曹文冉 ，于麟川 ，劉振紋 ，徐長海

1.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津 300451 2.中國石油天然氣集團公司海洋工程重點實驗室，天津 300451 3.中國石油管道公司長沙輸油氣分公司，湖南長沙 410013

0 引言

固定式導(dǎo)管架平臺是最主要的海洋平臺形式之一，在其長期作業(yè)期間，環(huán)境腐蝕、海生物附著、材料老化、構(gòu)件缺陷和機械損傷等不利因素都將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和整體抗力的衰減，一旦發(fā)生事故將造成巨大的經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染。為了及時準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)管架平臺的狀態(tài)信息，需要對平臺進行定期可靠的檢測與監(jiān)測[1-2]。

結(jié)構(gòu)靜載變形的檢測手段多種多樣，但海洋平臺所處環(huán)境的特殊性對檢測傳感器和信號采集傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)檢測元件（如電阻應(yīng)變片）存在靈敏度低、穩(wěn)定性差、工作壽命短等缺點，促使光纖光柵逐漸成為當(dāng)前智能材料信息傳感和傳輸?shù)氖走x材料，其測量精度高、穩(wěn)定性好和傳輸距離遠等技術(shù)優(yōu)勢非常適合海洋平臺的健康監(jiān)測。因此對基于光纖光柵傳感技術(shù)的健康監(jiān)測進行研究是一項十分重要的工作[2-7]。

本文基于光纖光柵傳感技術(shù)搭建了導(dǎo)管架平臺變形檢測實驗系統(tǒng)，通過合理布設(shè)測點對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)進行了靜載變形檢測實驗，以期通過樁腿應(yīng)變和上部荷載的變化曲線達到對導(dǎo)管架平臺超載隱患進行安全預(yù)警的目的，旨在為國內(nèi)導(dǎo)管架平臺的變形檢測與長期監(jiān)測研究提供借鑒和參考。

1 光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理及組成

光纖光柵傳感器的工作原理是將待探測光束波長進行調(diào)制，通過波長位移進行檢測。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變或其他物理量發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化。國內(nèi)外的大量研究和實踐表明，結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢測技術(shù)的實質(zhì)性進展即是光纖光柵傳感方式的應(yīng)用[2-6]。

就導(dǎo)管架平臺檢測而言，光纖光柵傳感器相對于傳統(tǒng)傳感器的主要優(yōu)勢在于[3-6]：

（1）可在一根光纖上串聯(lián)很多傳感器，不需要回路，便于集成。

（2）基于高性能、高穩(wěn)定性的波長測量技術(shù)。

（3）傳感器小，成本較低，而且非常容易安裝。

（4）傳感器不需要供電，是無源傳感器，消除了電回聲探測和電火花危險。

（5）抗電磁干擾、抗腐蝕、抗化學(xué)藥品，防水等。

（6）遠程監(jiān)控：傳感器之間或傳感器和測量儀器之間可以相距非常遠，可達幾十千米，甚至上百千米。

因此，光纖光柵傳感器完全能滿足導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)檢測遠距離、高精度、分布式和長期性的技術(shù)要求，從而被廣泛應(yīng)用于對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、蠕變、裂縫、整體性等參數(shù)的實時在線監(jiān)測。鑒于此，本文搭建了光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：配備控制終端和數(shù)據(jù)采集存儲軟件的電腦、網(wǎng)線、光纖光柵傳感解調(diào)儀、光纜、法蘭盤、帶有一定長度尾纖的光纖光柵傳感器。

圖1 光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)示意

1.2 光纖光柵傳感器選擇

按有無封裝區(qū)分，光纖光柵傳感器主要有裸光柵和封裝光柵兩類[4～6]，如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器類型

裸光纖光柵傳感器由于光纖非常纖細，易于安裝在較細的結(jié)構(gòu)桿件上，因此多用于實驗室實驗；但由于其沒有任何保護，容易斷裂，不適合野外施工安裝。

封裝光纖光柵傳感器由于光纖外側(cè)包裹有金屬結(jié)構(gòu)且?guī)в袌詫嵄Ｗo層的尾纖，因此非常適合野外施工安裝。

1.3 光纜選擇

作為光信號的傳播途徑，光纜對于整個光纖光柵傳感系統(tǒng)起到承上啟下的作用，在不同的應(yīng)用場合使用適當(dāng)?shù)墓饫|，既可以做到經(jīng)濟合理，又可以保證使用的安全性與耐久性。

