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如何解決自升式鉆井平臺樁腿安全問題
發布時間:2020-07-17 瀏覽次數:24243 來源:歐美大地

海洋鉆井平臺是從事海上油氣勘探開發作業的大型鋼結構體。自升式鉆井平臺是海上可移動式鉆井平臺的一種,作業時將樁腿插入海底泥面以下,站立在海床上,利用樁腿托起船體并保持船體底部與海平面有一定的氣隙。

隨著全球海上鉆探市場的回暖,自升式鉆井平臺的市場利用率有所回升,未來需求還將進一步提高。國內自主研發的自升式鉆井平臺的使用規模也在逐年擴大,中國境內作業的鉆井平臺中80%為自升式鉆井平臺。

海上鉆井平臺運營使用的安全性和可靠性非常重要,樁腿作為自升式鉆井平臺的關鍵結構,其安全可靠性直接關系到整個鉆井平臺在海上作業的安全。

 

 

自升式鉆井平臺的樁腿在使用過程中,長期受到海水的腐蝕及不斷變化的環境荷載的作用,在平衡位置附近循環震蕩產生隨時間變化的應力(或應變),很容易產生疲勞裂紋并產生一定的疲勞累積損傷,對整個自升式平臺的安全性構成嚴重的威脅。且樁腿處于水下,不易觀察。因此,監測技術的采用是很重要的。

監測技術作為工程師的眼睛,在工程的安全施工和順利運營中發揮著不可忽視的作用。目前工程監測所采用的傳感器元件主要是基于電阻式、電感式及鋼弦式等的點式傳感器。但海洋環境惡劣,潮濕且腐蝕性強,這些常規的電類傳感器普遍存在壽命短、易受周圍環境影響、易受電磁干擾、易被腐蝕等問題。

光纖類傳感技術是近年來發展起來的先進監測技術。光纖傳感器是利用光纖技術和光學原理,將感受的被測量轉換成可用輸出信號的傳感器。

在光纖傳感器中,光纖既是傳感介質,也是傳輸介質。作為傳感介質的光纖,具有測量敏感性高、性能穩定的優點;而作為傳輸介質的光纖,在傳輸過程中不受電磁干擾、信號損失小,傳感光纖可以直接通過光纜連到控制檢測中心,這樣就可以試驗遠程分布式監測。

 

 

 
 

海上鉆井平臺樁腿監測方案

 

針對自升式海上鉆井平臺樁腿監測這一特定應用,基于SOFO光纖傳感器測量精度和分辨率很高,適用于少量布點的結構重點部位監測的特點,我們提出一個參考性建議方案。

 

 
 

SOFO光纖傳感器

 
 

SOFO(源于法語Surveilance d’Ouvrages par Fibres Optiques的首字母,意為光纖結構監測)是由瑞士聯邦工業學院土木工程系IMAC應力分析實驗室開發的一種點式光纖傳感器。

SOFO系統包括傳感器、一套讀數儀、數據采集和分析軟件。傳感器由兩根光纖組成,分別是測量光纖和參考光纖,這兩根光纖都裝在同一根保護管中。測量光纖與被測結構結合并隨結構一起變形。為了測量縮短和伸長,測量光纖被預張拉了0.5%。參考光纖是松弛的,因此與結構的變形無關;它的作用是補償溫度對傳感器的影響。讀數儀發出的光學信號(光)通過一個  耦合器進入傳感器,在兩根光纖末端被反射鏡反射回讀數儀,在讀數儀中被一對匹配光纖解調。返回光包含有結構物變形的信息,該信息被讀數儀解碼,并在筆記本電腦上顯示。典型傳感器的長度范圍是250mm-10m,分辨率與標距無關,為2 μm,精度為0.2%。傳感器的動態范圍在受壓時為0.5%,在伸長時為1%。

 

SOFO系統在上世紀90年代初開始研制,1995年開始商業化生產,隨后應用于各種民用結構的監測,例如巖土工程、橋梁、大壩、民用和工業建筑等。該系統對溫度變化、電磁場、濕度和腐蝕不敏感,至少6年內(第一次安裝后)不受漂移的影響,這使得該系統既適合短期監測也適合長期監測(估計長期穩定性長達20年)。傳感器可直接埋入新拌混凝土或者使用專門設計的便于安裝的L型支架在結構表面上安裝。無需標定,成活率高(在正常條件下,正確埋入混凝土中的傳感器的成活率高于95%)。長標距傳感器比傳統應變傳感器更可靠,更精確,它測得的是長距離內的平均應變,不受材料局部缺陷如裂縫和氣孔的影響。

 

 
 

SOFO監測系統描述

 
 

自升式海上鉆井平臺樁腿監測基于光纖低相干涉原理的SOFO監測系統,采用定期、連續和準靜態監測模式,用以增加對樁腿荷載、樁腿荷載分布、來自平臺荷載的重心等結構情況的了解。監測參數包括:

  • 每根樁腿(共三根樁腿)某個截面的荷載

  • 平均應變

  • 整體平均曲率和溫度

SOFO系統通過監測樁腿每根樁(3根樁/每根樁腿)在荷載作用下產生的平均應變來間接監測每根樁腿的荷載,如圖下所示。測得了樁腿每根樁上的平均應變,可計算出樁腿的總荷載。

