CN107449495B - 一种基于压痕法的海洋平台测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压痕法的海洋平台测量方法，其特征在于，若干根支撑件在海洋平台甲板模块的底部，测量方法包括，第一：计算支撑件轴向应力，其中a)确定测量点，b)在测量点处安装测量仪器，c)压痕试验，测量工作应力，d)数据处理，消除弯曲应力并得到轴向应力。第二：计算海洋平台的重量和/或重心，包括：a)计算测量点工作力：F＝σ_T·A，b)计算海洋平台重量：c)计算海洋平台的重心：本发明的有益效果是利用压痕法测算海洋平台重量和重心的方法，通过测量支撑件的力学性能，包括弹性模量、工作应力等，能够精准高效地测算出在役平台的重量和重心，不受环境因素影响，也不需要大型的设备购买和维护，是一种经济高效的测量方案。

Description

一种基于压痕法的海洋平台测量方法

技术领域：

本发明涉及一种海洋平台的测量方法，特别涉及一种通过压痕法进行海洋平台的重量及重心的测量方法。

背景技术：

大型海洋平台的重量和重心的测量，可采用焊接前的单件称重、磅秤测量、应变片测量、液压千斤顶称重等方法。其中焊接前的单件称重和磅秤测量，测量精度低，并无法准确测出重心位置；应变片测量精度高，但应变传感器易受温度、湿度和电磁干扰等因素影响，其稳定性和精确度受到影响；液压千斤顶法测量准确度高，但购买维护费用高，引进设备周期较长。

然而，在役平台由于在海上作业，需要在海洋平台整体状态不变的情况下，进行重量和重心的测量，这就需要行之有效的方法，并且考虑到海上风浪的影响，测量方法的选取时，要考虑到环境因素的影响。

目前根据海洋石油开采的需要，海洋平台设计和建造在不断发展，海洋平台的设计和建造也趋于全面的功能性和结构的复杂性。由于建造过程中焊接材料、局部修改等因素影响，使得海洋平台重量与设计重量相差较大，同时，海洋平台结构大、重量分布不均、支撑点跨距大等特点，使得平台的海上安装作业也提出了更高的要求，所以精准的测量海洋平台的重量和重心对于海上安装施工、后期拆解吊装起到至关重要的作用。平台重量和重心位置决定吊装位置和承载能力的选择，如果测算不准确，一旦超出浮吊极限重量时，吊装过程将存在严重的安全隐患。因此，对海洋平台进行重量和重心测量有着重要的工程背景和实践意义。

为了保证海上施工安全，确保平台的重量小于浮吊的极限载荷，在最大程度上发挥吊装能力，对平台进行称重，确定海洋平台准确的重量和重心，对海上吊装的安全性保证起到决定性的作用。

称重技术由传统的机械式称重向现代称重装置发展，由机电元件发展到电阻测力法、点动力平衡等方法。随着计算机的普及和使用，称重传感器制作的电子衡器在各行各业中得到广泛应用，实现了对大型罐体、料斗等重量计测，使现代传感技术在重量测量应用方面有着实际的意义和基础。

目前对于海洋平台重量和重心的测量有较多的方法，主要可采用焊接前单件称重、磅秤测量、应变片法测量、液压千斤顶称重等方法。

上文提到的平台重量和重心的测量方法中各自都存在缺点：

1)焊接前单件称重的方法对于在役海洋平台重量和重心的测量，由于平台在建造过程中焊接材料和局部结构修改的影响，在役平台重量和重心只能通过相关设计资料进行估算，无法保证大型海洋平台重量测量的精准性，同时缺乏直接测量的方法；

2)磅秤测量的方法对在役海洋平台重量测量难以实施，精度低，由于平台重量较大，磅秤的测量能力有限，同时无法准确的测量出重心位置；

3)应变片法测量的方法，是通过平台桩腿上的应变传感器测量弹性元件应力应变的方法，该方法测量精度高，但由于应变传感器易受温度、湿度和电磁干扰等因素的影响，传感器长期测量的稳定性和精确度都受到较大影响，并且传感器设备的安装精度高，测量周期长，期间需要经常调零，成本高；

