甲板埋入式壓力場撓度測量系統

孫小濰

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

甲板撓度測量是應用于下水駁船以及半潛船等工程船上的重要監測系統，用于監測甲板裝載大型海工設備過程中主甲板的彎曲和縱向變形程度，判斷甲板和船體受力的變形量是否處于安全設計范圍內，保證船和裝載物的安全，撓度測量值是評價此類工程船安全性的重要指標之一。本文結合目前一艘在建下水駁的特點，根據連通管測量原理，采用一種新型埋入式壓力場甲板撓度測量系統，在保證精度的情況下，擴大甲板上的監測范圍，有效解決了傳統系統存在的連通立管與甲板平整無障礙要求的矛盾，為類似項目提供可行參考。

下水駁是一種功能類似于浮船塢的平臺下水和轉移裝置，主要用于將大型海洋工程裝備（如鉆井平臺）從碼頭陸地轉移到水里，同時也可承擔平臺載運和維修工作。工作地點在船廠碼頭附近，無推進裝置或其他操縱方法，主船體為箱型結構，分別在甲板4角設置浮箱為下潛作業提供浮力。圖1為下水駁三維效果圖。

圖1 下水駁效果圖

平臺或船下水時，通過數十個平板移貨小車托舉平臺或船從碼頭陸地逐漸移到下水駁甲板上。隨著裝置的移動，下水駁的吃水、船體受力都在逐漸變化。在這個過程中，船員需要通過船上監測裝置反饋的船舶姿態情況來控制各壓載艙的閥門和泵動作，控制壓載艙的進排水情況，使得下水駁的吃水和傾斜度在規定范圍內，并密切注意甲板撓度變形情況，保證下水駁和上面平臺的安全。

1 方案比選

常規的撓度測量方法主要有千分表法、水準儀法、全球定位系統（GPS）法、激光法和半封閉連通管法等。這幾種方法在測量精度、適用環境、數據采集等方面差別很大。

1）千分表測量法。安裝方便，測量精度高，對環境要求不高，測量結果直接可靠，但靈敏度相對較低，使用時需要在主甲板上架設支架且需要工作人員在現場實時記錄[1]；而下水駁在實際操作中，需要主甲板無遮擋且需要遠程自動測量和記錄。因此，這種方法并不適合。

2）水準儀法。不需要搭設支架，使用時將水準儀安置在測量對象的參考點上，然后將水準塔尺安置在待測點，通過光的直線原理測試撓度[2]。該法使用簡單方便、精度較高，但需要現場觀測環境較好，測量速度較慢，并需要有經驗的技術人員現場操作，無法實現數據實時性和自動化的需求。

3）GPS法。利用衛星定位待測點，直接讀出測點坐標，測量方便、快速，其精度在水平方向可以達到毫米級，但其垂直方向觀測精度只能達到厘米級[3]。下水駁甲板變形主要為垂直于主甲板的方向，因此，該法并不適合。

4）激光標靶法。精度較高，但現場需要固定靶位和標尺，下水駁在開敞甲板環境下無法實現，且在大霧和沙塵天氣下的精度大幅下降[4]，對測量人員業務水平也有一定要求；數據的實時性和自動測量功能不能實現，且對環境要求較高。考慮此項目處于中東地區，沙塵天氣較多，因此該方法不適合。

5）連通管法。操作簡單，對環境適應性較好，響應速度快，其形式可根據實際船型進行多種設計；測量數據雖是靜態結果，但在下水過程緩慢可控的情況下，其監測值可以作為參考，并且可連接船上自動化控制系統，實現數據自動采集。常規的浮船塢常常采用此方式。

經過研究分析，根據下水駁特點，船舶采用改進的埋入式連通管方法進行撓度測量。

2 系統方案

傳統立管式連通管測量系統需要在主甲板兩側沿縱向方向設置若干約2 m高的立管，下部通過連通管連接。立管上端部設有透氣管并保證立管內存在一定高度的液體。連通管固定在主甲板上，當主甲板發生變形時，此變形將傳遞到各個立管上，立管隨即產生上下位移；基于連通管原理，管內最高液位保持一致，而立管內的最高液位到傳感器的高度差發生變化，導致測量點處的壓力差發生變化，通過采集變形前后的壓力差信號，便可以得到甲板的撓度變形[5]。如圖2所示。

對于下水駁而言，主甲板面是1個通暢、開敞的方形甲板，4個角上各有1個浮箱，沒有兩側的塢墻，中間的立管沒有地方支撐和固定。根據下水駁作業流程，待下水的平臺通過移貨平板車，從碼頭平穩處移到下水駁上，該操作過程要求主甲板沒有任何凸起或阻擋，因此主甲板面上不能布置立管和連通管，傳統的兩側塢墻立管連通法不適合本下水駁。

圖2 主甲板上撓度測量示意圖（單位：mm）

另一種連通管方案為：取消立管，將水平連通管布置到主甲板下方，連通管的兩端連接高置水箱和透氣管，保證管內存在液位和壓力，如圖3所示。

圖3 主甲板下過道內撓度測量示意圖

傳感器固定在下方船體內部的走道側壁空間上，并通過細管連接至上方水平連通管，連通管固定于主甲板下方的梁上。當船體發生變形時，傳感器的位置隨即發生改變，而最高液面位置不變，各傳感器到最高液位的高度差不同，間接反應出船體變形的情況。此種方式測量的主要缺點是：測量值反應的是主甲板下方側壁上的變形量，而主甲板的變形通過甲板下的梁和縱壁傳遞到下方，大部分已被結構形式所吸收或分散，加上考慮到船舶搖擺和溫度對傳感器數據的影響，實際的偏差值已經不能反映真實情況，因此也不適用。

