 陆丰13-1导管架平台管-梁简化模型

对于导管架平台这样的大型结构，受到平台自身重量及风、浪、流作用，所布置的应变传感器主要监测轴力和弯矩指标的变化。图2～图4分别为平台的轴向应力云图、单元对y轴的弯曲应力云图和单元对z轴的弯曲应力云图。由图2～图4可知，轴向应力、单元对y轴和z轴的弯曲应力的最大值均在蜘蛛甲板B4节点处，因此传感器应布置在该节点周围。具体布置位置应根据该节点三维分析模型进行确定。

图2 导管架平台轴向应力云图

图3 导管架平台单元对y轴的弯曲应力云图

图4 导管架平台单元对z轴的弯曲应力云图

3 基于多点约束的导管架多尺度有限元模型的建立与验证

在有限元分析中，按照多点约束算法建立约束方程，进而建立约束面，可实现管单元与实体单元载荷的传递。导管架上部组块框架结构选择Beam 188单元，导管架部分选择Pipe 288单元，管节点采用Solid 185单元，所建立的导管架平台多尺度模型如图5所示，管节点三维实体模型如图6所示。

图5 导管架平台多尺度模型

图6 管节点三维实体模型

为验证导管架多尺度模型的准确性，分别施加不同的波浪载荷，即通过设置不同的波高表征波浪载荷的大小，得到了管单元模型和多尺度模型的波高-甲板位移曲线，如图7所示。从图7可以看出2组数据误差较小，从而验证多尺度建立的模型更为准确，为后续局部位置三维应力的分析确立基础模型。

图7 管单元模型和多尺度模型的波高位移曲线

4 基于多尺度模型的应变传感器安装位置

利用所建立的平台结构多尺度模型，进行结构静强度分析。图8给出蜘蛛甲板B4管节点区域的von Mises应力分布情况，表1给出该节点各斜撑最大von Mises应力。由图8和表1可知，外侧下斜撑与桩腿相贯处的冠点为应力集中的最危险点，von Mises应力达69.4 MPa。根据分析的结果，该关键区域的应变传感器应布置在下斜撑处，重点监测其应力较大部位的应力状态，为安全评估提供可靠的依据。

图8 蜘蛛甲板B4管节点应力分布

表1 B4管节点各斜撑最大von Mises应力

具体监测位置和布置考虑应急集中影响以及轴力弯矩测量要求，将距离相贯线3倍斜撑直径位置的支管截面确定为被监测截面，通过传感器布置采集被监测截面在结构表面处的应变分量。如图9所示，在斜撑外表面被监测截面位置的极性角φ=0°、90°、180°和270°处各布置1枚应变传感器(编号为S1～S4)，采集该位置被监测截面上的正应变。

图9 斜撑上传感器安装示例

5 结 论

以南海陆丰13-1导管架平台监测项目为工程背景，研究平台结构监测系统中应变传感器的布置方法，得到如下结论：

(1)建立导管架平台的管-梁单元宏观整体模型，通过静力响应分析可知蜘蛛甲板B4节点处的应力最大，为平台的最危险区域。通过管-梁整体模型可快速确定平台的关键区域，为应变传感器布置方案提供依据。

(2)采用多点约束方法实现平台结构的多尺度模拟，主体结构采用管单元和梁单元建模，危险位置B4节点采用实体单元建模，基于多点约束理论建立管单元与实体单元交界面的约束方程，实现载荷的传递。对危险区域的应力进行分析可知，下斜撑与桩腿相贯处的冠点为应力集中最大处，基于分析结果应变传感器应布置在该节点外侧下斜撑处。

(3)通过管-梁整体模型和多尺度模型确定传感器布置在某根斜撑上，之后根据应力集中原则及规范要求，将传感器布置在距该斜撑焊缝3倍直径处。该方法可为海洋平台应变监测传感器的布置方案提供科学的参考。