基于可靠性理論的井架承載能力評定系統

安子良，肖立中，孔令超

（上海應用技術學院機械工程學院，上海201400） ①

·開發應用·

基于可靠性理論的井架承載能力評定系統

安子良，肖立中，孔令超

（上海應用技術學院機械工程學院，上海201400）①

基于可靠性理論的一次二階矩極限狀態設計方法，采用分布式光纖光柵傳感器網絡測量井架多點應力和位移數據，由根據JC法編制的Matlab程序計算井架承載能力。試驗數據和計算結果均寫入Access后臺數據庫，自動生成Word格式的評定報告。通過ADO、VBA和MatrixVB組件技術，實現了VB、Access、Word與Matlab軟件的混合編程，構成了基于井架承載能力檢測技術的評估系統。

井架；可靠性；評定

由于井架的空間桁架結構復雜和多樣化的特性，目前還無法定量計算其承載能力。通常采用靜載試驗測量在役石油井架的應力、位移及結構動態特征數據，通過強度與穩定性、剛度、可靠性等理論評定井架的承載能力和安全性［1－9］。可靠性理論在土木、建筑和水利已建結構的損傷評估、模式識別和可靠性評價方面有著非常廣泛與成功的應用。目前國家和國際標準都采用可靠性指標β來度量石油井架的安全性，因此，定量分析井架的可靠性指標β能較好地反映出井架的承載能力。在井架現場承載試驗中常用的電阻應變片法易受貼片方法、應變儀零漂和電磁干擾等影響，而且現場大量的連接導線增加了海洋石油井架高空作業的難度和危險系數。因此，研發一種適合于海洋石油井架靜態應力測量的現場操作方法，并應用大量的現場測試數據來對井架承載能力進行評估顯得尤為重要和迫切。

本文采用分布式光纖光柵傳感器網絡檢測海洋石油鉆井井架靜態應力，極大提高了數據的數量與精度，同時也減少了導線數量且便于現場安裝和調試［10－11］。計算機測量系統采用Modbus RTU通訊協議讀取光纖光柵解調儀各個通道中的應力與位移數據，采用JC法編制的Matlab程序處理測試數據并計算井架的可靠性指標β。現場數據與計算結果存儲在Access后臺數據庫中，并自動生成Word格式的井架承載能力評定報告。本文的井架承載能力評定系統實現了試驗數據采集、存儲、分析與形成報告完全由計算機完成，減少了試驗過程和評估報告中的人為干預和失誤。

1 可靠性相關理論

GB 50153—1992《工程結構可靠度設計統一標準》和GB 50068—2001《建筑結構可靠度設計統一標準》所采用的近似概率設計法簡化了基本變量隨時間的變化，將復雜的非線性極限狀態方程線性化，對工程結構、構件或截面設計的“可靠概率”做出近似估算［12－13］。對在役井架結構進行可靠性評定時，僅以大鉤載荷為特定計量工況，按極限狀態法的SR干涉模型計算井架結構的可靠性指標β。井架工作載荷引起的效應S和井架構件抗力R均服從正態分布，其極限狀態方程為

可靠度指標β表示為

式中，μR、σR為材料抗力R的均值與標準偏差；μS、σS為應力S的均值與標準偏差。

只要知道材料強度和應力分布的均值和標準差，由式（1）可計算出井架的失效概率及可靠度。

由于失效概率很難通過數值積分方法求解，因此工程中引入了可靠性指標β的概念，應用概率論和數理統計的方法獲得工程結構的可靠度。目前在可靠度評定的工程應用中，國際標準《結構可靠性總原則》以及國家相關標準都推薦以概率理論為基礎的一次二階矩極限狀態設計方法。實踐證明：在眾多的一次二階矩法計算模型中，JC法原理簡便、利用迭代求解計算收斂快，因此將JC法作為求解井架可靠性指標β的方法。

