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船体应力检测系统在大型LNG运输船的应用

2021-12-04中海油能源发展采油服务公司乔胜勇

中国船检 2021年11期
关键词:光栅船体弹簧

中海油能源发展采油服务公司 乔胜勇

船体应力风险是船东风险管理的一部分。如果没有船体监测,就不知道船舶正在经历的实际应变。在现代航运业中,船体应力监测系统为船长提供实时的预警、辅助和预报。监船体应力监测系统是专门用于预警保护船体,将船体故障的风险降到最低,避免由于恶劣天气下不适当的装载或高速行驶而造成船体结构或货物损坏。船体应力检测系统可以提高海上运输的安全性,通过船体应力系统预警可以避免许多溢漏和更严重的环境灾难。它能够实现实时显示船舶受力的情况,并为LNG运输船的结构的安全性提供必要预警信息,以便及时采取应对措施。

整体介绍

PU液化天然气船造船项目的船体应力监测系统是通过测量船体在本身负荷和波浪的相互作用下而产生的相对变形,来感知船体结构所受到的结构应力,进而分析船体应力的变化,从而达到监测船体结构受力情况的目的。通过分布方式布置的传感器来测量并分析船体结构所承受的应力。所采用的分析方法是从信号中识别出静态、动态和缓慢变化的温度分量,并计算出不同的信号特征。结果会传送到驾驶台的中央装置,以便进一步分析、记录数据并显示给驾驶台人员,以协助导航。全光纤探头技术的船体应力监测,采用分布式光栅反射,在生活区A甲板EER的主控制盘向每路光纤探头发出周期变化的光束,当现场探头发生线性位移时折光率就会相应变化从而通过测量反馈波长和温度补偿段就可以反映出现场安装在龙骨上的4套LBSG(Long Base Strain Gauge,1700mm,Bandwidth 0-10Hz),船首水手长储藏间横隔梁上的Accelerometer横摇纵摆加速度探头(0-20Hz, ±2g)和船首浪压传感器。同时系统与DGS,VDR, IAS 及装载计算机通讯,用于补偿计算、报警监测记录。

安装、校验及特点

PU(Pan-Union)液化天然气船造船项目是中海油集团联合英国British Gas集团所建造的4艘LNG船造船项目。在此LNG船造船项目中,考虑到LNG船本身价值高且对船舶的安全性有较高要求,需要对船体结构应力进行有效监控,以确保LNG船的船体结构安全。PU项目LNG船的应力监测系统设有监控应变和疲劳的两种传感器,一种是SBSG (Short Base Strain Gauge短基应变仪, 100毫米) ,另一种 是LBSG (Long Base Strain Gauge,长基应变仪,1700毫米) ,用这两种标准型号的传感器来测量运动和加速度,监控系统的整体组成如图1。

图1 系统图

1、 现场安装

现场布置:典型的安装传感器的位置是在船甲板上和舱壁上。

应变传感器安装的位置, 应该使其能够很好地测量主要船体的变形,一般而言,安装结果应该排除诸如材料的非连续性、焊接和喷沙等局部应力集中的影响,安装传感器时可以运用造船厂进行精确安装的普通工作标准。

LBSG传感器:LBSG传感器和传感器盖通过螺栓固定在支架上,支架焊接在甲板上。使用安装工具进行焊接。传感器座和盖座在焊接前用螺栓固定在工具上。应变计按船级社要求用钢制作杆长1500~2300mm。应变计的线性范围为±2000微应变,精度至少为5微应变。测量带宽为0~5Hz。

图2 LBSG安装

图3 LBSG探头安装位置

相关规范要求:

A.仅受纵向整体船桁载荷影响的应变计(例如,油轮中的甲板量规)应设置为船舶装载仪器指示的载荷和实际船舶尺寸所产生的应力水平,或使用其他适当的应力分析方法。在可行的范围内,应在船舶载荷不变、海气温差较低以及船舶处于中等或重型压载状态的条件下进行设置。