光纜按照封裝形式的不同大體可分為三種[4-7]，如圖3所示。

未加額外保護層的普通黃皮跳線光纜多適合于實驗室等室內(nèi)環(huán)境，不銹鋼鎧裝光纜由于具有強度高、耐沖擊性和耐久性強等特點從而適合于海洋平臺等惡劣環(huán)境，而帶保護套管的光纜則介于兩者之間。

1.4 傳感器安裝與保護

為了使光纖光柵傳感系統(tǒng)能夠真正應(yīng)用于實際工程中，傳感器與光纜的安裝和保護是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本檢測系統(tǒng)所用傳感器的關(guān)鍵安裝步驟見圖4。

圖3 光纜類型

圖4 傳感器安裝步驟

通過以上的合理安裝并充分保護，可以提高傳感器的長期存活率和檢測監(jiān)測的準(zhǔn)確性，從而滿足導(dǎo)管架平臺在海洋環(huán)境中對檢測技術(shù)的要求。

2 導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)靜載變形檢測實驗

2.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

本文選用的導(dǎo)管架平臺實驗?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。模型整體高度1 980mm，共4層，頂層甲板為10mm厚鋼板，樁腿底部構(gòu)成矩形，長845mm、寬835mm；樁腿管徑34.05 mm、壁厚3.5 mm；每層甲板（除頂層外）水平撐桿管徑21.95mm、壁厚2.6mm，層與層之間斜撐管徑12.85mm、壁厚1.26mm。

圖5 導(dǎo)管架平臺實驗?zāi)Ｐ?/p>

2.2 測點布置

由于導(dǎo)管架第2層處（從下往上數(shù)）沒有斜撐，上部載荷完全由四根樁腿來承受。因此選擇該層樁腿的中點處作為檢測位置，為了消除彎曲應(yīng)力及偏心對測量的影響，需要在各樁腿內(nèi)外兩側(cè)安裝至少2個傳感器。本次實驗于各樁腿內(nèi)外兩側(cè)安裝2個傳感器，共計8個，可分為兩條通道，其布置示意見圖6。

圖6 傳感器布置示意

由于在實驗室常溫環(huán)境下進行檢測，因此不需要對傳感器、連接線和接頭進行環(huán)氧樹脂的涂敷。另外，由于本實驗加載過程時間很短，完全可以忽略溫度的變化。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

通過光纜將安裝好的傳感器與解調(diào)儀連接，再連接解調(diào)儀與電腦，即完成了整個光纖光柵檢測系統(tǒng)的搭建，實驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 實驗現(xiàn)場

整個檢測系統(tǒng)搭建完成后，首先要對各路傳感器初始值進行調(diào)零。

由于傳感器的中心波長一般在1 512～1 588 nm之間，這樣處于一條通道上的數(shù)個光纖光柵傳感器的波長范圍需要間隔分布相互錯開，才能保證各傳感器測試的數(shù)據(jù)不會混淆。從圖8可以看出第1通道（藍色，對應(yīng)A01～A04）上各傳感器的波長分布都已拉開一定距離，同樣第2通道（黑色，對應(yīng)B01～B04）上各傳感器的波長分布也已拉開一定距離。盡管兩個通道的前兩個傳感器的波長靠得較近，但由于分處兩個通道，所以不影響測量。

圖8 傳感器波長分布

2.4 加載過程

本次導(dǎo)管架平臺靜載變形檢測實驗內(nèi)容為：

（1）檢測平臺的荷載變化，控制導(dǎo)管架平臺的上部總載荷不超過設(shè)計限定值。

（2）監(jiān)測各樁腿的應(yīng)變值，控制導(dǎo)管架各樁腿的靜載變形不超過設(shè)計限定值。

本實驗?zāi)Ｐ蜕喜枯d荷和靜載變形的設(shè)計限定值分別為25 kN和1 000με。由于導(dǎo)管架平臺模型的上部重量通過樁腿向下傳遞，平臺上部重量的改變將導(dǎo)致樁腿的受力變化，理論上通過測量各樁腿的應(yīng)變就可以確定上部荷載的增加量。由于傳感器可以檢測50 kN/樁的荷載變化，但為了更明顯地記錄荷載變化對樁腿的影響，本文設(shè)定加載步長至少為300 N。

