王火平，王德洋

(1.中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司 深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518067；2.清華大學(xué) 深圳國(guó)際研究生院，廣東 深圳 518000)

0 引 言

導(dǎo)管架平臺(tái)作為重要的海洋油氣開(kāi)采基礎(chǔ)設(shè)施，在海洋工程中得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷作用于平臺(tái)和各子系統(tǒng)，導(dǎo)致長(zhǎng)期的循環(huán)響應(yīng)和疲勞損傷累積[1]。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)導(dǎo)管架平臺(tái)關(guān)鍵位置疲勞損傷，可掌握結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的衰減和結(jié)構(gòu)整個(gè)生命周期的安全狀態(tài)演變，因此應(yīng)變監(jiān)測(cè)具有重要的工程意義[2-3]。

隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)變測(cè)量已普遍用于大型結(jié)構(gòu)的在線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。LI等[4]提出通過(guò)從分布式長(zhǎng)規(guī)格光纖傳感器測(cè)量的應(yīng)變響應(yīng)來(lái)定位和量化損傷。KATSIKEROS等[5]基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法。BENEDETTI等[6]專注于使用合適的應(yīng)變傳感器在風(fēng)塔的關(guān)鍵位置進(jìn)行裂縫檢測(cè)。

對(duì)于監(jiān)測(cè)而言希望安裝更多的傳感器獲得更多的數(shù)據(jù)，但實(shí)際上受到工期費(fèi)用等制約只能安裝有限個(gè)傳感器，這就要求根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行傳感器優(yōu)化布置，選擇更適合的點(diǎn)安裝傳感器。針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，需要在應(yīng)力敏感區(qū)域安裝應(yīng)變傳感器，才能測(cè)得環(huán)境激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化量。從設(shè)計(jì)層面，用于強(qiáng)度計(jì)算的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)有限元建模均采用管單元和梁?jiǎn)卧撃Ｐ涂煞从硨?dǎo)管架結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布狀態(tài)，但無(wú)法表征局部位置的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變傳感器測(cè)量的是結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力，有限元模型的梁?jiǎn)卧獌H能反映軸力和截面彎矩的大小，無(wú)法對(duì)應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)的信息，因此需要在監(jiān)測(cè)位置處建立三維實(shí)體單元或殼單元來(lái)反映測(cè)試數(shù)據(jù)的信息。為了兼顧計(jì)算效率并能夠在測(cè)量數(shù)據(jù)及有限元模擬結(jié)果間建立關(guān)聯(lián)，需要建立結(jié)構(gòu)的多尺度模型，即在關(guān)鍵位置處采用實(shí)體單元或殼單元建立模型，而對(duì)其他構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧蚬軉卧！６喑叨冉Ｗ詈诵牡膯?wèn)題是如何建立不同類型單元之間的關(guān)聯(lián)，目前較有效的方法是多點(diǎn)約束法，多點(diǎn)約束法的原理是通過(guò)位移協(xié)調(diào)推導(dǎo)界面的約束方程，從而實(shí)現(xiàn)不同類型單元之間關(guān)聯(lián)。國(guó)內(nèi)學(xué)者[7-8]利用多點(diǎn)約束法連接不同單元，進(jìn)行鐵塔、井架等結(jié)構(gòu)的多尺度模型分析，獲得結(jié)構(gòu)的整體和局部應(yīng)力狀態(tài)分布。

鑒于多尺度模型的優(yōu)點(diǎn)，本文提出基于多尺度模擬的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器布置方法，以有限元ANSYS軟件作為分析平臺(tái)，應(yīng)用多點(diǎn)約束方法建立結(jié)構(gòu)的多尺度模型，通過(guò)分析管節(jié)點(diǎn)焊縫的應(yīng)力分布，確定傳感器的具體安裝位置。

