CN100346144C - 基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，包括一个具有一定柔性的圆筒和应变传感装置，圆筒套装在海洋平台导管上，该圆筒沿所述导管可上下滑动，并在垂直方向上没有约束力，在所述圆筒内壁沿圆筒径向和环向等间距密集贴有所述应变传感装置，在所述圆筒和导管之间填充具有一定柔软形的硅胶，在所述圆筒的两端安装使所述圆筒悬浮于海洋上的可悬浮材料。本发明采用筒式结构可以最大限度地保持原导管的几何形状，降低冰载荷因结构迎冰面几何形状改变而导致的变化，具有直接测量和间接反演的优点。

Description

基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置

技术领域

本发明涉及一种海洋平台结构冰载荷的测量装置。

背景技术

冰载荷是我国渤海海域油气钻井平台设计的主要控制载荷。影响冰载荷的因素很多，主要有海冰的物理力学性质以及海冰与平台结构的耦合作用等。这些因素有些本身十分复杂，有些如果单从理论上进行分析则难度较大，因此目前分析平台结构冰载荷的主要手段是通过实验来进行，包括模型实验和原型实验。一般的情况是通过分析多次实验所直接得到的冰载荷数据资料，再根据一些先验知识和必要的理论分析来得到能在一定程度上准确地描述冰载荷的结果，这种做法是目前比较可行的办法。其中原型实验所得到的冰载荷数据显然要更加真实和可靠。

从六十年代开始，国内外曾多次对各种抗冰结构的冰载荷进行了直接测量或利用结构响应数据进行间接的反演，如下表所示：

人员	位置	结构形式	冰类型	冰力测量方法	日期
						杨国金、Wessels	辽东湾	钻井平台	移动冰盖、冰脊、冰盘	压力盒直接测量和用加速度数据反演	1988～1992
Blenkarn	库克湾，阿拉斯加	钻井平台	运动海冰和冰脊	构件上的应变计，用荷载盒试验桩柱	1963～1969
						Lipsett和Gerard	Athabasca河、Pembina河	河流桥墩	运动河冰	由载荷盒支承桥墩前沿和桩柱，参照过去的性能估计	1967、1969
Mttnen	芬兰湾	灯塔	移动冰盖	压力盒直接测量	1975

Frederking	Rideau河	河流桥墩	运动河冰	用充液压力枕(fluid-filledflatjack)包裹28％的桥墩周线	1992
						Haynes	St Regis河	河流桥墩	运动河冰	沿桥墩周线包裹CRREL压力盒测量河冰压力	1991
Timco	Beafurt海	活动式钢沉箱人工岛	运动海冰和冰脊	MODEFPanel直接测量、应变计	1980s
						Xu	渤海湾	JZ-20钻井平台	移动冰盖	接触面上布置压力盒直接测量	1980s～1990s

由表中可看出，目前对冰力的直接测量主要通过压力盒或载荷盒来实现的。使用压力盒等传感器直接测量的方法原理简单，可操作性强，但是这种方法也存在一些缺点。首先，压力盒对被测量载荷的方向和分布状况均有选择性，对于垂直于压力盒表面的均布压力测量效果最好，而对于切向载荷基本不敏感，因而适合于流体中的压力测量。对于固体接触材料，使用压力盒测得的载荷会随着材料刚度的增加而逐渐偏离真实值(偏低)；其次，对于液压式和振弦式压力盒，由于机械滞后效应比较明显，测量得到的载荷其高频分量将失真[[谢永利，王晓谋.关于电阻式微型压力盒的标定与分析[J].西安公路学院学报，1993，13(3)：23～27.]、[陈志坚，游庆什，林闽，李提艳.振弦式压力盒在刚性接触面应力监测中的应用研究[J]，中国工程科学，2002，4(12)：80～85.]]；此外，压力盒对标定的要求比较高，在实验室内采用油压的方式标定其效果一般比较好[谢永利，王晓谋.关于电阻式微型压力盒的标定与分析[J].西安公路学院学报，1993，13(3)：23～27.]，但这种情况与其原始受力方式存在一定差异，而采用砂、土进行标定的结果则往往不能令人满意[谢永利，王晓谋.关于电阻式微型压力盒的标定与分析[J].西安公路学院学报，1993，13(3)：23～27.]。

鉴于各种测量条件的限制，压力盒往往只能分布在有限几个平台桩腿上，而且沿腿柱一周的分布角度也有限制，因此无法实现对平台总的、全方位的冰力的测量。因此人们又试图通过利用结构的整体响应(如加速度响应)的方法来反算平台的动态总冰力，但这种动态载荷反演方法需要比较完整和精确的结构参数如固有频率、阻尼和模态等，否则反演的结果会有较大误差。此外，在测点数目有限的情况下，测点的布置和测量数据的精度都对反演的结果有较大的影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，可以适用于各种载荷状况。

为实现上述目的，本发明一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置包括：一个具有一定柔性的圆筒和应变传感装置，圆筒套装在海洋平台导管上，该圆筒沿所述导管可上下滑动，并在垂直方向上没有约束力，在所述圆筒内壁沿圆筒径向和环向等间距密集贴有所述应变传感装置，在所述圆筒和导管之间填充具有一定柔软形的硅胶，在所述圆筒的两端安装使所述圆筒悬浮于海洋上的可悬浮材料。