實驗時，在模型甲板上方分別放置不同質(zhì)量的重物，通過軟件設(shè)置2 Hz的采樣頻率，對傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)采集10 s，通過解調(diào)儀的信號采集轉(zhuǎn)換以及電腦的數(shù)據(jù)處理，每個傳感器可以得到20組結(jié)構(gòu)應(yīng)變值。為了減少結(jié)構(gòu)微小振動對測量值的影響，同時也為了提高測量精度，本文取平均值作為最終測量結(jié)果。

3 實驗結(jié)果及分析

實驗結(jié)果見表1～3。

表1 結(jié)構(gòu)加載300 N后各測點應(yīng)變值

表2 結(jié)構(gòu)加載750 N后各測點應(yīng)變值

由表1對樁腿應(yīng)變值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-10.891（ με）

表3 結(jié)構(gòu)加載1 050N后各測點應(yīng)變值

由表2對樁腿應(yīng)變值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-27.962（με）

由表3對樁腿應(yīng)變值求和得到：

∑（A01+A02+A03+A04+B01+B02+B03+B04） =-36.301（με）

由表可知，上部荷載增量不大時，單個應(yīng)變傳感器的數(shù)值變化不是很明顯，加之傳感器結(jié)構(gòu)與性能所導(dǎo)致的應(yīng)變數(shù)值細微的漂移，都給上部荷載變化的判斷增加了難度，但是通過求平均的方法，使得單個傳感器的數(shù)值更接近于真實值，再通過求和的方法更利于觀測樁腿總應(yīng)變的變化。因此，本文得到樁腿總應(yīng)變與豎向靜載之間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 樁腿總應(yīng)變隨豎向靜載變化曲線

由圖9可知，樁腿總應(yīng)變與豎向靜載基本成正比例關(guān)系。通過這個變化曲線，就可以根據(jù)樁腿總應(yīng)變的變化值來估算上部荷載的變化值，從而對導(dǎo)管架平臺超載隱患起到安全預(yù)警的作用。

4 結(jié)論

（1）基于光纖光柵傳感器的工作原理，搭建了可用于導(dǎo)管架平臺的光纖光柵傳感檢測系統(tǒng)，同時從提高傳感器長期存活率和檢測準(zhǔn)確性的角度出發(fā)，探討了光纖光柵傳感器的合理安裝和充分保護方法，以便滿足導(dǎo)管架平臺在海洋環(huán)境中對檢測技術(shù)的要求。

（2）選用四腿導(dǎo)管架模型進行了平臺靜載變形檢測實驗，提出了導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測的實驗流程，通過檢測平臺的荷載變化和各樁腿的應(yīng)變值，采用對樁腿應(yīng)變先求平均再求和的方法以提高測量精度，最后得到了樁腿總應(yīng)變和豎向靜載的關(guān)系曲線。

（3）基于本文得到的近乎正比例變化曲線，可以根據(jù)樁腿總應(yīng)變的變化值來估算上部荷載的變化情況，從而控制上部總載荷不超過設(shè)計限定值，進而對導(dǎo)管架平臺的超載隱患起到安全預(yù)警的作用，為國內(nèi)導(dǎo)管架平臺的變形檢測和長期監(jiān)測研究提供了借鑒和參考。

[1]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程邊際油氣田開發(fā)技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2010.3-17.

[2]李春梅，申素梅，林越，等.基于光纖光柵傳感技術(shù)的海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法[J].航海工程，2011，40（6）:165-167.

[3]李亮，夏愛軍，逯鋒兵，等.光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)勢與應(yīng)用[J].光通訊技術(shù)，2007，（7）:62-64.

[4]劉暉，瞿偉廉，李功標(biāo)，等.光纖光柵傳感系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)損傷識別中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2009，17（3）:395-400.

[5]郭明金，姜德生，袁宏才，等.不同粘貼方式的光纖光柵壓力傳感器的研究[J].激光與紅外，2005，35（6）:417-419.

[6]Everall L，Gallon A，Roberts D.Optic Fiber Strain Sensing for Practical Structural Load Monitoring[J].Sensor Review，2000，20（2）:113-119.

[7]聶炳林.埕島油田導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的安全評估 [J].石油工程建設(shè)，2005，31（5）：54-54.