CN104374496A - 导管架平台杆件应力测量的传感器系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导管架平台杆件应力测量的传感器系统，包括：位于同一圆周上且间隔设置的多个应变传感器、传感器连接基座。本发明还提供了相应的测量方法，通过传感器组合使用，将测得的杆件表面的应力值推算为杆件实际所承受的平均应力、应变。本发明能够较准确的获得杆件整体应力、应变的平均值，且操作简单，适应复杂的工作条件，适合长时间在复杂海况的水下作业，方便传感器定位、安装的基座上，可以对传感器本身进行保护，使之适应于长时间的海面下工作，传感器采用高精度的光纤传感器，信号便于采集和处理。

Description

导管架平台杆件应力测量的传感器系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域的装置，具体地涉及一种布设在导管架平台水下杆件上的应变、应力测量的方法与相应的安装装置，能更加准确的监测杆件的应力情况。

背景技术

中海油渤海BZ25-1WHPB平台水下巡检时发现-18m处杆件焊缝出现裂口，从检测报告上看，目前共有6处泥面处水平撑与导管腿存在裂口或者已经脱落。

因此，对导管架平台健康状况进行实时在线准确的评估，对结构的安全性、完整性进行实时的监测，从而对受损杆件及早进行定位和修复，可以降低海上油气事故的发生率，减小经济损失。然而，依靠人工检测或者ROV检测、超声波法、放射法检测，只能是“事后”监测，不能在恶劣海况下实现结构完整性和安全性的在线实时监测。与此相比，采用结构的振动响应数据，包括结构固有频率、固有阵型、模态应变能等，来识别和诊断结构的损伤，是一种研究较多而且成本低的无损检测方法。但是这种方法有一定的局限性，不规则波浪的有色噪声和测试噪声对模态识别存在干扰，对诊断结果影响很大。

另一方面，对于平台杆件应力的准确监测一直以来都是工程上的难题，现在的应变传感器往往只能监测到杆件某一侧的表面应变，不能准确反应整个杆件的工作状况。与此同时，如果利用现有的传感器方法得到的平台应变会与真实值产生相对较大的误差。对于杆件的安全评估工作更重要的是关心杆件内部的最大变形与应力，因此传统的传感器布置与测量得到的数据对于开发平台的健康监管系统是很不利的。

发明内容

对于现有技术中的缺陷，本发明的目的是针对导管架水下测量的特点，提供一种应力、应变测量方案，能够方便的安装在平台导管杆件上，并方便在水下进行安装、测量作业。实时监测杆件的工作状态，反应出杆件的最大应力、应变情况。本发明旨在解决现有的应力、应变测量仪器只能测得杆件表面的应力，难以真实准确的获得整体杆件的受力、变形状况的问题，希望通过合理的设计做到方便、有效的在水下安装、作业；准确、及时获得监测点的应力、应变值，并与安全软件结合连续时时监测平台的安全状况。

根据本发明提供的一种导管架平台杆件应力测量的传感器系统，包括：位于同一圆周上且间隔设置的多个应变传感器、传感器连接基座；

应变传感器安装在传感器连接基座上，用于安装在杆件上。

优选地，所述多个应变传感器之间以等角度间隔分布，传感器连接基座呈半圆弧形。

优选地，还包括槽型保护外壳，槽型保护外壳安装于传感器连接基座，且槽口朝向传感器连接基座，应变传感器位于槽型保护外壳的槽道内，槽型保护外壳上设置有与基座形式相配的滑动槽口，使得槽型保护外壳能够通过滑动槽口在传感器连接基座上滑动，并通过定位螺栓进行角度定位。

根据本发明提供的一种导管架平台杆件应力测量的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：根据杆件的直径，将钢板弯制成半圆弧形状，得到传感器连接基座；

步骤2：在传感器连接基座上标定用于安装应变传感器的定位点；

步骤3：将应变传感器安装于定位点，从而得到导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其中，应变传感器的中心线落在定位点上；

步骤4：将导管架平台杆件应力测量的传感器系统，安装到杆件上，其中，应变传感器与杆件平行安装；

步骤5：根据如下公式计算得到杆件的轴向应变的最大值，并将杆件的轴向应变的最大值作为杆件主应变值。

优选地，应变传感器的数量为3个；

所述步骤5通过如下公式计算得到杆件的轴向应变的最大值，并将杆件的轴向应变的最大值作为杆件主应变值：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }={\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_L+{\mathrm{\ϵ}}_W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2}$