1 多點(diǎn)約束算法

在對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行多尺度模擬分析中，對(duì)需重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，如應(yīng)力集中的管節(jié)點(diǎn)處應(yīng)采用三維實(shí)體單元或殼單元建模，而其他構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧蚬軉卧！深悊卧?jié)點(diǎn)數(shù)不同，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度也不同，若實(shí)現(xiàn)單元間界面自由度耦合，需采用多點(diǎn)約束算法來(lái)處理，以實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。多點(diǎn)約束算法[9]的表達(dá)式為

(1)

式中：C為常量；i為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；n為方程數(shù)量；Cf為系數(shù)；U(i)為自由度。

管單元節(jié)點(diǎn)的位移向量為

δi=(ui,vi,wi,θix,θiy,θiz)T

(2)

式中：ui、vi、wi為節(jié)點(diǎn)i在整體坐標(biāo)系下的位移；θix、θiy、θiz為節(jié)點(diǎn)i在整體坐標(biāo)系下的角位移。

實(shí)體單元的位移為

(3)

式中：Ni為節(jié)點(diǎn)i的形函數(shù)。

實(shí)體單元的轉(zhuǎn)角為

(4)

令管單元與實(shí)體單元耦合節(jié)點(diǎn)位移與轉(zhuǎn)角相同，由式(2)～式(4)可得到管單元與實(shí)體單元的多點(diǎn)約束方程為

(5)

2 陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)管-梁模型建立與關(guān)鍵位置確定

陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)位于香港南東約217 km的海上。該平臺(tái)建于1985年，設(shè)計(jì)水深 為146 m，設(shè)計(jì)壽命為15 a。平臺(tái)長(zhǎng)、寬、高分別為85.954 m×68.275 m×187.715 m，平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、甲板組塊等3部分組成，平臺(tái)水面以上結(jié)構(gòu)約41 m。

為了高效地確定平臺(tái)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)采用管-梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模，其中：水上組塊結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?，壓縮機(jī)模塊、生活設(shè)施、起重機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊等均以等效重量施加在對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，以模擬整個(gè)平臺(tái)設(shè)施重量；導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)由于考慮水動(dòng)力影響，采用管單元進(jìn)行建模，且對(duì)樁腿、斜撐、水平撐和內(nèi)撐進(jìn)行詳細(xì)模擬。陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)管-梁簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)管-梁簡(jiǎn)化模型

對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)這樣的大型結(jié)構(gòu)，受到平臺(tái)自身重量及風(fēng)、浪、流作用，所布置的應(yīng)變傳感器主要監(jiān)測(cè)軸力和彎矩指標(biāo)的變化。圖2～圖4分別為平臺(tái)的軸向應(yīng)力云圖、單元對(duì)y軸的彎曲應(yīng)力云圖和單元對(duì)z軸的彎曲應(yīng)力云圖。由圖2～圖4可知，軸向應(yīng)力、單元對(duì)y軸和z軸的彎曲應(yīng)力的最大值均在蜘蛛甲板B4節(jié)點(diǎn)處，因此傳感器應(yīng)布置在該節(jié)點(diǎn)周圍。具體布置位置應(yīng)根據(jù)該節(jié)點(diǎn)三維分析模型進(jìn)行確定。

圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)軸向應(yīng)力云圖

圖3 導(dǎo)管架平臺(tái)單元對(duì)y軸的彎曲應(yīng)力云圖

圖4 導(dǎo)管架平臺(tái)單元對(duì)z軸的彎曲應(yīng)力云圖

3 基于多點(diǎn)約束的導(dǎo)管架多尺度有限元模型的建立與驗(yàn)證

在有限元分析中，按照多點(diǎn)約束算法建立約束方程，進(jìn)而建立約束面，可實(shí)現(xiàn)管單元與實(shí)體單元載荷的傳遞。導(dǎo)管架上部組塊框架結(jié)構(gòu)選擇Beam 188單元，導(dǎo)管架部分選擇Pipe 288單元，管節(jié)點(diǎn)采用Solid 185單元，所建立的導(dǎo)管架平臺(tái)多尺度模型如圖5所示，管節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體模型如圖6所示。