B.局部应力。如果应变计安装在除整体船桁体加载应力外具有其他重要应力分量的结构上,则应对其设置的应力进行详细分析,并提交审查。

2、校验

LBSG传感器:每个应变计最初设置为在商定的加载条件下计算的应力值。该计算应力与加载仪器的输出一致。传感器的初始读数与随后在静水中商定的加载条件进行定期检查。如果出现的差值大于批准值的5%或10 N/mm2(以较大者为准),则重复设置和随后的检查程序。通过将底座移动到底座支架上,在电子设备箱中预先设置传感器读数。传感器的微调是基于HULLMOS系统的软件。通过在传感器的仪表弹簧之间插入精确的校准板来检查刻度。

相关规范要求:

压力计的设置应在初始设置后的三个月到六个月之间进行评估。船舶操作人员应按照验证程序从装载仪器和船体状况监测器中获取相关值,并提交给ABS。如果变化太大,则需要重复设置程序。

3、传感器

PU项目的光纤传感器均基于光纤应变计。对于光纤传感元件和电子传感元件,传感器在机械上是相同的。LBSG(F)是基于长钢杆对船体变形的累积。杆弯曲传感器电子单元内的仪表弹簧。一个弹簧一个应变计感测相对于船体变形的待处理量,另一个用于温度补偿ACC(F)基于加速度下的弹簧弯曲。弹簧固定在另一端,自由端上有一个小砝码。弹簧浸没在油中减震。一个弹簧一个应变计感测相对于加速度的待处理量,另一个用于温度补偿压力(F)是基于仪器探头管,其中水压作用导致相对于压力的变形。一个探针管一个应变计感测相对于压力的变形量,另一个用于温度补偿除电缆连接细节外,两种类型(电子和光纤)的安装手册相同。在光纤传感器中,焊接的电缆直接连接到传感器上,以保证最小的衰减和对环境危害的最大抵抗力。

表 ABS对该类传感器的要求

光纤应变计适合于分布式应变传感,因为大量的传感器元件可以包含在单个光纤(多路复用)中,如下所述。光纤布拉格光栅加速度计通常基于机械振荡器弹簧中的应变测量,可以使用用于布拉格光栅应变测量的相同询问系统进行询问。光纤布拉格光栅是对光纤芯中折射率的周期性调制。包含调制的区域,其长度通常限制在厘米或更小,当被宽带光源(通常集中在1300或1550nm左右)照明时,其充当选择性滤光片,除了窄带之外,其它所有波段都能通过。窄带被反射,中心波长Bragg波长由调制周期决定。由于在调制区域轴向拉伸光纤会影响周期性,因此当Bragg波长随所施加的轴向应变线性移动时,光纤光栅自然适合于应变传感。通过用宽带光源照亮传感器光纤,我们可以处理多个光栅,每个光栅的调制周期略有不同,因此可以执行准同步 在一根光纤上使用多个点传感器的分布式应变传感。

传感器功能

传感器里配备有永久内存能力,以便于进行以下分析:

● 信号平均值计算;

● 信号标准偏差计算;

● 信号峰值探测;

● 平均零点交叉期探测;

● rainflow方法分析/FFT信号。

应力监测系统优点

● 更现代和方便的显示、策略显示、运行高级分析的可能性;

● 早期预警避免不可恢复的结构性损伤,尽量减少船舶价值的贬值;

● 降低船只的维修和维护费用,以更好的质量提高租船费率;

● 提高船只的日程和优化航行日期;

● 降低在船只全生命周期的保险费用;

● 为操船公司的安全运营提供技术支持,船舶调度与调度的改进航次优化。

PU项目4艘LNG运输船的船舶应力监测系统旨在防止超过设计应力。它可以监控船舶装载、卸载或航行时的所有静态和动态力,保持实时、连续和持久记录船体结构的受力情况,有助于确定运输船的操作限制,警告操船人员应力正接近设计许可的最大值,需及时对船舶的操纵或装卸进行调整,使操作人员能更安全的操作船只,并且对船舶的控制、航行、操纵和船体反应等信息进行记录,以便日后进行海事分析。

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