CN104278702B - 一种海洋平台形变倾斜评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海洋平台的倾斜评估方法，属于海洋工程技术领域。通过实时监测桩腿上应变传感器的测量数据获取海洋平台的倾斜状态矩阵，然后对该倾斜状态矩阵进行关联分析，获得海洋平台的整体倾斜图像，从而直观的显示其倾斜状态。同时在辅以适当安全系数，即可做出辅助决策，使操作者能够掌握桩腿变形趋势情况；并在超过预定变形值时进行预警，便于及时作出调整，有效指导洋平台升降船的桩腿插拔桩作业。

Description

一种海洋平台形变倾斜评估方法

技术领域

本发明涉及一种形变倾斜评估方法，具体涉及一种海洋平台的倾斜评估方法，属于海洋工程技术领域。

背景技术

海洋平台通过桩基础来支撑和平衡重量，其平台荷载通常由多个桩腿共同来承载。海洋平台在升降插拔桩过程中，桩腿会由于倾斜挤压产生变形，导致平台倾斜。为避免出现桩腿卡滞情况，通常是对每个桩腿的形变进行监测，通过评估其形变倾斜情况，及时作出预警，并指导海洋平台升降船的桩腿插拔桩作业，从而保证平台的运行安全，降低维护成本，提高设备完整性，延长使用寿命。

目前针对海洋平台的桩腿形变倾斜评估，通常是在各桩腿上分别安装应变计来分别感知单个桩腿的变形，通过获取各桩腿的形变信息来决定是否需要调节该桩腿的插拔情况，这种分析采用的为单点调整的方式，忽略了各桩腿的变形情况不一致所带来的关联性影响。采用该种分析方法对平台的整体倾斜情况缺乏有效的评估，往往容易出现桩腿局部过度挤压的情况，如何正确预测和评估因桩腿发生过度挤压形变导致平台整体倾斜状况，一直未能很好解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种海洋平台的倾斜评估方法，采用该方法能够通过对海洋平台倾斜和桩腿变形的相互关系进行联合分析评估，获得海洋平台的整体倾斜图像，直观的显示其倾斜状态；同时能够实现对海洋平台升降过程的安全预警，有效指导海洋平台升降船的桩腿插拔桩作业。

通过该方法获得海洋平台的整体倾斜图像，用于表示其倾斜评估结果。

所述海洋平台由N个桩腿支撑，每个桩腿包括M根舷管；其中N和M均为大于或等于3的整数。

对海洋平台的倾斜评估过程为：

步骤一：舷管的形变分析

定义舷管的形变监测应力矩阵Z为：

$Z=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& A_2\\ A_3& A_4\end{array}\right]$

其中：A₁为舷管左上端的应变量，A₂为舷管右上端的应变量，A₃为舷管左下端的应变量，A₄为舷管右下端的应变量；

用形变监测应力矩阵Z的量值|Z|＝(A₁-A₂)+(A₄-A₃)来描述舷管的受力挤压状况；

步骤二：桩腿的倾斜形变状态分析

将舷管形变监测应力矩阵Z的量值|Z|用归一化量值表示；

具体为：将舷管的受力挤压状况分为三种，分别为无接触形变、有接触形变和接近塑性形变；其中无接触形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₀，归一化量值为0；有接触形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₁，归一化量值为1；接近塑性形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₂，归一化量值为2；则：

表示舷管无接触形变或受力轻微挤压；

表示舷管左向受力中度挤压；

表示舷管左向受力严重挤压；

表示舷管右向受力中度挤压；

表示舷管右向受力严重挤压；

定义桩腿的挤压形变向量T为：

$T=\left[\begin{array}{ccccc}\left|\stackrel{\‾}{Z_1}\right|& \left|\stackrel{\‾}{Z_2}\right|& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \left|\stackrel{\‾}{Z_M}\right|\end{array}\right]$

其中为用归一化量值表示的桩腿中第i根舷管形变监测应力矩阵的量值，i＝1...M；依据桩腿的挤压形变向量T，获得其倾斜形变状态，所述桩腿的倾斜形变状态指桩腿的倾斜方向和倾斜程度；

用矩阵K表示桩腿的倾斜形变状态，则 $K=\left[\begin{array}{c}E\\ F\end{array}\right],$ 其中E表示桩腿的倾斜方向，F为桩腿的倾斜程度；

