基于光纤传感技术的结构应力监测试验研究

韩旭亮, 王世圣, 谢文会, 呼文佳

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

南海环境条件恶劣，台风频发，同时伴随强内波流，环境条件对海洋平台破坏力强。海上平台长期服役，由于变载荷引起的结构疲劳进而引起裂纹损伤、海水腐蚀使结构产生凹陷等，对平台结构的强度、承载能力以及工作寿命产生严重的影响[1]。平台结构一旦失效，后果严重。

中国南海在役海洋平台有十几座已经投入使用几十年，并超过其设计年限。由于油田开采年限及经济性的需要，一些油田还将延长平台的服役年限。以南海挑战号FPS为例，该平台1975年在加拿大建造，在1995年完成改造，2007年上半年在油田现场进行了局部大修，2010年入坞大修。平台入坞后发现一系列结构安全问题：平台结构、管线腐蚀严重，检测到的减薄点最大减薄率达到70%。平台桩腿海水飞溅区腐蚀严重，局部坑蚀超标。系泊系统平台链腐蚀超标；裂纹问题突出，水下结构及平台主结构存在多处裂纹，需做修复。2012年针对另一座在役半潜式钻井平台无损探伤检测，也发现缺陷多达37处，其中有3处渗漏。平台结构件存在裂纹等结构损伤，严重威胁平台结构安全[2]。

光纤传感技术是利用光纤传输光波物理特征参量，通过光参量变化来测量外界信号变化的技术。光纤传感器长期稳定性好，测量误差小，不受电磁和电波干扰，具有优良的传感特性，且质量轻、直径小，不受化学腐蚀，易埋入或表面粘贴安装，具有较好的应用性[3-9]。由于光纤传感技术自身的技术特点，它对恶劣的工程环境具有本质免疫性，在大型工程安全监测中广泛应用[10-12]。近年来，国内外研究者将光纤传感技术应用于石油、化工、油气管线、钻井平台的安全监测中，例如：美国的CIDRA和英国的Smart Fibres公司都将光纤传感器用于海洋石油平台结构监测，利用结构的应力、应变、位移等监测数据评估平台结构的健康状况。然而，目前光纤传感技术在海洋平台监测方面的应用多集中于海洋环境与载荷监测、海洋平台原型测量、运动响应监测等[13-14]，尚缺乏对海洋平台结构安全可靠有效的监测手段和评估方法。

本课题以张力腿平台典型结构型式为研究对象，开展基于光纤传感技术的结构应力的监测模型试验和数值模拟研究。通过模型试验与数值分析相结合的方法，计算分析了施加不同载荷作用产生的结构应力。探讨光纤传感技术在海洋平台结构应力监测方面的适应性和可行性，为在役海上平台结构安全提供技术支持，提高海上平台使用寿命。

1 光纤监测试验设计方案

1.1 监测试验模型

针对张力腿平台的受力特点，主要的受力位置在tendon porch的位置。tendon porch受力位置(T1～T8)如图1所示。T1～T8是张力腿8个tendon的连接位置，一般情况都会在这个位置布置相应的传感器，监测该位置的结构应力状态。

图1 张力腿平台应力监测位置示意

由图2可以看出，tendon连接位置主要有3种结构型式：

图2 tendon连接位置结构

1) 单独板与板连接的对接模型。

2) 肋板和舱壁连接的肘板模型。

3) tendon porch支撑结构与肋板、舱壁连接的横舱壁模型。

选择第3种典型结构型式作为光纤监测结构应力的试验模型，如图3所示。

图3 光纤监测试验模型

1.2 钢板参数及布置方式

光纤监测试验中采用屈服强度为355 MPa的高强度A级船用钢，即，AH36钢板，其尺寸为1 000 mm×1 000 mm×10 mm，端部做打磨处理。采用角焊形式对钢板进行焊接，双面焊，钢板厚度10 mm，焊趾高10 mm。将钢板切割、打磨，按照图4所示的试验模型尺寸组装，并以点焊局部固定布置。