2 井架應力采集

2.1 應力數據采集系統

用于石油井架應力檢測的分布式光纖光柵傳感器網絡系統由隔離器、耦合器、光纖光柵應變傳感器、光纖光柵溫度傳感器、單模傳輸光纜、光纖光柵解調儀、RS485通訊模塊與工控機組成，如圖1。計算機數據采集硬件系統由工控機通過ADAM4520與光纖光柵解調儀串口相連構成RS－485總線通訊系統［14－15］，采用8字節的Modbus RTU通訊協議讀取光纖光柵解調儀中6個通道100個測試點的應力數據。通過ADO控件、MatrixVB組件和VBA技術，將VB、Access、Word和Matlab等編程軟件各自的優勢融入到用戶應用程序中，用戶軟件主要包括數據自動采集、存儲及實時曲線顯示、試驗數據的后處理，還包括井架承載能力可靠性評定與歷史數據查詢。

2.2 現場應力數據的計算機讀取及存儲

在串口數據通訊系統中，工控機作為主機將光纖光柵解調儀地址設置為02，波特率為9 600bps，數據位為8位，無奇偶校驗位，1位停止位。為了保持和光纖光柵解調儀通訊參數的一致，將MSComm控件的Settings屬性設置為“9 600，n，8，1”。為了提高數據傳輸效率和安全性，選用了高效簡潔的Modbus RTU通訊規約，需要將MSComm控件的InputMode屬性設置為二進制模式。當光纖光柵解調儀通過串口返回數據時，將觸發MSComm控件的OnComm事件在ComEvReceive中調用Input屬性讀取緩沖區中的數據。由于采用VB6.0作為編程軟件，因此選擇了與VB兼容性良好且具有嚴格數學概念的Microsoft Access 2003關系型數據庫，現場測試數據和歷史數據都保存在數據庫中。采用人工代碼獲得ADO數據對象的控制句柄，通過調用Connection與Recordset對象的屬性、方法來完成VB與Access數據庫的連接與操作，調用Recordset對象的AddNew和Update方法向已經打開的數據表追加數據記錄。由于數據采集程序與存儲程序的相關實例或論述非常詳盡，本文不再贅述，僅給出具體的編程思路［16－17］。

圖1 分布式光纖光柵傳感器網絡井架應力數據采集系統

3 可靠性評價系統的實現

3.1 JC法計算井架可靠性指標

采用JC法迭代求解井架構件截面的可靠度指標β和驗算點值，收斂準則為驗算點收斂。在VB中使用MatrixVB數學工具包可降低開發人員實現井架載荷與可靠性算法編程難度，程序代碼安全、簡潔且用戶界面友好。由于Matlab程序只處理矩陣格式的數據，因此需將數據庫中的實驗數據表轉換為文本文件，由CreateMatrix函數將其轉換為矩陣格式后才能進行計算。井架承載能力可靠性分析結果由VB用戶程序寫入到該井架歷史檔案數據中，以便查詢和對比歷史曲線和數據［18－19］。

給出的JC法函數的計算程序為

3.2 自動生成Word格式井架承載能力報告

Visual Basic for Applications（簡稱VBA）是基于Visual Basic發展而來的新一代標準宏語言，提供了面向對象的程序設計方法，通過VBA程序代碼可實現Office家族各應用程序的自動化操作［20－21］。本文利用OLE和VBA技術自動創建一個Word文檔，將井架應力計算結果和可靠性結果插入Word文本和表格中，從而減少了實驗人員的工作量和形成報告時的人為失誤。在VB工具欄中引用“Microsoft word 11.0object library”對象庫，通過對Application、Document、Pagesetup、Paragraph和FontTable對象屬性和方法的調用，來規范報告的文檔、段落和表格的文本格式和布局。部分程序：

4 結論

1） 通過對傳感器、信號傳輸方式、數據存儲與處理等方面的改進，形成了1套完整的且適用現場操作的石油井架承載能力安全檢測技術和評估系統軟件。

2） 利用ModBus RTU通訊協議和MSComm通信控件，自動采集井架靜態載荷試驗數據，通過ADO、VBA和MatrixVB組件技術，實現了VB、Access、Word與Matlab軟件的混合編程。井架應力試驗數據的采集、存儲、分析、報告等工作均由計算機自動完成，既減輕了現場安裝與記錄試驗數據的工作量，又極大減少了試驗過程和評估報告中的人為干預和失誤。

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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

上海市教育委員會重點學科建設項目資助（J51501）

安子良（1972－），男，河北唐山人，講師，博士，主要從事高溫高壓設備結構完整性監測與使用壽命預測研究，E－mail：anziliang123＠163.com