步骤三：海洋平台倾斜关联分析

将支撑海洋平台的各个桩腿的倾斜形变状态分别记为K₁、K₂......K_N；

依据步骤二中所获得的每个桩腿的倾斜形变状态，获得海洋平台的倾斜关联分析矩阵S^*：

$S^{*}=\left[\begin{array}{cccc}{K}_1& K_2& \mathrm{......}& K_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{E}_1& E_2& ...& E_N\\ F_1& F_2& ...& F_N\end{array}\right]$

其中E_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜方向，F_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜程度，j＝1...N；

依据倾斜关联分析矩阵中描述的海洋平台各桩腿的倾斜方向和倾斜程度，结合海洋平台上设置的水平仪所测得的海洋平台的倾角，对海洋平台的倾斜状态进行仿真，获得海洋平台的整体倾斜图像。

作为本发明的一种优选方式，设置海洋平台中舷管的安全预警应力量值，其中轻微挤压的安全预警应力量值为λ₁W₀，中度挤压的安全预警应力量值为λ₂W₁，严重挤压的安全预警应力量值为λ₃W₂；所述λ₁、λ₂和λ₃为安全系数，其取值范围为[0～1]。

作为本发明的一种优选方式，所述海洋平台的倾斜程度所对应的挤压状态分别为轻微挤压、中度挤压和严重挤压；在对海洋平台的倾斜状态进行仿真时，每种挤压状态对应一个挤压应力值，实现对其倾斜程度的仿真。

有益效果：

该方法能够对海洋平台的倾斜和桩腿变形的相互关系进行联合分析评估，有效获取由于桩腿发生形变导致海洋平台整体倾斜图像，从而作为调整桩腿的决策依据；同时提供平台升降过程的安全预警，有效指导海洋平台升降船的桩腿插拔桩作业。

该方法在降低桩腿升降作业中海洋平台倾斜风险的同时，能够避免原有单独评估所导致的桩腿局部过度挤压现象，保证了升降船的作业安全。

附图说明

图1是单个桩腿弦管布局示意图；

图2为单个弦管倾斜示意图；

图3为桩腿中弦管形变应力的量值分布示意图；

图4是海洋平台倾斜示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种海洋平台的倾斜评估方法，通过对海洋平台的倾斜和桩腿变形的相互关系进行联合分析评估，能够获取由于桩腿形变导致海洋平台整体倾斜的情况，从而有效指导海洋平台升降船的桩腿插拔桩作业。

该方法的整体思路为：本发明中的评估并非常规的通过一个参数的形式来表示评估结果，而是以图像的形式表示海洋平台的倾斜评估结果；能够直观的显示海洋平台的倾斜状态。本实施例通过实时监测桩腿上应变传感器的测量数据获取海洋平台的倾斜状态矩阵，然后对该倾斜状态矩阵进行关联分析，并通过仿真获得海洋平台的整体倾斜图像。同时在实际运用中，可辅以适当安全系数，做出辅助决策，使操作者能够掌握桩腿变形趋势情况；并在超过预定变形值时进行预警，便于及时作出调整，有效指导海洋平台升降船的桩腿插拔桩作业。

本实施例中的海洋平台由三个桩腿支撑(分别为桩腿1、桩腿2和桩腿3)，每个桩腿由3根舷管组成，如图3所示。其中单个桩腿中3根舷管的分布如图1所示。3根舷管之间通过舷管架依次刚性连接形成等边三角形结构，每根舷管的外圆周面上设置有齿条，该齿条通过和导板内表面的凸起配合，实现舷管升降后的定位。

对该海洋平台桩腿的形变倾斜评估过程为：

步骤一：分析舷管的形变

由于舷管的倾斜形变导致其最上端和最下端受力形变量最为显著，因此主要考虑这两处的形变情况即可。以海洋平台的桩腿1为例，如图1所示，桩腿1由舷管A1、舷管B1和舷管C1组成。将舷管A1所受形变应力表示为矩阵形式：

$Z_{A1}=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& A_2\\ A_3& A_4\end{array}\right]$

Z_A1即为舷管A1的形变监测应力矩阵，其中：A₁为舷管A1左上端的应变量；A₂为舷管A1右上端的应变量；A₃为舷管A1左下端的应变量；A₄为舷管A1右下端的应变量。用Z_A1的量值|Z_A1|＝(A₁-A₂)+(A₄-A₃)来描述舷管A1的受力挤压状况。

同理，获得舷管B1的形变监测应力矩阵Z_B1和舷管C1的形变监测应力矩阵Z_C1；舷管B1的受力挤压状况记为|Z_B1|，舷管C1的受力挤压状况记为|Z_C1|。