在”I”樁腿橫截面圖中SOFO傳感器和熱電偶的位置

 

SOFO傳感器和熱電偶在樁腿1上的整體位置及系統的集中

 

 

 
 

SOFO系統硬件配置

 
 

整套系統建議采用9個SOFO標準傳感器(3個/樁腿)和9個熱電偶(三根樁腿)。使用標準的L形支架并按焊接步驟把這些傳感器安裝在表面上。

01

標準SOFO傳感器

標準SOFO傳感器用于監測平均應變。由于樁腿由鋼材制成,而鋼材被認為是均勻材料,建議的傳感器長度為0.5到1m。

SOFO VII 標準變形傳感器
 

 
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適用范圍

安裝在結構表面上或埋入在混凝土或砂漿中。適合長期監測結構的變形。

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主要特點

  • 高分辨率

  • 埋入或表面安裝

  • 對溫度不敏感

  • 對腐蝕和振動不敏感

  • 不需要校準

  • 易于安裝

  • 長期可靠性

  • 防水

  • 靜態測

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技術規格

 

02

熱電偶

因為結構暴露在溫度變化的環境中,因此有必要監測溫度來區分測得總應變中的溫度應變。為此建議使用SOFO系統兼容的K型熱電偶。為了使這些傳感器與SOFO系統相兼容,必須使用SOFO橋接設備和ADAM模塊。

 

iCIVIL-2404熱電偶
 

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適用范圍

用于結構體內部或外部溫度的長短期監測。

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主要特點

  • 半導體溫度計可串行,用于分布式溫度測量

  • 安裝快捷方便

  • 性價比高

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技術規格

 

03

讀數儀

把同在一根樁腿上的一組SOFO傳感器連接到中繼連接箱,以便進行集中測量。相應的ADAM模塊也安裝在箱子中。三個中繼連接箱被連接到平臺上辦公室內的測量中心。測量中心包括12通道的SOFO讀數儀,SOFO橋接單元,以及ADAM模塊的電源。讀數儀可以選擇SOFO便攜讀數儀,使用方便。

 

SOFO VII/MuST 便攜式讀數儀
 

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適用范圍

適合現場使用的可靠、多功能光纖數據記錄儀,可測讀SOFO和FBG傳感器。

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主要特點

  • 光纖傳感技術

  • 兼容所有SOFO傳感器

  • 兼容所有MuSTFBG傳感器

  • 在單個項目中混合匹配SOFO和MuST技術

  • 長達3個小時續航時間的電池

  • 使用備用電池的可能性

  • 動態范圍大

  • 12” 觸摸屏

  • 直觀的用戶界面(SDB)

  • 具有完整數據記錄儀功能的軟件

  • 光譜分析儀

  • 高分辨率和精度

  • 不需要校準

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性能參數&技術規格

 

 
 

SOFO系統測量參數

 
 

SOFO系統將記錄變形和溫度,并保存在單一關系數據庫中。這簡化了數據處理和分析。該數據庫可以與其它數據庫對接,便于和其它已安裝的監測系統進行數據同步。SOFO傳感器讀數一次約需6-10秒,熱電偶讀數一次約需2-3秒。傳感器僅能順序讀取(非同時)。因此,讀取所有傳感器的平均時間大約是2分鐘。使用SOFO Pro和SOFO View軟件,可以實時計算,并在顯示屏上顯示預警和警告(如超過某些閥值)。

系統測量參數

 

 
 

SOFO系統測量和數據管理計劃

 
 

零點測量是第一步執行的有意義的測量(之前的測量可視為檢查測量),零點是將來所有測量的基準。因此,監測參數的演變將相對于零點被記錄和顯示。這就是準確確定測量時間如此重要的原因。零點測量的設定取決于實際項目的要求。

  • 24~48 小時連續監測:為了記錄結構對每天溫度變化的響應,建議連續監測。在24到48小時內,每小時將做一組測量。

  • 荷載測試 (若有的話): 一般每次加載后,做一組測量。

  • 翻新、維修或擴建之前:該測量有助于了解結構重建前的狀態,每天在一段既定時間(有代表性的)測量幾次 (如:在早上、中午、下午和晚上做一組測量)。另外為了確定每日溫度的影響,建議做幾次連續24小時或者48小時的監測 (每小時做一組測量)。

  • 翻新、維修 或擴建期間:除了每天4次的連續監測外, 一般每次增加或減少荷載后做一組測量。

  • 在役期間長期監測:對于長期監控,建議每天至少做1-4組測量,對于周期監測,至少每周到每月做一組測量。還建議每年做24-28小時連續監測(24小時內至少每小時做一組測量)。

  • 特別事件:在強風、大雨或者地震發生時或之后做一組測量。

 

SOFO監測系統適用于各類結構,如橋梁,大壩,隧道等的安全性監測,可以獲得結構體在施工初期到運營過程準確的安全狀態信息。關于SOFO在不同應用領域的解決方案,歡迎與歐美大地溝通、探討。

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