船體應力檢測系統在大型LNG運輸船的應用

中海油能源發展采油服務公司 喬勝勇

船體應力風險是船東風險管理的一部分。如果沒有船體監測，就不知道船舶正在經歷的實際應變。在現代航運業中，船體應力監測系統為船長提供實時的預警、輔助和預報。監船體應力監測系統是專門用于預警保護船體，將船體故障的風險降到最低，避免由于惡劣天氣下不適當的裝載或高速行駛而造成船體結構或貨物損壞。船體應力檢測系統可以提高海上運輸的安全性，通過船體應力系統預警可以避免許多溢漏和更嚴重的環境災難。它能夠實現實時顯示船舶受力的情況，并為LNG運輸船的結構的安全性提供必要預警信息，以便及時采取應對措施。

整體介紹

PU液化天然氣船造船項目的船體應力監測系統是通過測量船體在本身負荷和波浪的相互作用下而產生的相對變形，來感知船體結構所受到的結構應力，進而分析船體應力的變化，從而達到監測船體結構受力情況的目的。通過分布方式布置的傳感器來測量并分析船體結構所承受的應力。所采用的分析方法是從信號中識別出靜態、動態和緩慢變化的溫度分量，并計算出不同的信號特征。結果會傳送到駕駛臺的中央裝置，以便進一步分析、記錄數據并顯示給駕駛臺人員，以協助導航。全光纖探頭技術的船體應力監測，采用分布式光柵反射，在生活區A甲板EER的主控制盤向每路光纖探頭發出周期變化的光束，當現場探頭發生線性位移時折光率就會相應變化從而通過測量反饋波長和溫度補償段就可以反映出現場安裝在龍骨上的4套LBSG(Long Base Strain Gauge,1700mm，Bandwidth 0-10Hz)，船首水手長儲藏間橫隔梁上的Accelerometer橫搖縱擺加速度探頭（0-20Hz, ±2g）和船首浪壓傳感器。同時系統與DGS,VDR, IAS 及裝載計算機通訊，用于補償計算、報警監測記錄。

安裝、校驗及特點

PU（Pan-Union）液化天然氣船造船項目是中海油集團聯合英國British Gas集團所建造的4艘LNG船造船項目。在此LNG船造船項目中，考慮到LNG船本身價值高且對船舶的安全性有較高要求，需要對船體結構應力進行有效監控，以確保LNG船的船體結構安全。PU項目LNG船的應力監測系統設有監控應變和疲勞的兩種傳感器，一種是SBSG (Short Base Strain Gauge短基應變儀, 100毫米) ，另一種 是LBSG (Long Base Strain Gauge,長基應變儀,1700毫米) ，用這兩種標準型號的傳感器來測量運動和加速度，監控系統的整體組成如圖1。

圖1 系統圖

1、 現場安裝

現場布置：典型的安裝傳感器的位置是在船甲板上和艙壁上。

應變傳感器安裝的位置, 應該使其能夠很好地測量主要船體的變形，一般而言，安裝結果應該排除諸如材料的非連續性、焊接和噴沙等局部應力集中的影響，安裝傳感器時可以運用造船廠進行精確安裝的普通工作標準。

LBSG傳感器：LBSG傳感器和傳感器蓋通過螺栓固定在支架上，支架焊接在甲板上。使用安裝工具進行焊接。傳感器座和蓋座在焊接前用螺栓固定在工具上。應變計按船級社要求用鋼制作桿長1500～2300mm。應變計的線性范圍為±2000微應變，精度至少為5微應變。測量帶寬為0～5Hz。

圖2 LBSG安裝

圖3 LBSG探頭安裝位置

相關規范要求：

A.僅受縱向整體船桁載荷影響的應變計（例如，油輪中的甲板量規）應設置為船舶裝載儀器指示的載荷和實際船舶尺寸所產生的應力水平，或使用其他適當的應力分析方法。在可行的范圍內，應在船舶載荷不變、海氣溫差較低以及船舶處于中等或重型壓載狀態的條件下進行設置。

