基于FBG的半潛式平臺關鍵節點疲勞響應監測試驗研究*

崔 磊,毛江鴻,金偉良,李立新

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 310058)

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基于FBG的半潛式平臺關鍵節點疲勞響應監測試驗研究*

崔 磊1,2,毛江鴻1*,金偉良1,2,李立新1

(1.浙江大學寧波理工學院,浙江 寧波 315100;2.浙江大學結構工程研究所,杭州 310058)

半潛式平臺在深海服役期間其關鍵部位的疲勞響應監測和超載預警是至關重要的。基于光纖布拉格光柵(FBG)監測原理,對半潛式平臺結構關鍵節點進行了疲勞響應監測試驗研究和疲勞損傷后的極限強度監測試驗研究,通過FBG與應變計監測結果對比,分析了節點應變和位移變化規律,探討了平臺結構節點疲勞響應和疲勞剩余極限強度的監測方法。試驗結果表明,FBG的疲勞響應監測值與應變計的監測值接近,曲線變化趨勢一致,應變變化規律與位移變化規律比較吻合。FBG傳感器能夠監測到結構節點的疲勞響應和疲勞剩余極限強度的變化,可以為半潛式平臺結構的安全評估和運行維護提供參考。

光纖布拉格光柵;疲勞響應;監測試驗;關鍵節點;半潛式平臺結構

隨著我國深海油氣資源開發的快速發展,半潛式平臺即將進入規模生產應用階段。由于疲勞、腐蝕、材料老化等因素的影響,在風、浪、流等環境荷載和作業動荷載的循環作用下,半潛式平臺結構會產生疲勞損傷積累,出現疲勞裂紋,進而引起結構疲勞強度降低,導致平臺發生疲勞破壞。為了預防平臺疲勞破壞事故的發生,確保平臺安全可靠運行,平臺結構的疲勞響應監測研究已顯得非常迫切。

光纖布拉格光柵(FBG)傳感器作為一種新型的傳感器,具有良好的穩定性、可靠性,對電磁波不敏感、尺寸小,適合在高溫、腐蝕性或危險性大的環境中使用,因此在結構的安全監測方面得到了廣泛的應用[1]。FBG傳感器可以用來監測裂紋的擴展,在一定程度上能夠判斷出裂紋頂端所處的位置[2],提供瞬時而又豐富的傳感信息,從而為操作人員提供所需要的早期危險報警和損傷評估,保證結構的安全[3]。金屬封裝FBG應變傳感器具有良好的靈敏性和長期穩定性,是海洋結構長期監測的理想器件[4],適合在海洋工程環境中長期實時監測。美國海軍對光纖光柵傳感技術非常重視,已經開發了用于各種結構多點應力測量傳感技術,對一艘現役排雷船安裝了100多個FBG傳感器,應用解調儀對船體進行靜、動態監測,測試FBG傳感器的性能[5]。歐進萍等[6]在海洋環境荷載實時監測的基礎上,提出了海洋平臺結構實時安全評估的方法,采用Delphi開發出了海洋平臺結構實時安全監測系統。金偉良等[7-9]分析了分布式光纖傳感技術及其在海底管道健康監測中的應用情況和面臨的問題,研究了分布式光纖傳感技術在海底管道健康監測中的應用。Sun等[10]進行了海洋平臺模型的振動試驗研究,用FBG傳感器監測了海洋平臺模型的動態響應,分析結果得出FBG傳感器優于應變計,可以滿足動態應變測量的要求。Sans等[11]將FBG傳感器應用于碳增強復合材料的監測,分析了影響裂紋擴展監測的Paris公式材料常數和能量閾值,得出光學監測方法可以準確預測Paris公式中的指數,但能量閾值取決于測量裂紋增長。基于頻譜互相關分析,Bao等[12]研究了應用FBG傳感器實時監測疲勞裂紋萌生和擴展,提出的頻譜互相關分析和疲勞損傷裂紋的實時監測方法。Philipp等[13]對浮式海洋能量轉換器系泊纜的疲勞損傷進行了現場測量和預測,提出了優化系泊設計和評估其疲勞損傷的方法。基于裂紋可以誘導異常磁信號,Dong等[14]研究了鐵磁材料的疲勞裂紋擴展監測,分析了該方法預測鐵磁材料疲勞裂紋擴展壽命的可能性。而對于深水半潛式平臺結構的疲勞響應監測以及疲勞損傷后超載預警這一研究領域,國內外相關的研究不多。