进一步地，所述圆筒内壁上安装有滑轮，滑轮压靠在所述导管上，所述圆筒通过该滑轮沿所述导管可上下滑动。

进一步地，所述应变传感装置为应变片或应变花。

进一步地，所述圆筒由铝合金制成。

进一步地，所述可悬浮材料为泡沫塑料。

本发明采用筒式结构可以最大限度地保持原导管的几何形状，降低冰载荷因结构迎冰面几何形状改变而导致的变化，具有直接测量和间接反演的优点，只要采样频率足够高，将不存在滞后效应，而且由于应变数据直接来自于与冰相互作用的结构的局部区域，这些数据包含有原始载荷的全部信息，因此与压力盒相比，它可以适用于各种载荷状况。

附图说明

图1为本发明结构剖面示意图。

图2为图1A-A向剖面示意图。

图3为反演的动载荷与实际测量值的比较。

具体实施方式：

首先，要想对结构的局部区域进行标定以确定应变柔度矩阵，则必须在现场进行，而且难度很高；其次由于海平面的涨落使得局部区域经常发生变动；此外对于裸露在结构外表面的应变片进行保护以免在与冰层的碰撞中损坏也是必须要考虑的问题。因此，为解决上述存在的问题并且使得测量简便易行，我们设计了一种套筒式结构，如图1所示。采用筒式结构可以最大限度地保持原桩腿的几何形状，降低冰载荷因结构迎冰面几何形状改变而导致的变化。在海洋平台导管6上套装一个具有一定柔性的圆筒1，圆筒1由铝合金制成，圆筒1的刚度过低会导致圆筒结构的自振频率不能满足准静力反演中远大于冰载频率的要求，从而为将来的载荷反演增加了难度，圆筒1内壁上下两端4个等间距位置上安装有8个滑轮3，滑轮3压靠在导管6上，圆筒1通过该滑轮3沿导管6可上下滑动，并在垂直方向上没有约束力；圆筒1内壁沿圆筒1径向和环向等间距贴有应变片2(也可以为应变花)，达到一定程度上的密集分布，同时应变片2粘贴于圆筒1内表面，这样可以有效避免冰层对应变片2的损坏；在圆筒1和导管6之间填充具有一定柔软形的硅胶5；在圆筒1的两端安装使圆筒1悬浮于海洋上的泡沫塑料。

安装完毕后，在每一应变片2位置施加已知单位集中力，同时测量所有位置的应变数据，由此得到应变柔度矩阵，从而对应变片2进行数据标定；然后再由海冰撞击圆筒1，在圆筒1内侧产生应变，由测量得到的动态应变数据进行反演算。反演算根据下述公式进行：

${\left\{F\left(t\right)\right\}}_{n\×1}=\left\{\begin{array}{cc}{\left[{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}\right]}_{n\×n}^{-1}{\left\{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\right\}}_{n\×1}& (m=n)\\ ({\left[{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}\right]}_{n\×m}^T{\left[{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}\right]}_{m\×n}{)}^{-1}{\left[{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\ϵ}}\right]}_{n\×m}^T{\left\{\mathrm{\ϵ}\left(t\right)\right\}}_{m\×1}& (m>n)\end{array}\right.$

计算得到实际的冰力载荷，式中[δ_ε]、{ε(t)}和{F(t)}分别为应变柔度矩阵、t时刻冰载作用下测量得到的应变响应数据和反演的t时刻的冰力。

为了验证载荷反演的结果，我们制作套筒1厚约1.5mm，直径350mm，这样在较小的载荷下即有明显的应变响应，便于手动加载控制。套筒1内表面共布置了26个应变片2，各片之间间距3cm。先进行动态标定，即分别在各个应变片2位置施加动态集中压力时程曲线(由力传感器测量)，同步采样测量各应变片2的响应，采样频率均为512Hz。对各个采样时刻点的应交响应值除以该时刻的力信号，并在时域内取加权平均值即得到应变响应柔度矩阵，然后我们在图示斜线区域施加均匀分布的动态压力时程曲线，并测量此动压力时程曲线。在反演均匀分布动压力载荷时，按照上文所述的方法分析各个测量点的应变响应，并确定动态力的分布区域。最后根据上述公式反演每一采样时刻点的载荷。图3为反演的动载荷与实际测量值的比较。图中计算的结果清楚地反映了实际动载荷的频率特征和作用规律，计算值略有些偏高，绝对误差基本上在5～8N左右，相对误差约为5％～20％。在初始阶段，动载荷峰值较低，误差较大，但随着动载荷峰值的逐步增加和稳定，误差也随之降低。

Claims (5)

1、一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，其特征在于，包括：一个具有一定柔性的圆筒和应变传感装置，圆筒套装在海洋平台导管上，该圆筒沿所述导管可上下滑动，并在垂直方向上没有约束力，在所述圆筒内壁沿圆筒径向和环向等间距密集贴有所述应变传感装置，在所述圆筒和导管之间填充具有一定柔软形的硅胶，在所述圆筒的两端安装使所述圆筒悬浮于海洋上的可悬浮材料。

2、根据权利要求1所述的一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，其特征在于，所述圆筒内壁上安装有滑轮，滑轮压靠在所述导管上，所述圆筒通过该滑轮沿所述导管可上下滑动。

3、根据权利要求1或2所述的一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，其特征在于，所述应变传感装置为应变片或应变花。

4、根据权利要求3所述的一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，其特征在于，所述圆筒由铝合金制成。

5、根据权利要求4所述的一种基于局部密集应变响应的海洋平台冰力测量装置，其特征在于，所述可悬浮材料为泡沫塑料。