圖5 導(dǎo)管架平臺(tái)多尺度模型

圖6 管節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體模型

為驗(yàn)證導(dǎo)管架多尺度模型的準(zhǔn)確性，分別施加不同的波浪載荷，即通過(guò)設(shè)置不同的波高表征波浪載荷的大小，得到了管單元模型和多尺度模型的波高-甲板位移曲線，如圖7所示。從圖7可以看出2組數(shù)據(jù)誤差較小，從而驗(yàn)證多尺度建立的模型更為準(zhǔn)確，為后續(xù)局部位置三維應(yīng)力的分析確立基礎(chǔ)模型。

圖7 管單元模型和多尺度模型的波高位移曲線

4 基于多尺度模型的應(yīng)變傳感器安裝位置

利用所建立的平臺(tái)結(jié)構(gòu)多尺度模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析。圖8給出蜘蛛甲板B4管節(jié)點(diǎn)區(qū)域的von Mises應(yīng)力分布情況，表1給出該節(jié)點(diǎn)各斜撐最大von Mises應(yīng)力。由圖8和表1可知，外側(cè)下斜撐與樁腿相貫處的冠點(diǎn)為應(yīng)力集中的最危險(xiǎn)點(diǎn)，von Mises應(yīng)力達(dá)69.4 MPa。根據(jù)分析的結(jié)果，該關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)變傳感器應(yīng)布置在下斜撐處，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其應(yīng)力較大部位的應(yīng)力狀態(tài)，為安全評(píng)估提供可靠的依據(jù)。

圖8 蜘蛛甲板B4管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布

表1 B4管節(jié)點(diǎn)各斜撐最大von Mises應(yīng)力

具體監(jiān)測(cè)位置和布置考慮應(yīng)急集中影響以及軸力彎矩測(cè)量要求，將距離相貫線3倍斜撐直徑位置的支管截面確定為被監(jiān)測(cè)截面，通過(guò)傳感器布置采集被監(jiān)測(cè)截面在結(jié)構(gòu)表面處的應(yīng)變分量。如圖9所示，在斜撐外表面被監(jiān)測(cè)截面位置的極性角φ=0°、90°、180°和270°處各布置1枚應(yīng)變傳感器(編號(hào)為S1～S4)，采集該位置被監(jiān)測(cè)截面上的正應(yīng)變。

圖9 斜撐上傳感器安裝示例

5 結(jié) 論

以南海陸豐13-1導(dǎo)管架平臺(tái)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為工程背景，研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)變傳感器的布置方法，得到如下結(jié)論：

(1)建立導(dǎo)管架平臺(tái)的管-梁?jiǎn)卧暧^整體模型，通過(guò)靜力響應(yīng)分析可知蜘蛛甲板B4節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力最大，為平臺(tái)的最危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)管-梁整體模型可快速確定平臺(tái)的關(guān)鍵區(qū)域，為應(yīng)變傳感器布置方案提供依據(jù)。

(2)采用多點(diǎn)約束方法實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的多尺度模擬，主體結(jié)構(gòu)采用管單元和梁?jiǎn)卧＃ｋU(xiǎn)位置B4節(jié)點(diǎn)采用實(shí)體單元建模，基于多點(diǎn)約束理論建立管單元與實(shí)體單元交界面的約束方程，實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞。對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的應(yīng)力進(jìn)行分析可知，下斜撐與樁腿相貫處的冠點(diǎn)為應(yīng)力集中最大處，基于分析結(jié)果應(yīng)變傳感器應(yīng)布置在該節(jié)點(diǎn)外側(cè)下斜撐處。

(3)通過(guò)管-梁整體模型和多尺度模型確定傳感器布置在某根斜撐上，之后根據(jù)應(yīng)力集中原則及規(guī)范要求，將傳感器布置在距該斜撐焊縫3倍直徑處。該方法可為海洋平臺(tái)應(yīng)變監(jiān)測(cè)傳感器的布置方案提供科學(xué)的參考。