基于FBG監測原理,本文針對深水半潛式平臺結構關鍵節點制作了試驗模型,進行了平臺關鍵節點疲勞響應監測和疲勞損傷后極限強度監測試驗研究,對比分析了FBG傳感器與應變計傳感器的監測結果。

1 FBG監測原理

FBG是基于一種反射原理成功應用于傳感技術上的,即當一束廣譜光被傳播到光纖光柵的時候,光折射率被改變以后的每一小段光纖就會反射一種特定波長的光波,而其他波長的光波都會被傳播,特定光波的波長滿足Bragg定理[15]

λb=2neffΛ

(1)

式中,λb為初始的反射波長;neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期。

將FBG應變傳感器粘貼或焊接在平臺結構上,結構測點處的軸向應變通過粘貼或焊接傳遞到光纖上,應變的改變會影響光纖光柵有效的光折射率neff以及光柵周期Λ,從而改變了光柵反射光波波長。FBG傳感器反射波長隨應變的變化可以用下式表示[16]

(2)

式中,Δλb為反射波長的變化;P11、P12為應變光學靈敏系數;μ為泊松比;ε為光柵所受到軸向應變。

Δλb/λb=(1-pe)ε

(3)

式中,pe為光纖Bragg光柵的有效彈光系數;通常纖芯的折射率neff=1.456[17],光纖的泊松比μ=0.17,彈性系數P11=0.121、P12=0.270。令Kε=1-pe,則

Δλb/Δλb=Kεε

(4)

式中,Kε為光纖光柵軸向應變靈敏度,典型中心波長的光纖光柵應變靈敏度為:λb=1 300 nm時為1 pm/με,λb=1 550 nm時為1.2 pm/με。

FBG傳感器能夠根據結構應變的變化來改變其反射光波的波長,從而實現對結構的動態監測。

2 平臺關鍵節點的疲勞監測試驗

2.1 試驗材料及試件

試驗材料采用高強度海洋平臺用鋼板E36,其化學成分和力學性能如表1和表2所示,材料的彈性模量和泊松比滿足設計要求。鋼板厚度分別為:加勁板30 mm(試驗試件中稱為基材或母板)、肋板20 mm、肘板12 mm。

表1 試驗鋼材化學成分

表2 鋼材力學性能

試驗采用二氧化碳氣體保護焊,選用與試驗鋼材相匹配的焊接材料(焊條牌號為J506RH)進行焊接,其化學成分以及焊接后熔敷金屬力學性能如表3和表4所示。

表3 焊接材料的化學成分

表4 熔敷金屬力學性能

根據半潛式平臺橫撐內肘板支撐的細部構造,如圖1所示,設計制作了疲勞監測試驗試件,如圖2所示,具體尺寸為:母板尺寸為500 mm×80 mm×30 mm,肘板尺寸為(100 mm+180 mm)×100 mm×12 mm;焊趾高10 mm,焊踵圓拱半徑20 mm。

圖1 半潛式平臺橫撐內的肘板支撐細部

圖2 試件尺寸

2.2 試驗裝置及加載

試驗采用Instron 8805液壓伺服疲勞試驗系統進行加載,加載頻率設定為4 Hz,加載波形為正弦波。為了能夠更好反映出疲勞監測的效果和結果的準確性,疲勞監測試驗的加載分為3個階段,各試件的加載參數如表5所示。采用imc動態數據采集儀采集焊趾處應變計的應變數據,采集頻率為100 Hz,可以采集到每個循環的應變變化。采用寧波杉工生產的表面式GFRP封裝光纖光柵應變傳感器進行監測,應用SM130-700光纖光柵傳感解調儀進行監測。