其中，ε_max表示杆件的轴向应变的最大值，ε_x表示杆件主应变值，ε_i为第i个应变传感器测得的轴向应变，ε_L为应变传感器拉伸引起的轴向应变，ε_W为应变传感器弯曲引起的轴向最大应变，i为应变传感器的个数。

应变传感器的数量为4个；

布置4个应变传感器，在杆件的同一圆周上每间隔90度设置一个应变传感器，各应变传感器测得的轴向应变为ε₁,ε₂,ε₃，ε₄根据3个应变传感器的计算方法，取每相邻3个应变传感器的应力值计算ε_max，这样会得出四组ε_max值，然后求这四组ε_max值的平均值即可得出最大应力；

其中，所述3个应变传感器的计算方法，具体为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }={\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_L+{\mathrm{\ϵ}}_W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2}$

其中，ε_max表示杆件的轴向应变的最大值，ε_x表示杆件主应变值，ε_i为第i个应变传感器测得的轴向应变，i＝1,2或3，ε_L为应变传感器拉伸引起的轴向应变，ε_W为应变传感器弯曲引起的轴向最大应变。由于理论上只需3个传感器就能获得杆件的真实应变，加入4个传感器可以降低系统误差，提高精确度。

优选地，在步骤3中，首先将应变传感器安装于槽型保护外壳，然后将应变传感器和槽型保护外壳一并安装于传感器连接基座，从而得到导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其中，槽型保护外壳的槽口朝向传感器连接基座，应变传感器位于槽型保护外壳的槽道内，槽型保护外壳上设置有与基座形式相配的滑动槽口，使得槽型保护外壳能够通过滑动槽口在传感器连接基座上滑动，并通过定位螺栓进行角度定位。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.单一的传感器只能测得杆件表面的应力应变状态，本发明通过传感器的组合使用，较准确的获得杆件整体应力、应变的平均值。

2.本发明操作简单，适应复杂的工作条件，对于不同规格、连接方式的杆件结构均能适用；

3.本发明适合长时间在复杂海况的水下作业，方便传感器定位、安装的基座上，可以对传感器本身进行保护，使之适应于长时间的海面下工作；

4.本发明传感器采用高精度的光纤传感器，信号便于采集和处理。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是3点式传感器布置平均应力推算示意图；

图2是装置整体示意图；

图3是传感器连接基座(保护外壳)示意图。

图中：

1是待测量杆件，2是传感器连接基座，3是应变传感器，4是焊接连接处。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种测量导管架平台杆件应力、应变的方法，通过传感器组合使用，将测得的杆件表面的应力值推算为杆件实际所承受的平均应力、应变。包括三点法应力推算的具体过程，以及所述装置的具体连接安装方式。即根据杆件的直径制作传感器基座，在传感器基座上按照一定的角度安装传感器，传感器基座焊接在导管架底板承担整个装置结构，并通过焊接与导管架平台水下的杆件相连，所述的传感器固定在杆件表面用来测量数据，并设置传感器线路卡槽便于传感器与平台上计算机的连接。

所述杆件真实应力、应变推算是通过安装在同一圆周上间隔一定角度的三个传感器测得的杆件表面的应变近似计算得到，根据不同的精读需求，可以在同一圆周上布置3个或多个传感器，综合各传感器获得的应变值计算得到杆件该测定出真实平均应力、应变。

所述的传感器连接安装装置包括传感器基座，传感器保护外壳及必要的线缆集纳装置等。具体表现为通过将传感器安装在传感器基座上，可以获得3个传感器之间的角度，同时将基座连同传感器(外保护壳)一同安装在待测杆件上可以使安装工作方便高效，同时基座与外保护壳的存在可以对在水下工作的传感器起到保护作用。

所述的传感器布置方法，使得传感器测得的杆件表面应力应变值，通过数据的集中、计算，利用3个(或多个)处在待测杆件同一圆周上的传感器数据推算得出该杆件测量点处的平均应力。

根据测量工况的特性包括待测杆件的直径与不同的连接结构，制定相适应的传感器安装基座，并根据方便工程安装为原则，在基座上合理分布3个传感器，如图例表示传感器之间夹角为90度。

基座的特定为自适应导管架平台待测杆件的连接状况，工程上更关注于两根或多根杆件的交汇处等应力集中点的应力、应变值，可根据实际工况制定相应的传感器基座形式，其目的为控制传感器安装角度，保证测量精度，简化水下安装工程难度。

传感器基座与传感器的连接的目的在于控制传感器之间的距离，设置如图例所示的槽型外壳结构在于方便传感器与基座的连接，传感器放置在外壳的槽道内，并焊接固连，同时传感器连同槽型外壳一同连接在基座上，便于控制安装紧密可靠性。

