光纤传感技术在海洋平台结构监测中的应用

张奇，孙道青，李晓明，陈曦，朱澧

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

1 引言

目前我国海上在役油气平台的数量达到三百多座，其中部分平台的服役时间较长，并且随着时间的推移，大部分平台将逐渐达到服役年龄。出于经济性以及环境保护等方面的考虑，将这些老龄平台拆除后再安装新的油气平台是不现实的。然而，这些老龄平台长期服役在恶劣的海洋环境中，其自身结构长期承受海水、海生物腐蚀以及各种环境载荷的冲击等不利因素的影响，结构老化现象严重，其结构承载能力逐年降低[1]，一旦发生结构性的安全事故将会导致严重的生命和财产损失，造成恶劣的政治和环境影响，如英国北海的“海上钻石”号钻井平台沉没事故[2]以及北海挪威Ekofisk油田的一座 Alexander L. Kiel land 号半潜式钻井平台倾覆倒塌事故[3-4]。因此为了确保海上平台的安全运行，需要保持对平台主要结构的健康监测，并根据监测结果识别出风险点，并采取合理的维护方式提前进行干预，确保平台安全平稳地运行。同时，根据国外的相关研究表明[5-6]，海上平台的设计寿命一般为25年，通过对平台结构的长期在线监测并根据监测情况加以适当的维护，平台的服役时间将延长30%-400%！

在结构物应力监测领域，出于光纤天然的高灵敏性，极强的抗高压、腐蚀以及电磁干扰能力等特性，目前市面上应用较为广泛的是采用光纤传感技术[7-8]，即通过将光纤光栅传感器布置在需要监测的结构物指定位置，通过光纤将监测位置结构物的应变量以光信号的形式传输到信号处理终端进而可以得出监测位置应力变化情况。目前国内闫天红等[9]已在南海某导管架平台成功实施了应用光纤传感器进行平台结构振动和应力监测，进而评估平台的健康状态。

本文从现场实施的角度出发，详细介绍了如何在渤海海域某八腿导管架平台从布置应力监测传感器到搭设整个应力监测系统的过程，为后续海上平台类似监测项目提供借鉴。

2 应力监测系统设计及安装

2.1 应力监测系统设计

导管架平台结构应力监测系统是通过监测平台组块腿应力来反应平台的安全状态，主要分为传感器子系统、信号采集传输系统与控制系统三大部分。因此，需要对平台各组块腿安装相应的应力传感器，连接线缆传输信号，并在平台控制室安装解调和控制设备。然后将应变传感器测量结构应变变化值，换算为应力值。通过对平台桩腿和结构的监测，实时显示导管架关键部位受力情况，判断结构是否存在平台受力不均，结构承载力是否达到极限。

2.2 应力传感器的选型及布置

鉴于海上平台所处的自然环境恶劣，现场干扰因素较多，本次选用了天津慧感光电科技有限公司生产的HG-S01光纤光栅应力传感器（见图2.2）。该型号传感器与专用底座配套使用。现场安装时先将底座固定在钢结构表面，然后通过螺母将传感器方便地固定在底座上（见图2.3），既可以进行长期监测，又可以在短期监测完成后重复使用。其具有防爆、抗电磁干扰、测量精度高以及可靠性高等特点，其主要性能指标见表2.1.

表2.1 光纤光栅应力传感器性能指标

图2.2 光纤光栅应变传感器

图2.3 光纤光栅应变传感器现场安装图

在安装应力传感器前，首先我们需要借助于有限元模型计算分析得出导管架平台组块腿的应力集中点位置，即导管架平台结构受力最大也是最为危险的位置，一般情况下这些位置为导管架平台组块腿的上端，然后在组块腿表面均匀布置4个应力传感器，具体如图2.4和图2.5所示。

图2.4 传感器布置位置示意图

图2.5 传感器现场布置图

2.3 信号传输系统设计

采用光缆（铠装光纤）作为信号传输的媒介，其中光缆的具体布设过程主要分为以下几个步骤：(1)首先分别将每个桩腿上的4个传感器采用串联的方式通过一条光缆连接在一起（见图2.6），共计引出8根信号传输光缆；

图2.6 单根桩腿光缆走线图

(2)将这8根光缆走线至距离平台中控室较近且便于便于走线的一根桩腿附近，用集线盒将这8根光缆汇集成为一根光缆（见图2.7）；

图2.7 多桩腿光缆汇集走线图

(3)通过该桩腿处的走线孔，将光缆引线至平台上甲板，并沿着甲板上的线槽将穿梭光缆引至中控室，并与信号解调设备进行连接调试，完成信号传输系统的搭建，如图2.8所示。

图2.8 传输光缆连接解调设备图

3 数据采集与分析

通过上一节中信号传输系统的建立，平台各桩腿实时的应力变化信号通过光纤传输汇入光纤集线盒并进入中控室的智能解调仪中，经过信号解调分析后，通过软件界面实时反馈监测数据的变化情况，从而实现实时监测组块桩腿的受力变化情况。如下图3.1所示软件监测画面为平台的三维模型，其中每个桩腿的应力变化的最大值均显示在软件界面上。

图3.1 平台应力监测软件界面

下图3.2所示为每各组块桩腿每个节点点位处应力监测实时数据详图。（数值计数单位为μm）

图3.2 单个组块腿应力监测数据界面

4 结语

本文以渤海海域某八腿导管架平台的实际案例出发，从现场实施的角度较为全面地阐述了如何在海洋平台上搭建应力监测系统的全过程，包括应力监测系统的设计、传感器的选型及布置、信号传输系统的设计及安装、监测数据的采集与分析。目前海洋平台结构监测的实施案例较少，未来的市场需求量较大，市场前景广阔，本文作为实际的实施案例能够为后续的相关海洋平台结构监测类项目提供借鉴。