FBG傳感器布設前,先將節點焊趾處焊接殘渣、咬邊進行打磨處理,以便傳感器和應變計的布設。FBG傳感器的布設主要有點焊法和粘鋼膠粘結法兩種方法,由于在點焊過程中容易產生殘余應力,再加上FBG傳感器接頭金屬材料和鋼材焊接融合性差,疲勞試驗時FBG傳感器與試件的點焊連接處極易發生疲勞破壞,從而導致FBG傳感器失效。粘鋼膠具有粘接力剪切力強、耐老化、耐疲勞、耐腐蝕,目前常用于鋼板加固、建筑材料的自粘和互粘,在疲勞試驗研究中也已有應用,能夠滿足試驗要求,因此,試驗采用粘鋼膠粘結法,將FBG傳感器兩端金屬粘結在試件焊趾部位,如圖3所示。FBG傳感器的中點與焊趾對中,在傳感器中部和焊趾處布設應變計,用于對比分析FBG與應變計的試驗監測結果。

表5 疲勞監測試驗加載參數

圖3 FBG傳感器的布設

由于應變計的測量標距與FBG傳感器的監測標距不同,為了保證監測點的一致性,布設時將應變計中點與FBG傳感器中點對中,粘接點軸向布設在焊趾的兩側,其布設具體位置如圖4所示。

圖4 FBG傳感器與應變計的布設位置

為了在試件的焊趾及焊接區域獲得幅值穩定的純彎曲應力,試驗采用四點彎曲加載方法,加載示意圖如圖5所示。試件正式加載前,先進行預加載,預加載的目的是為了檢測試件各部分是否接觸良好,試驗儀器是否正常工作,試驗試件是否對中等。預加載時荷載值需嚴格控制,必須在試件彎曲極限荷載計算值的50%以內,確保試件變形在彈性范圍內。檢查整個試驗工作正常后卸載至零,然后進行疲勞監測試驗加載,如圖6所示。

圖5 疲勞加載試驗的示意圖

圖6 疲勞監測試驗

疲勞循環加載完畢后卸載至零,最后進行疲勞循環加載后的極限強度監測試驗,采用位移控制進行加載,加載速度為0.1 mm/min,為了防止FBG傳感器被破壞,試件過屈服點后停止加載。

3 試驗結果分析

3.1 疲勞響應監測試驗結果分析

疲勞響應監測試驗結束后,對FBG傳感器和應變計監測到的數據進行整理和分析。通過編程提取監測數據中每個循環的應變最大值和最小值,將FBG和應變計監測數據中各循環的應變最大值和最小值與疲勞循環次數對應起來,進行對比分析。

試件FMT1三個階段的加載幅值分別為50 kN、45 kN和40 kN,每個階段疲勞循環加載次數為30 000次,共90 000次。疲勞試驗機的荷載位移傳感器可以采集到疲勞過程中試件的位移與疲勞循環次數,從而可以得到疲勞試驗過程中試件的位移與疲勞循環次數的關系曲線。

圖7 FMT1 d-N關系曲線

從圖7FMT1位移-疲勞循環次數(d-N)關系曲線中可以看出,第1階段的位移幅值大于第2階段,第2階段的位移幅值大于第3階段,即位移幅值隨著加載幅值的逐階減小而減小。由于疲勞循環荷載最小值逐階增大,因此疲勞循環次數在30 000次和60 000次所對應的最小位移曲線上有明顯的增大臺階。因為疲勞循環荷載的最大值沒變,所以位移最大值的曲線上沒有變化臺階,最大位移隨著疲勞循環次數的增加逐漸增大。