B.局部應力。如果應變計安裝在除整體船桁體加載應力外具有其他重要應力分量的結構上，則應對其設置的應力進行詳細分析，并提交審查。

2、校驗

LBSG傳感器：每個應變計最初設置為在商定的加載條件下計算的應力值。該計算應力與加載儀器的輸出一致。傳感器的初始讀數與隨后在靜水中商定的加載條件進行定期檢查。如果出現的差值大于批準值的5%或10 N/mm2（以較大者為準），則重復設置和隨后的檢查程序。通過將底座移動到底座支架上，在電子設備箱中預先設置傳感器讀數。傳感器的微調是基于HULLMOS系統的軟件。通過在傳感器的儀表彈簧之間插入精確的校準板來檢查刻度。

相關規范要求：

壓力計的設置應在初始設置后的三個月到六個月之間進行評估。船舶操作人員應按照驗證程序從裝載儀器和船體狀況監測器中獲取相關值，并提交給ABS。如果變化太大，則需要重復設置程序。

3、傳感器

PU項目的光纖傳感器均基于光纖應變計。對于光纖傳感元件和電子傳感元件，傳感器在機械上是相同的。LBSG（F）是基于長鋼桿對船體變形的累積。桿彎曲傳感器電子單元內的儀表彈簧。一個彈簧一個應變計感測相對于船體變形的待處理量，另一個用于溫度補償ACC（F）基于加速度下的彈簧彎曲。彈簧固定在另一端，自由端上有一個小砝碼。彈簧浸沒在油中減震。一個彈簧一個應變計感測相對于加速度的待處理量，另一個用于溫度補償壓力（F）是基于儀器探頭管，其中水壓作用導致相對于壓力的變形。一個探針管一個應變計感測相對于壓力的變形量，另一個用于溫度補償除電纜連接細節外，兩種類型（電子和光纖）的安裝手冊相同。在光纖傳感器中，焊接的電纜直接連接到傳感器上，以保證最小的衰減和對環境危害的最大抵抗力。

表 ABS對該類傳感器的要求

光纖應變計適合于分布式應變傳感，因為大量的傳感器元件可以包含在單個光纖（多路復用）中，如下所述。光纖布拉格光柵加速度計通常基于機械振蕩器彈簧中的應變測量，可以使用用于布拉格光柵應變測量的相同詢問系統進行詢問。光纖布拉格光柵是對光纖芯中折射率的周期性調制。包含調制的區域，其長度通常限制在厘米或更小，當被寬帶光源（通常集中在1300或1550nm左右）照明時，其充當選擇性濾光片，除了窄帶之外，其它所有波段都能通過。窄帶被反射，中心波長Bragg波長由調制周期決定。由于在調制區域軸向拉伸光纖會影響周期性，因此當Bragg波長隨所施加的軸向應變線性移動時，光纖光柵自然適合于應變傳感。通過用寬帶光源照亮傳感器光纖，我們可以處理多個光柵，每個光柵的調制周期略有不同，因此可以執行準同步 在一根光纖上使用多個點傳感器的分布式應變傳感。

傳感器功能

傳感器里配備有永久內存能力，以便于進行以下分析：

● 信號平均值計算；

● 信號標準偏差計算；

● 信號峰值探測；

● 平均零點交叉期探測；

● rainflow方法分析/FFT信號。

應力監測系統優點

● 更現代和方便的顯示、策略顯示、運行高級分析的可能性；

● 早期預警避免不可恢復的結構性損傷，盡量減少船舶價值的貶值；

● 降低船只的維修和維護費用，以更好的質量提高租船費率；

● 提高船只的日程和優化航行日期；

● 降低在船只全生命周期的保險費用；

● 為操船公司的安全運營提供技術支持，船舶調度與調度的改進航次優化。

PU項目4艘LNG運輸船的船舶應力監測系統旨在防止超過設計應力。它可以監控船舶裝載、卸載或航行時的所有靜態和動態力，保持實時、連續和持久記錄船體結構的受力情況，有助于確定運輸船的操作限制，警告操船人員應力正接近設計許可的最大值，需及時對船舶的操縱或裝卸進行調整，使操作人員能更安全的操作船只，并且對船舶的控制、航行、操縱和船體反應等信息進行記錄，以便日后進行海事分析。