綜上所述，通過研究和討論，選用埋入式連通管方案，如圖4所示。

圖4 主甲板埋入式撓度測量示意圖

此方案在主甲板上需要的測量位置上開孔，將傳感器裝入安裝腔內，安裝腔固定在主甲板下方，并用埋入式艙口蓋密封，防止水和灰塵進入；空腔內的傳感器連接在1個三通閥塊上，并連接連通管將主甲板上的所有傳感器連接起來，信號通過電纜傳遞到外部的接線盒，并通過信號采集箱進行收集，進而傳輸到壓載控制臺或中央控制系統。系統的高置水箱和透氣管安放在4個角上不影響裝載工作的地方，用于提供穩定的壓力，并排出管內空氣。

由于下水駁的結構不同于傳統的浮船塢，長寬比很小，裝載的設備也不是常規船，而是鉆井平臺之類長寬比較大的設備，因此，在結構同一截面，左右舷與船中和艏艉與船中的撓度不一樣，不可簡化為梁來考慮。整個甲板面上的撓度不僅分布在橫向或縱向，還需根據上面裝載的設備不同和受力點不同來考慮分布變化，總體來看是一個復雜的曲面變化，而不是常規的直線彎曲梁。根據此情況，在主甲板上橫向方向上布置3排傳感器，縱向每排設5個檢測點，共15個傳感器，形成壓力監測場，用于檢測不同部位的變形，如圖5所示。

圖5 甲板傳感器布置圖

3 測量原理

撓度監測系統主要由壓電式傳感器、連接閥塊、傳感器安裝腔體、連通管、水箱、透氣管、邏輯控制器、觸摸屏、計算機和處理軟件等組成。數據的采集與存儲由邏輯控制器完成，通過通信網絡傳輸到中央控制站。高置水箱設置在浮塔內較高位置并做成橫截面積遠大于連通管的形狀，保證在主甲板變形時水箱內水位基本不變，為整個系統提供較為穩定的壓力參考值。當甲板發生縱向變形時，甲板上的埋入式安裝腔位置發生變化，傳感器到水箱液面的高度差隨之變化，內部的壓電式傳感器將測得的壓力變化值轉化為液位變化，進而反應船體變形量。

根據船體變形特性，簡化分析單排撓度測量原理，見圖6。

圖6 撓度計算示意圖

在3排共15個測量點上布置相同的液位傳感器，初始狀態下15個傳感器測量甲板偏離基準數據值為矩陣H：

當甲板面發生變形時，各個測量點傳感器輸出數據變化，數據值矩陣變為H'：

各測量點的撓度數據為：

式中：i＝1, 2, 3；j＝1, 2, 3, 4, 5。

以上為船體平穩的理想狀態，在平臺移動到下水駁的過程中，船體會有傾斜情況，左舷和右舷的吃水會有輕微變化，以第一排傳感器布置示意圖為例，如圖7所示。

圖7 船體傾斜撓度計算示意圖

由于甲板傾斜，實際傳感器的位置為直線 1"-2"-3"-4"-5"，測量得到的數據矩陣為：

其液位絕對高度實際上包含了傾斜情況下的甲板偏差值，實際的撓度值需要修正，應由測量值H''減去各個位置根據吃水傾角轉換的縱向偏離值。

式中：α為根據吃水測算出的傾斜角度，(°)。

根據以上數據矩陣內計算得出最大的值即為甲板最大變形量。對于下水駁而言，當船的尺度和結構確定以后，進而確定該船的最大撓度。按照ANSYS軟件計算分析，裝船時的最大變形值為-57.53 mm，位置出現在甲板中心附近；而裝載平臺時的最大變形值為-81.45 mm，位置在樁腿凹坑附近。根據這個極限指標，設定當測量的最大值超過極限值60%時開始預警，當超過90%極限撓度值時，系統發出警報。

4 結論

撓度測量作為一種在特殊工程船上采用的系統，其應用還未十分廣泛，相關研究也不多，目前主要采用簡化的靜態測量方法。在下水駁工作過程中，裝載物在下水駁上的重量分布是一個變化值，甲板受力位置也隨著裝置移動，尤其對于裝載平臺這種重量分布不規則的裝置，甲板的變形是一個連續的變載荷動態特性，如何在變化過程中準確反饋各處甲板的實際變形，需要結合結構特性進一步研究和實踐，目前還未有成熟的應用方案。

此外，對于連通管法，由于連通管呈水平布置，長度較長，管徑較小，管內存在的氣泡會影響液體的振動頻率，對傳感器的精度值也會產生影響。同時，在較長的甲板變形測量過程中，管內液體會存在微小的流動，在此過程中會產生延程損失和局部阻力損失；在極端情況下，局部阻礙處會出現液體的離散和碰撞現象。這些都會引起傳感器前端壓強值，對數據精度產生影響。未來，在提高測量系統的精度和消除液體動態影響方面還需要進行進一步的研究和試驗。