基于光纖傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

韓旭亮, 王世圣, 謝文會(huì), 呼文佳

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

南海環(huán)境條件惡劣，臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，同時(shí)伴隨強(qiáng)內(nèi)波流，環(huán)境條件對(duì)海洋平臺(tái)破壞力強(qiáng)。海上平臺(tái)長(zhǎng)期服役，由于變載荷引起的結(jié)構(gòu)疲勞進(jìn)而引起裂紋損傷、海水腐蝕使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凹陷等，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、承載能力以及工作壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。平臺(tái)結(jié)構(gòu)一旦失效，后果嚴(yán)重。

中國(guó)南海在役海洋平臺(tái)有十幾座已經(jīng)投入使用幾十年，并超過(guò)其設(shè)計(jì)年限。由于油田開(kāi)采年限及經(jīng)濟(jì)性的需要，一些油田還將延長(zhǎng)平臺(tái)的服役年限。以南海挑戰(zhàn)號(hào)FPS為例，該平臺(tái)1975年在加拿大建造，在1995年完成改造，2007年上半年在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了局部大修，2010年入塢大修。平臺(tái)入塢后發(fā)現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題：平臺(tái)結(jié)構(gòu)、管線腐蝕嚴(yán)重，檢測(cè)到的減薄點(diǎn)最大減薄率達(dá)到70%。平臺(tái)樁腿海水飛濺區(qū)腐蝕嚴(yán)重，局部坑蝕超標(biāo)。系泊系統(tǒng)平臺(tái)鏈腐蝕超標(biāo)；裂紋問(wèn)題突出，水下結(jié)構(gòu)及平臺(tái)主結(jié)構(gòu)存在多處裂紋，需做修復(fù)。2012年針對(duì)另一座在役半潛式鉆井平臺(tái)無(wú)損探傷檢測(cè)，也發(fā)現(xiàn)缺陷多達(dá)37處，其中有3處滲漏。平臺(tái)結(jié)構(gòu)件存在裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，嚴(yán)重威脅平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全[2]。

光纖傳感技術(shù)是利用光纖傳輸光波物理特征參量，通過(guò)光參量變化來(lái)測(cè)量外界信號(hào)變化的技術(shù)。光纖傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，測(cè)量誤差小，不受電磁和電波干擾，具有優(yōu)良的傳感特性，且質(zhì)量輕、直徑小，不受化學(xué)腐蝕，易埋入或表面粘貼安裝，具有較好的應(yīng)用性[3-9]。由于光纖傳感技術(shù)自身的技術(shù)特點(diǎn)，它對(duì)惡劣的工程環(huán)境具有本質(zhì)免疫性，在大型工程安全監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用[10-12]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于石油、化工、油氣管線、鉆井平臺(tái)的安全監(jiān)測(cè)中，例如：美國(guó)的CIDRA和英國(guó)的Smart Fibres公司都將光纖傳感器用于海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，利用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)的健康狀況。然而，目前光纖傳感技術(shù)在海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用多集中于海洋環(huán)境與載荷監(jiān)測(cè)、海洋平臺(tái)原型測(cè)量、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)監(jiān)測(cè)等[13-14]，尚缺乏對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全可靠有效的監(jiān)測(cè)手段和評(píng)估方法。

本課題以張力腿平臺(tái)典型結(jié)構(gòu)型式為研究對(duì)象，開(kāi)展基于光纖傳感技術(shù)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，計(jì)算分析了施加不同載荷作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。探討光纖傳感技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面的適應(yīng)性和可行性，為在役海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全提供技術(shù)支持，提高海上平臺(tái)使用壽命。

1 光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.1 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

針對(duì)張力腿平臺(tái)的受力特點(diǎn)，主要的受力位置在tendon porch的位置。tendon porch受力位置(T1～T8)如圖1所示。T1～T8是張力腿8個(gè)tendon的連接位置，一般情況都會(huì)在這個(gè)位置布置相應(yīng)的傳感器，監(jiān)測(cè)該位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 張力腿平臺(tái)應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置示意

由圖2可以看出，tendon連接位置主要有3種結(jié)構(gòu)型式：

圖2 tendon連接位置結(jié)構(gòu)

1) 單獨(dú)板與板連接的對(duì)接模型。

2) 肋板和艙壁連接的肘板模型。

3) tendon porch支撐結(jié)構(gòu)與肋板、艙壁連接的橫艙壁模型。

選擇第3種典型結(jié)構(gòu)型式作為光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D3所示。

圖3 光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1.2 鋼板參數(shù)及布置方式

光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中采用屈服強(qiáng)度為355 MPa的高強(qiáng)度A級(jí)船用鋼，即，AH36鋼板，其尺寸為1 000 mm×1 000 mm×10 mm，端部做打磨處理。采用角焊形式對(duì)鋼板進(jìn)行焊接，雙面焊，鋼板厚度10 mm，焊趾高10 mm。將鋼板切割、打磨，按照?qǐng)D4所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缃M裝，并以點(diǎn)焊局部固定布置。

