海洋石油平台导管架安全监测系统

山东科学ＳＨＡＮＤＯＮＧＳＣＩＥＮＣＥ第２８卷第６期２０１５年１２月出版Ｖｏｌ．２８Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１５ＤＯＩ：１０．３９７６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－４０２６．２０１５．０６．０１３【光纤与光子传感技术】收稿日期：２０１５０７２８基金项目：山东省科技发展计划（２０１４ＧＧＸ１０３０１９，２０１４ＧＧＸ１０３００５）作者简介：刘小会（１９７６－），男，副研究员，研究方向为光纤传感技术及其在油田领域的应用。海洋石油平台导管架安全监测系统刘小会，赵文安，赵庆超，马龙，吕京生，王英英，尚盈，王晨，王昌（山东省光纤传感技术重点实验室，山东省科学院激光研究所，山东济南　２５００１４）摘要：基于光纤光栅传感原理研发了应变、倾角和加速度传感器，应变测试精度达到５με，倾角测试精度达到０．０２°，加速度测试在４０Ｈｚ以下灵敏度达到８００ｐｍ／ｇ。应用传感器建立了一套海洋平台导管架安全监测系统，实现了对腿桩支撑力、平台倾斜和摆幅的在线监测；通过建立导管架力学模型计算其应力状况，分析导管架的安全性并进行预警。系统成功应用于南海石油平台监测，为海洋平台的结构安全提供了保障。关键词：海洋平台；结构监测；光纤传感中图分类号：ＴＰ２１２．１４　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００２４０２６（２０１５）０６００８１０６ＳａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｊａｃｋｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｔｆｏｒｍＬＩＵＸｉａｏｈｕｉ，ＺＨＡＯＷｅｎａｎ，ＺＨＡＯＱｉｎｇｃｈａｏ，ＭＡＬｏｎｇ，ＬＪｉｎｇｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｎｇｙｉｎｇ，ＳＨＡＮＧＹｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈｅｎ，ＷＡＮＧＣｈａｎｇ（ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬａｓｅｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｊｉｎａｎ２５００１４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ∶Ｗｅｄｅｖｅｌｏｐｓｔｒａｉｎ，ｔｉｌｔａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓｗｉｔｈｓｔｒａｉｎａｃｃｕｒａｃｙｏｆ５με，ｔｉｌｔａｎｇｌｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆ０．０２°，ａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆ８００ｐｍ／ｇｂｅｌｏｗ４０Ｈｚ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）．Ｗｅｆｕｒｔｈｅｒｅｍｐｌｏｙｅｄｔｈｅｍｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｊａｃｋｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｗｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｆｏｒｐｉｌｅｌｅｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒｃｅ，ｐｌａｔｆｏｒｍｔｉｌｔａｎｄｓｗｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｗｅａｌｓｏｃａｌｃｕｌａｔｅｉｔｓｓｔｒａｉｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｂｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇａｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒｊａｃｋｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｔｈｅｊａｃｋｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｎｄｕｃｔａｌｅｒｔ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎａｎｏｉｌｐｌａｔｆｏｒｍａｔＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＳｅａ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｅｃｕｒｉｔｙｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｊａｃｋｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ∶ｏｆｆｓｈｏｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓｅｎｓｉｎｇ　　固定式海洋石油平台通过管架结构将平台固定在海底，能够为海上油气开发和工人生活提供可靠保障。海洋平台导管架结构复杂，而且长期处在腐蚀性海水环境条件下，易受到海水和海样生物的侵蚀，其承载力会随着服役期的延长而降低，所以海洋平台的安全性是一个严重的问题［１－２］。随着我国海油石油开发的发展，早期建设的固定式石油平台逐渐到达设计年限，甚至有些在超期服役，在台风、海浪等作用下，平台导管架结构可能失效，导致平台倾覆，这不仅会造成重大的经济损失和人员伤亡，还可能带来严重的海上原油污山　东　科　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１５年染和社会不良影响。如１９８０年３月２７日，挪威“亚历山大·基兰”号钻井平台在９级海风作用下一根支柱发生断裂，平台１５分钟后沉入海底，１２３人遇难。因此，海洋平台的健康状况越来越引起人们的重视。对海洋平台的结构进行实时安全监测是避免事故的重要手段之一，在国内外已有部分研究报道。Ｍａｔｏｒｉ等［３］采用卫星上的合成孔径雷达监测海洋平台的结构沉降；欧进萍等［４］通过检测冰压力来推算冰对海油平台的作用力；李春梅等［５］采用表面粘贴式传感器测试应力，然后进行报警。但这些报道监测参数较单一，传感器数量也较少，应用了光纤传感器但没有实际监测数据。光纤光栅传感器较传统电子传感器本质安全、防爆，适合在海上平台油气环境下使用［６］。本文采用光纤光栅应变、倾角和加速度传感器分别对海洋石油平台导管架的腿桩支撑力、相对沉降和摆幅进行监测，通过建立导管架力学模型，计算导管架上应力状况，分析导管架的安全性并进行预警，实现了对海上平台结构的安全实时监测。１　传感器设计１．１　光纤光栅传感原理光纤光栅是一段纤芯折射率沿轴向周期变化的特殊光纤，能选择性地反射特定波长的单色光，反射波长λ满足［７］λ＝２ｎΛ，（１）其中ｎ为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅折射率变化周期。反射波长会随光纤光栅所处温度和所受外力的变化而变化。在恒温条件下，光纤光栅波长变化Δλ与所受向应变ε的关系为：［８］Δλ＝（１－Ｐｅ）λε，（２）其中Ｐｅ为有效弹光常数。利用光纤光栅的反射波长对应变敏感的原理可以设计应变、倾角和加速度等多种参数的传感器，并且可以用同一台光纤光栅解调仪器进行解调。１．２　应变传感器光纤光栅应变传感器的核心结构如图１所示，将光纤光栅预拉伸后，两端固定在可伸缩的弹性片上。使用时，将弹性片两端焊接在被测结构（钢结构）表面，结构变形时，弹性片伸缩，光纤光栅上的应变发生变化，其波长随之变化。图２为传感器标定结果，波长应变拟合曲线为ｙ＝０．００１２２９ｘ＋１５５７．５７０５，Ｒ２＝０．９９９９６９，测试精度达５με。图１　应变传感器结构示意图Ｆｉｇ．１　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图２　应变传感器标定结果Ｆｉｇ．２　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｉｎｓｅｎｓｏｒ１．３　倾角传感器光纤光栅倾角传感器的基本原理是利用重力随倾角的相对变化引起光纤光栅的变形，结构示意图如图３所示。将两只光纤光栅串联，分别预拉伸固定在质量块的两边，当传感器发生倾斜时，质量块摆动，使其两侧光纤光栅波长变化，而且变化大小相等，方向相反，因此两只光纤光栅的波长差反映倾角的大小，标定结果２８第６期刘小会，等：海洋石油平台导管架安全监测系统如图４所示，光栅波长差与倾角拟合曲线为ｙ＝０．１５５１ｘ＋３．４０８５，Ｒ２＝０．９９９９７３，测试精度达０．０２°。图３　倾角传感器结构示意图Ｆｉｇ．３　Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｉｌｔｓｅｎｓｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ图４　倾角传感器标定曲线Ｆｉｇ．４　Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｔｉｌｔｓｅｎｓｏｒ１．４　加速度传感器光纤光栅加速度传感器原理结构如图５所示。当传感器受到正弦变化的加速度时，光纤光栅上的应变也随之正弦变化，所以光纤光栅的波长变化频率和幅值反映外界加速度的频率和幅值［９］。