圖8給出了試件FMT1焊趾處應變計監測值與FBG監測值的應變-疲勞循環次數(ε-N)關系曲線對比,從圖中可以看出,兩者非常接近且變化趨勢一致。第1階段的應變幅值大于第2階段,第2階段的應變幅值大于第3階段,即應變幅值隨著加載幅值的逐階減小而減小;由于疲勞循環荷載最小值逐階增大,因此,疲勞循環次數在30 000次和60 000次所對應的最小應變曲線上有明顯的增大臺階。因為疲勞循環荷載的最大值沒變,所以應變最大值的曲線上沒有變化臺階,最大應變隨著疲勞循環次數的增加逐漸增大,應變變化規律與位移變化規律一致。

圖8 FMT1焊趾處FBG與應變計監測值的對比曲線

試件FMT2三個階段的加載幅值分別為40 kN、45 kN和50 kN,每個階段的疲勞循環加載次數為30 000次,共90 000次。

從圖9中FMT2d-N關系曲線可以看出,第1階段的位移幅值小于第2階段,第2階段的位移幅值小于第3階段,即位移幅值隨著加載幅值的逐階增大而增大。由于疲勞循環荷載的最小值逐階減小,因此疲勞循環次數在30 000次和60 000次所對應的最小位移曲線上有明顯的減小臺階。在從低到高的變幅疲勞循環荷載作用下,第3階段出現裂紋擴展加速現象,如圖9中圓圈內所示,由此可以推測試驗的FBG監測值和應變計實測值也應該有相似變化規律。

圖9 FMT2 d-N關系曲線

圖10給出了試件FMT2焊趾處應變計監測值與FBG監測值的ε-N關系曲線對比,從圖中可以看出,兩者非常接近且變化趨勢一致。第1階段的應變幅值小于第2階段,第2階段的應變幅值小于第3階段,即應變幅值隨著加載幅值的逐階增大而增大;由于疲勞循環荷載最小值逐階減小,因此,疲勞循環次數在30 000次和60 000次所對應的最小應變曲線上有明顯的減小臺階;在第3階段也出現了應變加速增大現象,應變變化規律與位移變化規律一致。

圖10 FMT2焊趾處FBG與應變計監測值的對比曲線

試件FMT3三個階段的加載幅值和疲勞循環加載次數不變,分別為50 kN和30 000次,共90 000次。

從圖11中FMT3d-N關系曲線可以看出,3個階段的位移幅值隨著疲勞循環次數的增加略有增大,沒有明顯增大或減小臺階,曲線上最大位移和最小位移隨著疲勞循環次數逐漸增大。

圖12給出了試件FMT3焊趾處應變計監測值與FBG監測值的ε-N關系曲線對比,從圖中可以看出,兩者的變化趨勢一致。3個階段的應變幅值隨著疲勞循環次數的增加變化不大,最大應變和最小應變隨著疲勞循環次數的增加略有增大,曲線上沒有明顯增大或減小臺階,應變變化規律與位移變化規律一致。

圖11 FMT2 d-N關系曲線

圖12 FMT2焊趾處FBG與應變計監測值的對比曲線

3.2 疲勞剩余極限強度監測試驗結果分析

疲勞循環加載完畢后卸載至零,然后進行疲勞損傷后的剩余極限強度監測試驗,表6給出了疲勞剩余極限強度監測試驗結果,從試驗結果中可以看出后屈服極限強度FBG監測值與應變計監測值比較接近,說明可以用FBG傳感器監測平臺結構關鍵節點的極限強度。由于FBG傳感器的監測標距略大于應變計的測量標距,因此,其監測值略小于應變計的監測值。

表6 疲勞剩余極限強度監測試驗結果

圖13至圖15分別給出了FMT1、FMT2和FMT3疲勞損傷后的剩余極限強度FBG監測值與應變計監測值的應力-應變(σ-ε)對比曲線,從圖中可以看出,FBG監測值略小于應變計監測值,但兩者較為接近。疲勞循環加載結束后卸載至零,FBG傳感器監測到的殘余應變小于應變計實測的殘余應變,因此,圖中應變監測曲線的起點在應變計應變監測曲線的起點之前。