如图例所示外壳顶部设置与基座形式相配的槽口，即槽型外壳可以在基座上滑动，通过定位螺栓进行角度定位，同时可以利用焊接的方式保证定位强度。

下面对本发明进行更为详细的说明。

具体地，如图1所示为工程上对与杆件结构的应力、应变计算示意图，在前期对平台模型的模拟实验分析中发现，杆件在不同海况下的最大应力与轴向应力的差别在千分之二左右，因此可以认为杆件的最大应力也就是其轴向应力。

在拉伸状况下根据材料力学有：

其中，F为作用于传感器装置(即杆件)的拉力，A为传感器装置的截面积，ε为传感器装置的主应变值，E₂为传感器装置的弹性模量；

杆件的长度为L，半径为R，应变片层的厚度为d，钢材料和传感器装置的弹性模量分别为E₁和E₂，此传感器装置的应变并不随半径的变化而变化，即传感器装置上表面与下表面的应变相同。因此在拉伸情况下传感器测得的应变即为杆件的实际应变。

在弯曲状态下，传感器装置的主应变值为：

其中，M为杆件(传感器装置)所受到的弯矩，y为距中性层的距离，I_Z为横截面对z轴(中性轴)的惯性矩。

为了消除安装传感器装置造成的误差，我们可以得到传感器装置上表面与下表面(即杆件表面)的应变关系:

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}=\frac{(R+d)\sin \mathrm{\β}}{R\sin \mathrm{\β}}=\frac{R+d}{R}$

其中，ε₁表示传感器上表面应变，ε₂表示传感器下表面即杆件表面应变，β表示传感器所在半径与中性层所在半径的夹角。

由于轴向应变的数值与主应变的数值十分相近，因此可用轴向应变的最大值代替主应变。

即有ε_max＝ε_x。

其中，ε_max表示杆件轴向应变的最大值，ε_x表示杆件主应变值。

图1表示三点式传感器布置方案，即在杆件的180度圆周表面内布设3个传感器，如图中A、B、C位置所示。

ε₁＝ε_L+ε_W1

ε₂＝ε_L+ε_W2

ε₃＝ε_L+ε_W3＝ε_L-ε_W1

其中ε_i为第i个传感器测得的轴向应变，ε_L、ε_Wi分别为第i个传感器拉伸、弯曲引起的轴向应变，i为1、2或3。

将上三式联立得： ${\mathrm{\ϵ}}_L=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2},{\mathrm{\ϵ}}_{W1}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2}{2},{\mathrm{\ϵ}}_{W2}={\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}$

又有： $\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{W1}={\mathrm{\ϵ}}_W\sin {\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_{W2}={\mathrm{\ϵ}}_W\sin {\mathrm{\β}}_2={\mathrm{\ϵ}}_W\cos {\mathrm{\β}}_1\end{array}$

其中，β₁表示1号传感器A所在半径与中性层所在直径的夹角，β₂表示2号传感器B所在半径与中性层所在直径的夹角。详见附图1。

将上两式联立得 ${\mathrm{\ϵ}}_W^2={\mathrm{\ϵ}}_{W1}^2+{\mathrm{\ϵ}}_{W2}^2={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2$

其中，ε_W为弯曲引起的轴向最大应变。

将以上结果代入最大应变计算式得到：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }={\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_L+{\mathrm{\ϵ}}_W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2}$

由此我们可以通过适当角度布置的3个传感器推算得到杆件整体的平均应变、应力值，例如附图1所示的1号传感器A与3号传感器C相隔180度，2号传感器B与1号传感器A相隔90度，三个传感器以此种角度布置计算最为简单，实施也较方便，在工程中可以根据测量杆件的具体工况改变传感器之间的角度。

图2表示装置的整体安装示意图。

如图2所示，示出了待测量杆件、应变传感器(槽型保护外壳)、传感器连接基座。具体的实施方法是，在待测量杆件上选取适当的测量点(即如之前所述的安装传感器的位置，附图1所示的情况是三个传感器互相间隔90度)，原则是杆件的180度圆周范围内无障碍物，且可以方便焊接传感器，选定好测量点后做好标记，同时开始制作传感器连接基座，根据杆件的直径，选择相应大小的钢板，弯制成半圆形状，并在基座上按照一定的角度(例如90度)定位三个传感器，原则是方便焊接在待测量杆件上，3个传感器之间的角度需要准确标定，不能有偏差。将传感器与保护外壳相连，二者一并连接在传感器基座之前标定好的位置上，需要注意的是，传感器的中心线一定要落在传感器基座上标定角度的定位点上，此举是为了保证推算得到的应变值准确。为了安装方便考虑，传感器连同其外部的保护壳可以用定位螺丝预先定位在基座上，然后采用焊接的方法保证连接强度。最后，将基座连同传感器一起由潜水员负责在水下平台支撑杆件上进行安装，由于传感器之间的角度已经固定，只需确保传感器与杆件平行安装，即传感器本身的正确安装问题。考虑到该测量装置的耐用性，可以在传感器与杆件连接好后，将传感器基座也焊接在杆件上。