图4 试验模型焊接尺寸

1.3 光纤传感器参数

根据试验要求，使用多测点应变/应力分布式光纤光栅传感器，如图5所示。它的主要参数如表1所示。

图5 分布式光纤光栅传感器结构

表1 光纤光栅传感器主要参数

由于光纤光栅同时对温度和应变敏感，当温度和应变同时发生变化时，仅测量单个光纤光栅的波长变化量，将无法区分由温度和应变分别引起的波长变化。因此，试验还需要使用温度光纤光栅传感器对温度补偿。图6是温度光纤光栅传感器的结构。其主要参数如表2所示。

图6 温度光纤光栅传感器结构

表2 温度光纤光栅传感器主要参数

1.4 光纤监测系统调试

光纤传感器的布设方便灵活。试验中，光纤传感器与试验模型之间使用环氧树脂胶粘贴，环氧树脂胶固化后(约需2 h)即可进行光纤监测系统的调试及数据采集。将测试件上的光纤传感器与解调仪(如图7所示)连接，设置各项监测参数，调试确认光纤传感系统可以从测试件上采集、读取、存储应力数据，对于初始误差及温度影响进行补偿。为了避免各测点间的干扰，光纤传感解调仪每个通道接收20个左右的传感器数据，具有更好的监测效果。光纤监测系统数据采集重复性好，在数据采集过程中，光纤监测系统灵敏度高，响应速度快，适合大型结构物长时间多测点分布式监测。

图7 光纤传感器解调仪

1.5 光纤监测试验模型

选择焊接完成的横舱壁试验模型，在指定位置打磨并使用环氧树脂胶粘贴应变/应力光纤传感器及温度光纤传感器。在粘贴应变/应力光纤传感器上方的边缘位置施加载荷，监测由此产生的结构应力。使用温度光纤传感器的监测数据对应变/应力光纤传感器进行温度补偿，忽略室温条件下，试验模型上应变/应力传感器测点粘贴部位与温度光纤传感器粘贴部位的温度差异。图8是结构应力光纤监测模型试验现场。

图8 结构应力光纤监测模型试验现场

在试验模型上部布置平板及压力加载立柱，使用压力机在试验模型顶部施加载荷，采用光纤传感器监测各测点处的结构应力数据。

2 试验结果与有限元分析结果对比

设计试验模型并布置光纤传感系统，对试验模型指定位置施加载荷，分别为900、1 800和2 700 kN。使用光纤传感系统监测试验模型由于载荷作用产生的结构应力。对试验模型进行有限元仿真计算，将光纤监测的结构应力结果与有限元仿真结果进行对比分析。

根据试验模型尺寸，使用六面体应力单元建立的结构应力有限元分析模型。钢板牌号为AH36，结构应力有限元分析模型使用的材料参数如表3所示。固定有限元分析模型底面，在模型顶部施加压力载荷，分析计算模型的结构应力。图9是有限元分析模型的边界条件。

表3 AH36钢材料参数

图9 有限元分析模型边界条件

图10分别给出了施加压力载荷为900、1 800、2 700 kN时，采用有限元方法仿真得到的结构应力云图。

a 压力载荷900 kN

由于2个光纤光栅处于同一个温度场中，两者发生相同的温度效应，对于应变传感器，消除掉温度变化引起的波长漂移，就可以得到应变单独引起的波长漂移。在同一温度场中，可使用1个光纤光栅温度传感器，实现对多个光纤光栅应变传感器的温度补偿[15]。

在结构应力光纤监测试验中，使用压力机加载完成3组结构应力监测试验。表4～6分别给出了由光纤监测试验和有限元仿真获得的不同测点处的结构应力值。可以看出，结构应力试验模型各测点处由光纤监测试验和有限元仿真获得数据的相对误差在2.17%～4.39%。说明在控制监测影响因素的条件下，分布式光纤光栅传感技术可以可靠地、高精度监测结构物的结构应力。

表4 施加压力载荷900 kN的测点结构应力

表5 施加压力载荷1 800 kN的测点结构应力

表6 施加压力载荷2 700 kN的测点结构应力

3 结语

以张力腿平台典型结构型式为研究对象，采用光纤传感技术对平台结构模型的应力进行监测试验和有限元仿真研究，分析了施加不同载荷作用产生的结构应力，探讨光纤传感技术在海洋平台结构应力监测方面的适应性和可行性。研究结果表明，分布式光纤光栅传感技术能够可靠监测海洋平台的结构应力，且具有较高精度。这为进一步把光纤监测技术推广应用到海上平台结构的裂纹损伤安全监测奠定基础。