從上述疲勞響應監測試驗和疲勞損傷后剩余極限強度監測試驗中可以看出:FBG監測值與應變計監測值非常接近,且曲線變化規律一致,說明FBG傳感器能夠監測到結構節點的疲勞響應以及疲勞損傷后剩余極限強度的變化,從而可以為平臺結構的安全評估和運行維護提供參考。

圖13 FMT1疲勞剩余極限強度監測值對比曲線

圖14 FMT2疲勞剩余極限強度監測值對比曲線

圖15 FMT3疲勞剩余極限強度監測值對比曲線

4 總結與展望

本文基于FBG監測原理,研究了半潛式平臺關鍵節點疲勞響應以及疲勞損傷后剩余極限強度的監測方法,得到如下結論:①疲勞響應監測試驗研究得到焊趾處的FBG監測值與應變計監測值非常接近,曲線變化趨勢一致,應變變化規律與位移變化規律比較吻合,可以采用FBG傳感器進行平臺關鍵節點的疲勞響應監測。②疲勞剩極限強度試驗得出FBG能夠監測到平臺關鍵節點疲勞損傷后剩余極限強度,監測結果與應變計監測結果相接近,可以反映出關鍵節點疲勞損傷后剩余極限強度的變化規律。③FBG傳感器可以監測到平臺關鍵節點的疲勞和荷載變化,能夠反映出結構受力變化的趨勢。較為準確記錄關鍵節點破壞前的受力變化規律,從而可以為平臺結構的安全評估和運行維護提供參考。

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崔磊(1982-),男,博士,講師,主要研究方向結構疲勞損傷識別及其在工程結構中的應用,lcui@zju.edu.cn;

毛江鴻(1985-),男,博士,講師,主要研究方向為分布式光纖傳感技術在結構健康監測中的應用,jhmao@nit.zju.edu.cn;

金偉良(1961-),男,教授,博士生導師,浙江大學寧波理工學院院長,學術方向為結構可靠度及耐久性;

李立新(1967-),男,博士,主要研究方向為工程結構風險及安全性評估,lilixin@nit.zju.edu.cn。

AStudyofFatigueResponseontheKeyJointofSemi-SubmersiblePlatformUsingFiberBraggGrating*

CUILei1,2,MAOJianghong1*,JINWeiliang1,2,LILixin1

(1.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo Zhejiang 315100,China;2.Institute of Structural Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

Fatigue response monitoring and overload warning on the key joints of semi-submersible platform are crucial during service in deepwater. Based on the monitoring principle of fiber Bragg grating(FBG),fatigue response monitoring test and residual ultimate strength monitoring test after fatigue damage on key joints of semi-submersible platform structures were investigated. Changing laws of strain and displacement were analyzed by comparing the measuring results of FBG and strain gauge. Monitoring methods of fatigue response and fatigue residual ultimate strength on key joints of semi-submersible platform structures were discussed. The test results show that the monitoring values obtained from FBG and strain gauge are very close to each other. The curve trend gained from the monitoring values of FBG is consistent with the strain gauge,and the changing laws of strains agree with the changing laws of displacements. The changes of fatigue response and fatigue residual ultimate strength of the structural joints can be monitored by FBG sensors,which can act as a reference for the safety assessment and operating maintenance of the semi-submersible platform structures.

fiber Bragg grating;fatigue response;monitoring test;key joint;semi-submersible platform structures

項目來源:國家自然科學基金(51408544);浙江省自然科學基金(LQ14E090002);寧波市自然科學基金(2014A610170);寧波市科技創新團隊(2011B81005)

2014-08-01修改日期:2014-10-08

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.025

TN29;TU317

:A

:1004-1699(2014)11-1578-07