如图3所示为传感器连接基座与传感器。

传感器连接基座，其作用是：

1.确定传感器之间间隔的角度，图中所示的传感器之间夹角为90度。

2.便于固连传感器，方便安装时传感器在待测量杆件上位置的固定。

应变传感器(带槽型保护外壳)其作用是：

1.将传感器固定在传感器基座上

2.槽型保护外壳在水下对传感器起到保护作用，增加测量装置的有效工作时间

焊接连接处的作用是：

为设计的传感器装置与杆件的焊接连接处，方便整个装置的水下焊接。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其特征在于，包括：位于同一圆周上且间隔设置的多个应变传感器、传感器连接基座；

应变传感器安装在传感器连接基座上，用于安装在杆件上。

2.根据权利要求1所述的导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其特征在于，所述多个应变传感器之间以等角度间隔分布，传感器连接基座呈半圆弧形。

3.根据权利要求1所述的导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其特征在于，还包括槽型保护外壳，槽型保护外壳安装于传感器连接基座，且槽口朝向传感器连接基座，应变传感器位于槽型保护外壳的槽道内，槽型保护外壳上设置有与基座形式相配的滑动槽口，使得槽型保护外壳能够通过滑动槽口在传感器连接基座上滑动，并通过定位螺栓进行角度定位。

4.一种导管架平台杆件应力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据杆件的直径，将钢板弯制成半圆弧形状，得到传感器连接基座；

步骤2：在传感器连接基座上标定用于安装应变传感器的定位点；

步骤3：将应变传感器安装于定位点，从而得到导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其中，应变传感器的中心线落在定位点上；

步骤4：将导管架平台杆件应力测量的传感器系统，安装到杆件上，其中，应变传感器与杆件平行安装；

步骤5：计算得到杆件的轴向应变的最大值，并将杆件的轴向应变的最大值作为杆件主应变值。

5.根据权利要求4所述的导管架平台杆件应力测量方法，其特征在于，

应变传感器的数量为3个；

所述步骤5通过如下公式计算得到杆件的轴向应变的最大值，并将杆件的轴向应变的最大值作为杆件主应变值：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }={\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_L+{\mathrm{\ϵ}}_W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2}$

其中，ε_max表示杆件的轴向应变的最大值，ε_x表示杆件主应变值，ε_i为第i个应变传感器测得的轴向应变，i＝1,2或3，ε_L为应变传感器拉伸引起的轴向应变，ε_W为应变传感器弯曲引起的轴向最大应变。

6.根据权利要求4所述的导管架平台杆件应力测量方法，其特征在于，

应变传感器的数量为4个；

布置4个应变传感器，在杆件的同一圆周上每间隔90度设置一个应变传感器，各应变传感器测得的轴向应变为ε₁,ε₂,ε₃，ε₄根据3个应变传感器的计算方法，取每相邻3个应变传感器的应力值计算ε_max，这样会得出四组ε_max值，然后求这四组ε_max值的平均值即可得出最大应力；

其中，所述3个应变传感器的计算方法，具体为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\max }={\mathrm{\ϵ}}_x={\mathrm{\ϵ}}_L+{\mathrm{\ϵ}}_W=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)}^2+{({\mathrm{\ϵ}}_2-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2})}^2}$

其中，ε_max表示杆件的轴向应变的最大值，ε_x表示杆件主应变值，ε_i为第i个应变传感器测得的轴向应变，i＝1,2或3，ε_L为应变传感器拉伸引起的轴向应变，ε_W为应变传感器弯曲引起的轴向最大应变。

7.根据权利要求4所述的导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其特征在于，在步骤3中，首先将应变传感器安装于槽型保护外壳，然后将应变传感器和槽型保护外壳一并安装于传感器连接基座，从而得到导管架平台杆件应力测量的传感器系统，其中，槽型保护外壳的槽口朝向传感器连接基座，应变传感器位于槽型保护外壳的槽道内，槽型保护外壳上设置有与基座形式相配的滑动槽口，使得槽型保护外壳能够通过滑动槽口在传感器连接基座上滑动，并通过定位螺栓进行角度定位。