采用上述方法分别分析桩腿2和桩腿3中各舷管的形变：桩腿2由舷管A2、舷管B2和舷管C2组成，桩腿2中各舷管的形变监测应力矩阵分别为Z_A2、Z_B2和Z_C2，各舷管的受力挤压状况分别为|Z_A2|、|Z_B2|和|Z_C2|。桩腿3由舷管A3、舷管B3和舷管C3组成，桩腿3中各舷管的形变监测应力矩阵分别为Z_A3、Z_B3和Z_C3，各舷管的受力挤压状况分别为|Z_A3|、|Z_B3|和|Z_C3|。

步骤二：桩腿的倾斜形变状态分析

以海洋平台的桩腿1为例，采用归一化量值表示|Z_A1|、|Z_B1|和|Z_C1|。具体为：将舷管的受力挤压状况分为三种，分别为基本无接触形变(轻度挤压)、有接触形变(中度挤压)和接近塑性形变(严重挤压)，则对应的形变监测应力矩阵的量值分类为：

a)基本无接触形变：对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₀，归一化量值为0；

b)有接触形变：对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₁，归一化量值为1；

c)接近塑性形变：对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₂，归一化量值为2。以舷管A1的受力挤压状况为例，其归一化量值所对应的受力挤压状况为：

表示舷管A1无接触形变或受力轻微挤压；

表示舷管A1左向受力中度挤压；

表示舷管A1左向受力严重挤压；

表示舷管A1右向受力中度挤压；

表示舷管A1右向受力严重挤压。

用舷管A1、舷管B1和舷管C1的受力挤压状况构成变形向量T₁来表示桩腿1倾斜的形变情况：

$T_1=\left[\begin{array}{ccc}\left|\stackrel{\‾}{Z_{A1}}\right|& \left|\stackrel{\‾}{Z_{B1}}\right|& \left|\stackrel{\‾}{Z_{C1}}\right|\end{array}\right]$

由此，对于桩腿1的挤压形变向量T₁，根据其构成元素的分布特征，便可获得其倾斜形变状态。获知其倾斜形变状态后，进一步通过推理即可判断得到该桩腿的倾斜状态(倾斜方向+倾斜程度)。

如：当T₁＝[0，-1，1]时，表示舷管A1无挤压，舷管B1右向中度挤压，舷管C1左向中度挤压，由此通过图1所示桩腿1的舷管布局可知，该桩腿朝舷管B1和舷管C1的中线背离舷管A1的一侧发生倾斜。当T₁＝[2，-1，-1]时，表示舷管A1左向严重挤压，舷管B1右向中度挤压，舷管C1右向中度挤压，由此通过图1所示的桩腿1的舷管布局可知，该桩腿朝舷管A1和舷管C1的中线背离舷管B1的一侧发生严重倾斜。

通过桩腿的变形向量获得其倾斜形变状态后，采用上述方法对分析桩腿的倾斜状态，桩腿的倾斜形变状态指桩腿的倾斜方向和倾斜程度。用矩阵K表示每个桩腿的倾斜形变状态，将支撑该海洋平台的每个桩腿的倾斜形变状态分别记为K₁、K₂、K₃。

$K_1=\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ F_1\end{array}\right],K_2=\left[\begin{array}{c}{E}_2\\ F_2\end{array}\right]K_3=\left[\begin{array}{c}{E}_3\\ F_3\end{array}\right]$

其中E_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜方向，F_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜程度，j＝1...3。

同时在得到每个桩腿的倾斜形变状态后，还可将分析结果提供给操作人员，操作人员据此对相应的桩腿进行控制调整，以确保升降平台作业的完成。

步骤三：海洋平台倾斜关联分析

该海洋平台的倾斜关联分析矩阵S^*为：

$S^{*}=\left[\begin{array}{ccc}{K}_1& K_2& K_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{E}_1& E_2& E_3\\ F_1& F_2& F_3\end{array}\right]$

如图4，由于桩腿发生形变导致海洋平台整体倾斜，由原先的水平面变为有一定倾斜角度的平面。上述倾斜关联分析矩阵中描述了海洋平台每个桩腿的倾斜方向和倾斜程度；海洋平台的倾斜程度所对应的挤压状态分别为轻微挤压、中度挤压和严重挤压。将这些元素结合平仪的测量结果(海洋平台与水平方向间的夹角)，输入计算机中海洋平台的三维模型中，通过仿真模拟，便可获得海洋平台的整体倾斜图像。在进行仿真模拟时，将每种挤压状态对应一个挤压应力值，从而实现对其倾斜程度的仿真。

