基于光纖傳感技術的結構應力監測試驗研究

韓旭亮, 王世圣, 謝文會, 呼文佳

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

南海環境條件惡劣，臺風頻發，同時伴隨強內波流，環境條件對海洋平臺破壞力強。海上平臺長期服役，由于變載荷引起的結構疲勞進而引起裂紋損傷、海水腐蝕使結構產生凹陷等，對平臺結構的強度、承載能力以及工作壽命產生嚴重的影響[1]。平臺結構一旦失效，后果嚴重。

中國南海在役海洋平臺有十幾座已經投入使用幾十年，并超過其設計年限。由于油田開采年限及經濟性的需要，一些油田還將延長平臺的服役年限。以南海挑戰號FPS為例，該平臺1975年在加拿大建造，在1995年完成改造，2007年上半年在油田現場進行了局部大修，2010年入塢大修。平臺入塢后發現一系列結構安全問題：平臺結構、管線腐蝕嚴重，檢測到的減薄點最大減薄率達到70%。平臺樁腿海水飛濺區腐蝕嚴重，局部坑蝕超標。系泊系統平臺鏈腐蝕超標；裂紋問題突出，水下結構及平臺主結構存在多處裂紋，需做修復。2012年針對另一座在役半潛式鉆井平臺無損探傷檢測，也發現缺陷多達37處，其中有3處滲漏。平臺結構件存在裂紋等結構損傷，嚴重威脅平臺結構安全[2]。

光纖傳感技術是利用光纖傳輸光波物理特征參量，通過光參量變化來測量外界信號變化的技術。光纖傳感器長期穩定性好，測量誤差小，不受電磁和電波干擾，具有優良的傳感特性，且質量輕、直徑小，不受化學腐蝕，易埋入或表面粘貼安裝，具有較好的應用性[3-9]。由于光纖傳感技術自身的技術特點，它對惡劣的工程環境具有本質免疫性，在大型工程安全監測中廣泛應用[10-12]。近年來，國內外研究者將光纖傳感技術應用于石油、化工、油氣管線、鉆井平臺的安全監測中，例如：美國的CIDRA和英國的Smart Fibres公司都將光纖傳感器用于海洋石油平臺結構監測，利用結構的應力、應變、位移等監測數據評估平臺結構的健康狀況。然而，目前光纖傳感技術在海洋平臺監測方面的應用多集中于海洋環境與載荷監測、海洋平臺原型測量、運動響應監測等[13-14]，尚缺乏對海洋平臺結構安全可靠有效的監測手段和評估方法。

本課題以張力腿平臺典型結構型式為研究對象，開展基于光纖傳感技術的結構應力的監測模型試驗和數值模擬研究。通過模型試驗與數值分析相結合的方法，計算分析了施加不同載荷作用產生的結構應力。探討光纖傳感技術在海洋平臺結構應力監測方面的適應性和可行性，為在役海上平臺結構安全提供技術支持，提高海上平臺使用壽命。

1 光纖監測試驗設計方案

1.1 監測試驗模型

針對張力腿平臺的受力特點，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tendon的連接位置，一般情況都會在這個位置布置相應的傳感器，監測該位置的結構應力狀態。

圖1 張力腿平臺應力監測位置示意

由圖2可以看出，tendon連接位置主要有3種結構型式：

圖2 tendon連接位置結構

1) 單獨板與板連接的對接模型。

2) 肋板和艙壁連接的肘板模型。

3) tendon porch支撐結構與肋板、艙壁連接的橫艙壁模型。

選擇第3種典型結構型式作為光纖監測結構應力的試驗模型，如圖3所示。

圖3 光纖監測試驗模型

1.2 鋼板參數及布置方式

光纖監測試驗中采用屈服強度為355 MPa的高強度A級船用鋼，即，AH36鋼板，其尺寸為1 000 mm×1 000 mm×10 mm，端部做打磨處理。采用角焊形式對鋼板進行焊接，雙面焊，鋼板厚度10 mm，焊趾高10 mm。將鋼板切割、打磨，按照圖4所示的試驗模型尺寸組裝，并以點焊局部固定布置。