4)液压千斤顶称重的方法，工艺较成熟，并得到广泛使用，但大型液压称重系统购买和维护费用较高，引进设备的周期较长。

本发明采用压痕法，在无损状态下对海洋平台桩腿的材料力学性能进行测量，获得在役平台桩腿的工作应力，并计算出海洋平台结构的重量和重心。

1.主要应用范围

目前市面上的海洋平台类型众多，按照结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半固定式，其中固定式中分为桩基式平台和重力式平台，本专利主要应用于桩基式平台中的导管架平台。测量重量和重心时，平台可在海上服役期间除恶劣海况情况下，均可进行测量。

2.压痕法原理说明

在试验力的作用下，力学性能检测仪的球形压头在结构表面产生压痕深度，测量对应试验力下压痕深度，得到载荷-压痕深度曲线，如图1所示。

当结构发生变形时，结构自身内部存在应力的变化。当结构处于拉伸状态，使结构产生一定压痕深度h_m的载荷小于无应力状态下的载荷，反之，当结构处于压缩状态，使结构产生一定压痕深度h_m的载荷大于无应力状态下的载荷。拉伸或压缩状态的应力改变了结构在无应力状态下的载荷-压痕深度曲线中的斜率，如图2所示的应力与载荷深度曲线的关系。

在一定压痕深度下，将无应力的载荷-压痕深度曲线与存在应力的载荷-压痕深度曲线所对应的载荷作差，这个载荷差值与结构应力存在着换算关系。

由于沿压痕测量方向的应力对载荷-压痕深度曲线的形状不会造成影响，只有表面内的轴向应力σ_x和σ_y需要考虑。则平面内的轴向应力可以分解为静水应力项和剪应力偏量项：

其中只有剪应力偏量沿压痕测量方向(z)作用的分量σ_z,d能够影响载荷-压痕深度曲线，则分量σ_z,d与载荷差值有以下等式关系：

从以上关系等式关系中可知结构的应力σ与载荷差值成比例，对于拉伸应力和压缩应力可分别由下式表示：

其中，σ为应力，N/mm²；

σ_z,d为剪应力偏量沿压痕测量方向(z)作用的分量；

p为应力沿一个方向到法向的比率；

ψ为平均接触压力与应力比值(塑性约束因子)；

F₀为无应力状态下的试验力，N；

F_T为拉伸应力状态下的试验力，N；

F_C为压缩应力状态下的试验力，N；

h为试验力作用下的压痕深度，mm；

h_m为一定压痕深度，mm；

A_s为接触面积；

本发明是利用压痕法进行海洋平台的重量和重心测量，通过测量桩腿结构件的力学性能，包括弹性模量、工作应力等，能够精准高效地测算出在役平台的重量和重心，在不受环境因素影响的同时，也不需要大型的设备购买和维护，是一种经济高效的测量方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于压痕法的海洋平台重量重心的测量方法。

根据本发明的一实施例，该方法包括将若干根支撑件支撑在海洋平台的底部，所述测量方法包括重量和/或重心的测量；步骤包括，

计算支撑件的轴向应力；

a)确定测量点：在支撑件的外表面均布若干个处于同一水平位置的测量点，所述测量点靠近所述海洋平台的底部，但需避开该处的焊缝及其他连接构件交汇处；

b)安装检测仪：通过固定夹具将力学性能检测仪安装在所述测量点上；

c)压痕试验：采用压痕法对所述测量点的工作应力σ进行测量；

d)数据处理：根据所述支撑件的工作应力σ，消除弯曲应力的影响，计算轴向应力σ_T；

计算海洋平台的重量；

a)计算测量点工作力：F＝σ_T·A，

b)计算平台重量：

G为平台的重量，吨；(X,Y)为平台的重量重心坐标，m；F为测量点的工作力，KN；σ_T为测得的轴向应力，N/mm²；A为被测支撑件与平台的接触面积，cm²；n为被测构件的数量；i为任一被测支撑件；

计算海洋平台的重心；

b)设海洋平台的重心位置为(X，Y)，

在一实施例中，在计算支撑件轴向应力的a)和b)之间还有一个e)步骤，所述测量点表面处理：通过对所述测量点进行包括表面平整或/和表面粗磨或/和除锈处理或/和表面抛光。

在一实施例中，所述支撑件为导管型桩腿。

在一实施例中，在每根所述导管型桩腿上均布四个所述测量点。

在一实施例中，所述若干根支撑件支撑在所述海洋平台的甲板模块的底部。

本发明的有益效果：利用压痕法测算在役海洋平台重量和重心的方法，通过测量支撑件的力学性能，包括弹性模量、工作应力等，能够精准高效地测算出在役平台的重量和重心，不受环境因素影响，也不需要大型的设备购买和维护，是一种经济高效的测量方案。