图６为传感器对加速度的频率响应曲线，在４０Ｈｚ以下灵敏度基本不变（５８ｄＢ，约８００ｐｍ／ｇ），适合在海上平台低频场合应用。图５　加速度传感器原理图Ｆｉｇ．５　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ图６　传感器频率响应曲线Ｆｉｇ．６　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｔｉｌｔｓｅｎｓｏｒ２　监测方法与报警设置通过对海上平台导管架结构的力学分析，导管架的腿桩支撑力、腿桩相对沉降及平台水平摆幅是反映导管架结构安全的主要参数，对其进行监测就可以掌握结构的健康状况。２．１　腿桩支撑力监测腿桩是导管架中支撑平台重量的立柱，见图７，其支撑力的变化直接反映腿桩对平台的支撑效果，监测其支撑力的变化是平台健康监测的重要方面。由于力不能直接测量，所以通过检测应变的变化，最后换算成力的变化。传感器的测试方向都沿轴向，测试点的位置定在底层甲板下方１ｍ处。腿桩直径较大，为消除腿桩弯曲的影响，在每个腿桩周向均布４个应变传感器，然后取应变测试值的平均Δε。根据腿桩的截面积Ｓ与材料弹性的弹性模量Ｅ，腿桩的支撑力变化为ΔＦ＝ＥＳΔε。（３）再根据整个平台自重分布，计算各个腿桩初始载荷Ｆ０。那么腿桩的实际支撑力Ｆ为３８山　东　科　学　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１５年Ｆ＝Ｆ０＋ΔＦ（４）报警系数Ｒ为Ｒ＝ＦＦｍ（５）图７　腿桩支撑力监测点布置Ｆｉｇ．７　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｌａｙｏｕｔｏｆｐｉｌｅｌｅｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｆｏｒｃｅ其中，Ｆｍ为极限承载力，对于操作工况，Ｒ大于０．５时报警；对于极端海况，Ｒ大于０．６７时报警。２．２　腿桩相对沉降监测每个腿桩处的沉降是影响结构安全的重要参数，可以通过测试横梁的倾斜度计算得到。如图８所示将倾角传感器安装在两腿桩之间的横梁中间位置，当两腿桩相对沉降时，横向倾角变化，倾角传感器测试出倾角的变化，乘以横梁的长度即为相对沉降量。相对沉降量超过设定阈值即报警。图８　倾角监测点布置Ｆｉｇ．８　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｌａｙｏｕｔｏｆｔｉｌｔ２．３　平台水平摆幅监测石油平台矗立于大海中间，受海风、海浪作用，在水平方向会产生摇摆，其摆动幅度是反映结构健康状况的重要参数。平台的动态摆幅量直接测量很困难，但可以通过测试加速度，然后通过两次积分得到。根据平台结构，加速度传感器安装位置设置在顶层甲板的腿桩处，如图９，由于平台水平摆动是二维的，所以先确定两个水平垂直方向定位Ｘ、Ｙ方向，每个测试点分布在Ｘ、Ｙ方向上，各安装一个加速度传感器来测试摆幅。图９　水平摆幅监测Ｆｉｇ．９　Ｌａｙｏｕｔｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｗｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ根据结构计算和历史测试数据，设置每个点的报警图，见图１０。将传感器测试所得ＸＹ方向的摆幅为坐４８第６期刘小会，等：海洋石油平台导管架安全监测系统标，在图上绘制坐标点，坐标点在１～５级区域内时属正常运行，在６级区域进行一级报警，在７级区域进行二级报警。图１０　摆幅报警图Ｆｉｇ．１０　Ａｌａｒｍｉｎｇｄｉａｇｒａｍｏｆｓｗｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅ３　系统运行软件海洋石油平台导管架安全监测系统软件主要功能是监测平台结构中的桩腿应力、平台倾斜和平台位移数据，根据这些数据计算得到报警信号，另外还具有数据保存与网上发布、历史数据与报警查询等功能。软件主运行界面见图１１，汇集了当前所有功能中传感单元的当前状态，并以不同颜色来标注，其中绿色表示正常，红色表示报警。图１１　安全监测系统软件Ｆｉｇ．１１　Ｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｗａｒｅ４　现场应用２０１４年５月该监测系统在南海某平台进行了现场应用。该平台导管架结构如图７所示，在导管架８个腿桩上安装３２（４×８）只应变传感器，底层甲板横梁上安装８只倾角传感器（图８），顶层甲板上安装１６（２×８）只加速度传感器（图９），共使用５６只光纤传感器。传感器通过光缆连接监控室中的光纤解调仪，解调仪器采用扫描光源的方法以３００Ｈｚ的速度同步解调所有传感器中光纤光栅的波长，并计算出相应的应力、沉降及摆幅，通过局域网将数据传输到监测计算机，计算机综合风速和风向信息，对这些数据进行处理分析，并得出报警系数。系统安装至今，各腿桩支撑力报警系数Ｒ＜０．５，平台各点的摆幅坐标都在３级区域以内，相对沉降也较小，平台健康运行。典型监测数据如图１２～１