張奇，孫道青，李曉明，陳曦，朱澧

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

1 引言

目前我國海上在役油氣平臺的數(shù)量達到三百多座，其中部分平臺的服役時間較長，并且隨著時間的推移，大部分平臺將逐漸達到服役年齡。出于經(jīng)濟性以及環(huán)境保護等方面的考慮，將這些老齡平臺拆除后再安裝新的油氣平臺是不現(xiàn)實的。然而，這些老齡平臺長期服役在惡劣的海洋環(huán)境中，其自身結構長期承受海水、海生物腐蝕以及各種環(huán)境載荷的沖擊等不利因素的影響，結構老化現(xiàn)象嚴重，其結構承載能力逐年降低[1]，一旦發(fā)生結構性的安全事故將會導致嚴重的生命和財產(chǎn)損失，造成惡劣的政治和環(huán)境影響，如英國北海的“海上鉆石”號鉆井平臺沉沒事故[2]以及北海挪威Ekofisk油田的一座 Alexander L. Kiel land 號半潛式鉆井平臺傾覆倒塌事故[3-4]。因此為了確保海上平臺的安全運行，需要保持對平臺主要結構的健康監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結果識別出風險點，并采取合理的維護方式提前進行干預，確保平臺安全平穩(wěn)地運行。同時，根據(jù)國外的相關研究表明[5-6]，海上平臺的設計壽命一般為25年，通過對平臺結構的長期在線監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測情況加以適當?shù)木S護，平臺的服役時間將延長30%-400%！

在結構物應力監(jiān)測領域，出于光纖天然的高靈敏性，極強的抗高壓、腐蝕以及電磁干擾能力等特性，目前市面上應用較為廣泛的是采用光纖傳感技術[7-8]，即通過將光纖光柵傳感器布置在需要監(jiān)測的結構物指定位置，通過光纖將監(jiān)測位置結構物的應變量以光信號的形式傳輸?shù)叫盘柼幚斫K端進而可以得出監(jiān)測位置應力變化情況。目前國內閆天紅等[9]已在南海某導管架平臺成功實施了應用光纖傳感器進行平臺結構振動和應力監(jiān)測，進而評估平臺的健康狀態(tài)。

本文從現(xiàn)場實施的角度出發(fā)，詳細介紹了如何在渤海海域某八腿導管架平臺從布置應力監(jiān)測傳感器到搭設整個應力監(jiān)測系統(tǒng)的過程，為后續(xù)海上平臺類似監(jiān)測項目提供借鑒。

2 應力監(jiān)測系統(tǒng)設計及安裝

2.1 應力監(jiān)測系統(tǒng)設計

導管架平臺結構應力監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測平臺組塊腿應力來反應平臺的安全狀態(tài)，主要分為傳感器子系統(tǒng)、信號采集傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)三大部分。因此，需要對平臺各組塊腿安裝相應的應力傳感器，連接線纜傳輸信號，并在平臺控制室安裝解調和控制設備。然后將應變傳感器測量結構應變變化值，換算為應力值。通過對平臺樁腿和結構的監(jiān)測，實時顯示導管架關鍵部位受力情況，判斷結構是否存在平臺受力不均，結構承載力是否達到極限。

2.2 應力傳感器的選型及布置

鑒于海上平臺所處的自然環(huán)境惡劣，現(xiàn)場干擾因素較多，本次選用了天津慧感光電科技有限公司生產(chǎn)的HG-S01光纖光柵應力傳感器（見圖2.2）。該型號傳感器與專用底座配套使用?，F(xiàn)場安裝時先將底座固定在鋼結構表面，然后通過螺母將傳感器方便地固定在底座上（見圖2.3），既可以進行長期監(jiān)測，又可以在短期監(jiān)測完成后重復使用。其具有防爆、抗電磁干擾、測量精度高以及可靠性高等特點，其主要性能指標見表2.1.

表2.1 光纖光柵應力傳感器性能指標

圖2.2 光纖光柵應變傳感器

圖2.3 光纖光柵應變傳感器現(xiàn)場安裝圖

在安裝應力傳感器前，首先我們需要借助于有限元模型計算分析得出導管架平臺組塊腿的應力集中點位置，即導管架平臺結構受力最大也是最為危險的位置，一般情況下這些位置為導管架平臺組塊腿的上端，然后在組塊腿表面均勻布置4個應力傳感器，具體如圖2.4和圖2.5所示。

圖2.4 傳感器布置位置示意圖

圖2.5 傳感器現(xiàn)場布置圖

2.3 信號傳輸系統(tǒng)設計

采用光纜（鎧裝光纖）作為信號傳輸?shù)拿浇?，其中光纜的具體布設過程主要分為以下幾個步驟：(1)首先分別將每個樁腿上的4個傳感器采用串聯(lián)的方式通過一條光纜連接在一起（見圖2.6），共計引出8根信號傳輸光纜；

圖2.6 單根樁腿光纜走線圖

(2)將這8根光纜走線至距離平臺中控室較近且便于便于走線的一根樁腿附近，用集線盒將這8根光纜匯集成為一根光纜（見圖2.7）；

圖2.7 多樁腿光纜匯集走線圖

(3)通過該樁腿處的走線孔，將光纜引線至平臺上甲板，并沿著甲板上的線槽將穿梭光纜引至中控室，并與信號解調設備進行連接調試，完成信號傳輸系統(tǒng)的搭建，如圖2.8所示。

圖2.8 傳輸光纜連接解調設備圖

3 數(shù)據(jù)采集與分析

通過上一節(jié)中信號傳輸系統(tǒng)的建立，平臺各樁腿實時的應力變化信號通過光纖傳輸匯入光纖集線盒并進入中控室的智能解調儀中，經(jīng)過信號解調分析后，通過軟件界面實時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測組塊樁腿的受力變化情況。如下圖3.1所示軟件監(jiān)測畫面為平臺的三維模型，其中每個樁腿的應力變化的最大值均顯示在軟件界面上。

圖3.1 平臺應力監(jiān)測軟件界面

下圖3.2所示為每各組塊樁腿每個節(jié)點點位處應力監(jiān)測實時數(shù)據(jù)詳圖。（數(shù)值計數(shù)單位為μm）

圖3.2 單個組塊腿應力監(jiān)測數(shù)據(jù)界面

4 結語

本文以渤海海域某八腿導管架平臺的實際案例出發(fā)，從現(xiàn)場實施的角度較為全面地闡述了如何在海洋平臺上搭建應力監(jiān)測系統(tǒng)的全過程，包括應力監(jiān)測系統(tǒng)的設計、傳感器的選型及布置、信號傳輸系統(tǒng)的設計及安裝、監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與分析。目前海洋平臺結構監(jiān)測的實施案例較少，未來的市場需求量較大，市場前景廣闊，本文作為實際的實施案例能夠為后續(xù)的相關海洋平臺結構監(jiān)測類項目提供借鑒。