圖4 試驗模型焊接尺寸

1.3 光纖傳感器參數

根據試驗要求，使用多測點應變/應力分布式光纖光柵傳感器，如圖5所示。它的主要參數如表1所示。

圖5 分布式光纖光柵傳感器結構

表1 光纖光柵傳感器主要參數

由于光纖光柵同時對溫度和應變敏感，當溫度和應變同時發生變化時，僅測量單個光纖光柵的波長變化量，將無法區分由溫度和應變分別引起的波長變化。因此，試驗還需要使用溫度光纖光柵傳感器對溫度補償。圖6是溫度光纖光柵傳感器的結構。其主要參數如表2所示。

圖6 溫度光纖光柵傳感器結構

表2 溫度光纖光柵傳感器主要參數

1.4 光纖監測系統調試

光纖傳感器的布設方便靈活。試驗中，光纖傳感器與試驗模型之間使用環氧樹脂膠粘貼，環氧樹脂膠固化后(約需2 h)即可進行光纖監測系統的調試及數據采集。將測試件上的光纖傳感器與解調儀(如圖7所示)連接，設置各項監測參數，調試確認光纖傳感系統可以從測試件上采集、讀取、存儲應力數據，對于初始誤差及溫度影響進行補償。為了避免各測點間的干擾，光纖傳感解調儀每個通道接收20個左右的傳感器數據，具有更好的監測效果。光纖監測系統數據采集重復性好，在數據采集過程中，光纖監測系統靈敏度高，響應速度快，適合大型結構物長時間多測點分布式監測。

圖7 光纖傳感器解調儀

1.5 光纖監測試驗模型

選擇焊接完成的橫艙壁試驗模型，在指定位置打磨并使用環氧樹脂膠粘貼應變/應力光纖傳感器及溫度光纖傳感器。在粘貼應變/應力光纖傳感器上方的邊緣位置施加載荷，監測由此產生的結構應力。使用溫度光纖傳感器的監測數據對應變/應力光纖傳感器進行溫度補償，忽略室溫條件下，試驗模型上應變/應力傳感器測點粘貼部位與溫度光纖傳感器粘貼部位的溫度差異。圖8是結構應力光纖監測模型試驗現場。

圖8 結構應力光纖監測模型試驗現場

在試驗模型上部布置平板及壓力加載立柱，使用壓力機在試驗模型頂部施加載荷，采用光纖傳感器監測各測點處的結構應力數據。

2 試驗結果與有限元分析結果對比

設計試驗模型并布置光纖傳感系統，對試驗模型指定位置施加載荷，分別為900、1 800和2 700 kN。使用光纖傳感系統監測試驗模型由于載荷作用產生的結構應力。對試驗模型進行有限元仿真計算，將光纖監測的結構應力結果與有限元仿真結果進行對比分析。

根據試驗模型尺寸，使用六面體應力單元建立的結構應力有限元分析模型。鋼板牌號為AH36，結構應力有限元分析模型使用的材料參數如表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，分析計算模型的結構應力。圖9是有限元分析模型的邊界條件。

表3 AH36鋼材料參數

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，采用有限元方法仿真得到的結構應力云圖。

a 壓力載荷900 kN

由于2個光纖光柵處于同一個溫度場中，兩者發生相同的溫度效應，對于應變傳感器，消除掉溫度變化引起的波長漂移，就可以得到應變單獨引起的波長漂移。在同一溫度場中，可使用1個光纖光柵溫度傳感器，實現對多個光纖光柵應變傳感器的溫度補償[15]。

在結構應力光纖監測試驗中，使用壓力機加載完成3組結構應力監測試驗。表4～6分別給出了由光纖監測試驗和有限元仿真獲得的不同測點處的結構應力值。可以看出，結構應力試驗模型各測點處由光纖監測試驗和有限元仿真獲得數據的相對誤差在2.17%～4.39%。說明在控制監測影響因素的條件下，分布式光纖光柵傳感技術可以可靠地、高精度監測結構物的結構應力。

表4 施加壓力載荷900 kN的測點結構應力

表5 施加壓力載荷1 800 kN的測點結構應力

表6 施加壓力載荷2 700 kN的測點結構應力

3 結語

以張力腿平臺典型結構型式為研究對象，采用光纖傳感技術對平臺結構模型的應力進行監測試驗和有限元仿真研究，分析了施加不同載荷作用產生的結構應力，探討光纖傳感技術在海洋平臺結構應力監測方面的適應性和可行性。研究結果表明，分布式光纖光柵傳感技術能夠可靠監測海洋平臺的結構應力，且具有較高精度。這為進一步把光纖監測技術推廣應用到海上平臺結構的裂紋損傷安全監測奠定基礎。