同时利用压痕法检测结构件力学性能的方法应用于平台重量和重心测量，提出了一种新的测算重量和重心的方法，为测量重量和重心方法开辟了新思路、新途径。代替原有应变片法中的应变传感器，避免了以上方法的缺点。

可应用该方法对海洋平台在役状态下进行测量，并不会造成损伤性破坏，无须制造试样，设备任何部位均可测量，测量精准高效，所耗时间短，测算精度高、成本低，测量时不易受环境因素影响。

附图说明：

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了载荷-压痕深度曲线示意图；

图2揭示了应力与载荷深度曲线的关系示意图；

图3揭示了本发明一实施例中的海洋平台结构示意图；

图4为图3的A-A截面图中的测量部件分布示意图；

图5揭示了本发明一实施例中海洋平台与垂直桩腿的俯视图；

图6揭示了本发明一实施例中的测量流程示意图。

具体实施方式：

参考图3并结合图4，图3揭示了本发明一实施例中的海洋平台结构示意图；图4为图3的A-A截面图中的测量部件分布示意图。

支撑件包括但不限定于桩腿。在本实施例中，支撑件为桩腿。

第一步：进行测量压缩应力，并由如下子步骤进行。

1)确定测量位置：根据应力分析的要求和被测支撑件的表面附近的实际空间状态划定测量位置，压痕间距至少为五倍球形压头直径，支撑件均布若干个处于同一水平位置的测量点，所述测量点靠近所述海洋平台甲板模块的底部，但需避开该处的焊缝及其他连接构件交汇处。

2)进行被测支撑件的表面准备：表面准备是指为了满足制造压痕的需要而进行的表面平整过程。表面粗磨，对测量表面进行平整和除锈处理，打磨时用力要均匀、适当，避免产生新的应力；表面抛光，对于经过粗磨的或原始含锈等不够清洁光滑的表面，采用抛光布轮进行表面抛光处理，能够减小由于表面粗磨可能造成的附加应力影响。

3)安装固定夹具和力学性能检测仪：固定夹具包括但不限定于磁铁夹具、链条夹具、U型夹具、燕尾滑块底座等夹具。力学性能检测仪可以安装在距结构表面至少三倍球形压头直径的位置。

4)进行压痕试验：在测量位置测量试验力作用下对应的压痕深度。

5)进行数据处理：力学性能检测仪与电脑连接，在压痕试验的同时，电脑将自动记录试验力作用下的压痕深度，并绘制载荷-压痕深度曲线，根据上文所述压痕法原理计算得出压缩应力，即支撑件的工作应力。6)生成报告：数据处理结束，电脑程序生成测量压缩应力的实验报告，其内容包括载荷-压痕深度曲线与工作应力。

可以理解的是，2)步骤可以作为一个优选项。

第二步：对于支撑件弯曲应力的去除方法：

支撑件受到平台的重力作用，支撑件的结构可能存在弯曲变形，而产生弯曲应力。上述测量得到的工作应力是弯曲应力和轴向应力的合成，而我们所需要的应力为轴向应力σ_T。

σ＝σ_T+σ_B

此时选择与该测量点在桩腿结构截面内关于中心对称的另一测量点，分别即为测点1和测点2，压痕试验测得测点1和测点2的工作应力为σ₁、σ₂，根据弯曲应力和轴向应力的合成，则

σ₁＝σ_T1+σ_B1，σ₂＝σ_T2+σ_B2

σ_B1+σ_B2＝0

由上式可得

σ₁+σ₂＝σ_T1+σ_B1+σ_T2+σ_B2＝σ_T1+σ_T2

测点1和测点2的工作应力的和应为该支撑件的工作应力的二倍，则支撑件的轴向应力为：

其中，σ_B1和σ_B2为测量点1和测量点2的弯曲应力，σ_T1和σ_T2为测量点1和测量点2的轴向应力。

通过关于支撑件的结构截面中心对称的两个测量点的换算，可除去由于弯曲引起的弯曲应力的影响，得到支撑件的轴向应力σ_T。

第三步：进行重量和/或重心的计算。

通过以上测量步骤，可得某一测量位置的轴向应力σ_T，当支撑件与平台的接触面积为A，则支撑件的工作力为

F＝σ_T·A

由此可得到平台重量

平台的重心为

其中，G为平台的重量，吨；

(X,Y)为平台的重量重心坐标，m；

F为支撑件的工作力，KN；

σ_T为测得的轴向应力，N/mm²；

A为支撑件与平台的接触面积，cm²；

n为支撑件的数量；

i为任一支撑件，1≤i≤n；

实施例一：

海洋平台的形式众多，考虑到每个平台结构设计、桩腿布置的特殊性，在图3和图4的实施例中是以四根垂直桩腿连接海洋平台中的甲板模块平台为例说明，如图3和图4中所示甲板模块平台的二维平面图，平台甲板模块的连接结构可以由四根垂直桩腿组成。