圖4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃附映叽?/p>

1.3 光纖傳感器參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)要求，使用多測(cè)點(diǎn)應(yīng)變/應(yīng)力分布式光纖光柵傳感器，如圖5所示。它的主要參數(shù)如表1所示。

圖5 分布式光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)

表1 光纖光柵傳感器主要參數(shù)

由于光纖光柵同時(shí)對(duì)溫度和應(yīng)變敏感，當(dāng)溫度和應(yīng)變同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，僅測(cè)量單個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)變化量，將無(wú)法區(qū)分由溫度和應(yīng)變分別引起的波長(zhǎng)變化。因此，試驗(yàn)還需要使用溫度光纖光柵傳感器對(duì)溫度補(bǔ)償。圖6是溫度光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)。其主要參數(shù)如表2所示。

圖6 溫度光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)

表2 溫度光纖光柵傳感器主要參數(shù)

1.4 光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)試

光纖傳感器的布設(shè)方便靈活。試驗(yàn)中，光纖傳感器與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g使用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼，環(huán)氧樹(shù)脂膠固化后(約需2 h)即可進(jìn)行光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試及數(shù)據(jù)采集。將測(cè)試件上的光纖傳感器與解調(diào)儀(如圖7所示)連接，設(shè)置各項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，調(diào)試確認(rèn)光纖傳感系統(tǒng)可以從測(cè)試件上采集、讀取、存儲(chǔ)應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)于初始誤差及溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。為了避免各測(cè)點(diǎn)間的干擾，光纖傳感解調(diào)儀每個(gè)通道接收20個(gè)左右的傳感器數(shù)據(jù)，具有更好的監(jiān)測(cè)效果。光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集重復(fù)性好，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度高，響應(yīng)速度快，適合大型結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)時(shí)間多測(cè)點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)。

圖7 光纖傳感器解調(diào)儀

1.5 光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

選擇焊接完成的橫艙壁試驗(yàn)?zāi)Ｐ停谥付ㄎ恢么蚰ゲ⑹褂铆h(huán)氧樹(shù)脂膠粘貼應(yīng)變/應(yīng)力光纖傳感器及溫度光纖傳感器。在粘貼應(yīng)變/應(yīng)力光纖傳感器上方的邊緣位置施加載荷，監(jiān)測(cè)由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。使用溫度光纖傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)變/應(yīng)力光纖傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，忽略室溫條件下，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕蠎?yīng)變/應(yīng)力傳感器測(cè)點(diǎn)粘貼部位與溫度光纖傳感器粘貼部位的溫度差異。圖8是結(jié)構(gòu)應(yīng)力光纖監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力光纖監(jiān)測(cè)模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜坎贾闷桨寮皦毫虞d立柱，使用壓力機(jī)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚敳渴┘虞d荷，采用光纖傳感器監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比

設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒉贾霉饫w傳感系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭付ㄎ恢檬┘虞d荷，分別為900、1 800和2 700 kN。使用光纖傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎谳d荷作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行有限元仿真計(jì)算，將光纖監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾褂昧骟w應(yīng)力單元建立的結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析模型。鋼板牌號(hào)為AH36，結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析模型使用的材料參數(shù)如表3所示。固定有限元分析模型底面，在模型頂部施加壓力載荷，分析計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。圖9是有限元分析模型的邊界條件。

表3 AH36鋼材料參數(shù)

圖9 有限元分析模型邊界條件

圖10分別給出了施加壓力載荷為900、1 800、2 700 kN時(shí)，采用有限元方法仿真得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。

a 壓力載荷900 kN

由于2個(gè)光纖光柵處于同一個(gè)溫度場(chǎng)中，兩者發(fā)生相同的溫度效應(yīng)，對(duì)于應(yīng)變傳感器，消除掉溫度變化引起的波長(zhǎng)漂移，就可以得到應(yīng)變單獨(dú)引起的波長(zhǎng)漂移。在同一溫度場(chǎng)中，可使用1個(gè)光纖光柵溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償[15]。

在結(jié)構(gòu)應(yīng)力光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中，使用壓力機(jī)加載完成3組結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。表4～6分別給出了由光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和有限元仿真獲得的不同測(cè)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值。可以看出，結(jié)構(gòu)應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鳒y(cè)點(diǎn)處由光纖監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和有限元仿真獲得數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差在2.17%～4.39%。說(shuō)明在控制監(jiān)測(cè)影響因素的條件下，分布式光纖光柵傳感技術(shù)可以可靠地、高精度監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

表4 施加壓力載荷900 kN的測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表5 施加壓力載荷1 800 kN的測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表6 施加壓力載荷2 700 kN的測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

以張力腿平臺(tái)典型結(jié)構(gòu)型式為研究對(duì)象，采用光纖傳感技術(shù)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和有限元仿真研究，分析了施加不同載荷作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，探討光纖傳感技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方面的適應(yīng)性和可行性。研究結(jié)果表明，分布式光纖光柵傳感技術(shù)能夠可靠監(jiān)測(cè)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，且具有較高精度。這為進(jìn)一步把光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用到海上平臺(tái)結(jié)構(gòu)的裂紋損傷安全監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。