为实现对海洋平台倾斜的预警，对舷管的形变设置安全预警量值，其中轻微挤压的安全预警应力量值为λ₁W₀，中度挤压的安全预警应力量值为λ₂W₁，严重挤压的安全预警应力量值为λ₃W₂，安全系数λ的取值[0～1]。通过可调节的安全系数λ能够实现对现场桩腿形变倾斜检测的主动适应。在升降船作业操作时，实时监测各舷管形变监测应力矩阵的量值(该处为归一化前的量值)，并与所设置的安全预警量值进行比对，在达到某一安全预警应力量值时发出相应的预警，以帮助操作人员判断当前操作的安全性，并采取必要措施，避免造成因桩腿发生过度挤压形变导致平台整体大幅倾斜。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种海洋平台的倾斜评估方法，其特征在于，通过该方法获得海洋平台的整体倾斜图像，用于表示其倾斜评估结果；

所述海洋平台由N个桩腿支撑，每个桩腿包括M根舷管；其中N和M均为大于或等于3的整数；

对海洋平台的倾斜评估过程为：

步骤一：舷管的形变分析

定义舷管的形变监测应力矩阵Z为：

$Z=\left[\begin{array}{cc}{A}_1& A_2\\ A_3& A_4\end{array}\right]$

其中：A₁为舷管左上端的应变量，A₂为舷管右上端的应变量，A₃为舷管左下端的应变量，A₄为舷管右下端的应变量；

用形变监测应力矩阵Z的量值|Z|＝(A₁-A₂)+(A₄-A₃)来描述舷管的受力挤压状况；

步骤二：桩腿的倾斜形变状态分析

将舷管形变监测应力矩阵Z的量值|Z|用归一化量值表示；

具体为：将舷管的受力挤压状况分为三种，分别为无接触形变、有接触形变和接近塑性形变；其中无接触形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₀，归一化量值为0；有接触形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₁，归一化量值为1；接近塑性形变所对应的形变监测应力矩阵量值的上限为W₂，归一化量值为2；则：

表示舷管无接触形变或受力轻微挤压；

表示舷管左向受力中度挤压；

表示舷管左向受力严重挤压；

表示舷管右向受力中度挤压；

表示舷管右向受力严重挤压；

定义桩腿的挤压形变向量T为：

$T=\left[\begin{array}{ccccc}\left|\stackrel{\‾}{Z_1}\right|& \left|\stackrel{\‾}{Z_2}\right|& \mathrm{...}& \mathrm{...}& \left|\stackrel{\‾}{Z_M}\right|\end{array}\right]$

其中为用归一化量值表示的桩腿中第i根舷管形变监测应力矩阵的量值，i＝1…M；依据桩腿的挤压形变向量T，获得其倾斜形变状态，所述桩腿的倾斜形变状态指桩腿的倾斜方向和倾斜程度；

用矩阵K表示桩腿的倾斜形变状态，则 $K=\left[\begin{array}{c}E\\ F\end{array}\right],$ 其中E表示桩腿的倾斜方向，F为桩腿的倾斜程度；

步骤三：海洋平台倾斜关联分析

将支撑海洋平台的各个桩腿的倾斜形变状态分别记为K₁、K₂……K_N；

依据步骤二中所获得的每个桩腿的倾斜形变状态，获得海洋平台的倾斜关联分析矩阵S^*：

$S^{*}=\left[\begin{array}{cccc}{K}_1& K_2& \mathrm{......}& K_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{E}_1& E_2& ...& E_N\\ F_1& F_2& ...& F_N\end{array}\right]$

其中E_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜方向，F_j表示海洋平台第j个桩腿的倾斜程度，j＝1…N；

依据倾斜关联分析矩阵中描述的海洋平台各桩腿的倾斜方向和倾斜程度，结合海洋平台上设置的水平仪所测得的海洋平台的倾角，对海洋平台的倾斜状态进行仿真，获得海洋平台的整体倾斜图像。

2.如权利要求1所述的海洋平台的倾斜评估方法，其特征在于，设置海洋平台中舷管的安全预警应力量值，其中轻微挤压的安全预警应力量值为λ₁W₀，中度挤压的安全预警应力量值为λ₂W₁，严重挤压的安全预警应力量值为λ₃W₂；所述λ₁、λ₂和λ₃为安全系数，其取值范围为[0～1]。

3.如权利要求1所述的海洋平台的倾斜评估方法，其特征在于，所述海洋平台的倾斜程度所对应的挤压状态分别为轻微挤压、中度挤压和严重挤压；在对海洋平台的倾斜状态进行仿真时，每种挤压状态对应一个挤压应力值，实现对其倾斜程度的仿真。