在测量前先进行方案设计，先根据每个甲板模块平台结构和桩腿的布置具体情况设计测量方案，选取测量位置。该实例中甲板模块平台由四根桩腿支撑，与甲板模块平台相接触的四根桩腿是垂直均匀布置在甲板以下，在选取测量点时，选取导管架桩腿顶端靠近平台甲板模块下端部位，一根桩腿选取同一垂向位置相同的四个测量点，四根桩腿共十六个测量点，在图4一实施例中，一根桩腿选取1、2、3、4位置作为测量点。

在本实施例中，桩腿的形状为导管型。

方案实施：如图3和图4所示，导管架平台桩腿横剖面结构为钢管结构，测量点选取导管外表面的四个点，两两相对于圆心对称，为测量点1、2、3、4。测量点1、2、3、4处的压缩应力σ₁、σ₂、σ₃、σ₄，考虑导管架平台桩腿结构受压状态下的弯曲变形，并产生弯曲应力，测量点1、2相对于圆心对称，通过取σ₁、σ₂的平均值以消除弯曲应力，得到轴向应力即工作应力，测量点3、4同理。则该桩腿在1、2两测点处的工作应力为在3、4两测点处的工作应力为则可得该桩腿的工作应力为

四根桩腿的导管架平台可以通过以上测量和数据处理方法，可计算获得四根桩腿的工作应力σ_a、σ_b、σ_c、σ_d。

根据以上测量数据，计算得出海洋平台重量G，单位吨：

G＝(σ_aA_a+σ_bA_b+σ_cA_c+σ_dA_d)×9.81

其中，A_a、A_b、A_c、A_d为各桩腿与平台甲板相连接处的截面积。

根据合力矩平衡方程计算平台重心，设海洋平台的重心位置为(X，Y)，a、b、c、d桩腿的坐标位置分别为(X_a，Y_a)、(X_b，Y_b)、(X_c，Y_c)、(X_d，Y_d)，则重心位置X等于每根桩腿的重量乘以该桩腿的X坐标的乘积之和再除以总重量；重心位置Y等于每个桩腿的重量乘以该桩腿的Y坐标的乘积之和再除以总重量。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种基于压痕法的海洋平台测量方法，其特征在于，若干根支撑件支撑在海洋平台的底部，所述测量方法包括重量和/或重心的测量；步骤包括，

计算支撑件的轴向应力：

a)确定测量点：在支撑件的外表面均布若干个处于同一水平位置的测量点，所述测量点靠近所述海洋平台的底部；

b)安装检测仪：通过固定夹具将力学性能检测仪安装在所述测量点上；

c)压痕试验：采用压痕法对所述测量点的工作应力σ进行测量；

d)数据处理：根据所述支撑件的工作应力σ，消除弯曲应力的影响，计算轴向应力σ_T；

计算海洋平台的重量：

a)计算测量点工作力：F＝σ_T·A，

b)计算平台重量：

G为平台的重量，吨；(X,Y)为平台的重量重心坐标，m；F为测量点的工作力，KN；σ_T为测得的轴向应力，N/mm²；A为被测支撑件与平台的接触面积，cm²；n为被测构件的数量；i为任一被测支撑件；

计算海洋平台的重心：

a)设海洋平台的重心位置为(X，Y)，

2.如权利要求1所述的海洋平台测量方法，其特征在于，在计算支撑件轴向应力的a)和b)之间还有一个e)步骤，所述测量点表面处理：通过对所述测量点进行包括表面平整或/和表面粗磨或/和除锈处理或/和表面抛光。

3.如权利要求2所述的海洋平台测量方法，其特征在于，所述支撑件为导管型桩腿。

4.如权利要求3所述的海洋平台测量方法，其特征在于，在每根所述导管型桩腿上均布四个所述测量点。

5.如权利要求1所述的海洋平台测量方法，其特征在于，所述若干根支撑件支撑在所述海洋平台的甲板模块的底部。