CN111595423A - 海洋平台上部组块重量的实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋平台上部组块重量的实时监测系统，包括压电式加速度传感器、光栅光纤应变传感器、数采模块、光纤解调仪、工控机、上位机、船用电缆和光缆，由压电式加速度传感器和光栅光纤应变传感器采集上部组块甲板运动加速度信号和导管架帽垂向应变信号，通过船用光缆将加速度信号和应变信号传输汇总至工控机，经数据处理与融合后上传至上位机，在上位机进行上部组块重量计算与可视化显示；在上部组块甲板与主立柱相交位置布置多个两向压电式加速度传感器，形成加速度传感网络，用于对海洋平台在水平面内的振动响应进行有效测量；在海洋平台的各桩腿导管架帽位置安装两组应变传感器网络。
Description
技术领域
本发明涉及一种在役固定式海洋平台上部组块重量的实时监测系统，包括加速度实时监测系统和应变实时监测系统，能够简便、实时、高精度、可靠的测量上部组块重量。
背景技术
随着我国经济、社会的高速发展，对能源的需求量与日俱增。与开发成本高昂的各类新能源相比，传统化石能源仍然在目前的能源市场上占主要地位。我国领海区域蕴藏着丰富的油气资源，是我国油气勘探开发的重要发展方向。以导管架平台为代表的固定式平台，是我国近海油气开发的主要工程设施。经过长期发展，技术已十分成熟，我国自主设计建造的导管架平台已可大量应用于南海200m以上水深海域。随着导管架平台规模日益增大，上部组块安装的设备数量和复杂度随之增加，平台人员数量和相应物资也有显著变化。同时，伴随着导管架平台漫长的服役期，上部组块设备需要随油气田开发阶段的不同而改造、更换、增减，组块结构也需要根据设备情况的不同而进行必要的优化改造。平台生产作业模式的复杂性也会导致物资和人员的不断调整。这些因素都造成平台上部组块重量处于动态变化之中。
上部组块重量是工程设计人员和平台现场工作人员十分关心的重要参数，对海洋平台的安全性有明显影响，特别是对桩腿沉降影响显著。然而，在目前的工程实际中，各固定式平台的上部组块重量是较为模糊的。通常上部组块在建造完成后，会在陆上建造场地进行称重，随后即运输至工程场址海域安装在导管架结构上。在这一过程中，平台上部组块重量只能通过称重时的空载重量与后期安装设备重量叠加获得。在平台正式服役过程中，会对平台装卸物资的重量进行估计和记录，可以对上部组块重量进行一定的修正。然而，这些估计和修正大多依靠现场工作人员的经验获得，具体重量并不准确，经过长期误差积累使得上部组块的真实重量难以获知。并且，平台作业过程中消耗材料的重量，以及维护改造结构时发生的重量变化等情况，均难以在上部组块重量变化中予以考虑。
服役状态下固定式海洋平台上部组块重量的模糊性，使得对平台进行结构和设备改造设计时缺少明确依据，需要花费大量的人力物力进行检验和论证。同时，作业状态下平台难以测量上部组块的重量。基于上述情况，需要研发一套可靠、有效的海洋平台上部组块重量实时监测系统，能够实时确定上部组块的重量及其变化情况。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中的不足，提供一套海洋平台上部组块重量实时监测系统，通过对平台加速度和应变响应信号的监测，简便、实时、高精度、可靠的评估上部组块重量。技术方案如下：
一种海洋平台上部组块重量的实时监测系统，包括压电式加速度传感器、光栅光纤应变传感器、数采模块、光纤解调仪、工控机、上位机、船用电缆和光缆，由压电式加速度传感器和光栅光纤应变传感器采集上部组块甲板运动加速度信号和导管架帽垂向应变信号，通过船用光缆将加速度信号和应变信号传输汇总至工控机，经数据处理与融合后上传至上位机，在上位机进行上部组块重量计算与可视化显示。
在上部组块甲板与主立柱相交位置布置多个两向压电式加速度传感器，形成加速度传感网络，用于对海洋平台在水平面内的振动响应进行有效测量；
在海洋平台的各桩腿导管架帽位置安装两组应变传感器网络，对于一个桩腿，第一组应变传感器网络的各个光栅光纤应变传感器在桩腿上沿垂向安装，安装时光栅光纤应变传感器间隔90°布置，综合各个光栅光纤应变传感器的垂向应变值计算桩腿轴向载荷和弯矩；第二组应变传感器网络的每个光栅光纤应变传感器布置在第一组应变传感器网络的相邻两个光栅光纤应变传感器之间，两组应变传感器网络使用不同的船用光缆连接，独立采集数据。
优选地，工控机具有时间同步模块，实时对数采模块和光纤解调仪的硬件时间进行同步调试，由数采模块上传至工控机的加速度监测数据会带有数采模块的时间戳，由光纤解调仪上传至工控机的应变监测数据也会带有光纤解调仪的时间戳，工控机上的时间同步模块实时向数采模块和光纤解调仪同步发送指令，调取两者的实时机器时间，工控机对两个机器时间进行比对，得到补偿系数输入响应测试数据的时间序列中，以保障加速度监测数据和应变监测数据的同步性。
附图说明
图1是本发明海洋平台上部组块重量实时监测系统框架图；
图2是本发明加速度传感器和应变传感器安装位置示意图；
图3是本发明桩腿应变传感器布置方式示意图。
图中标号说明：1-上部组块甲板；2-导管架帽；3-压电式加速度传感器；4-光栅光纤应变传感器；5-数采模块；6-光纤解调仪；7-工控机；8-上位机；9-平台上部组块；10-导管架结构；11～14-测试用光栅光纤应变传感器；15～18-备用光栅光纤应变传感器。
具体实施方式
下面结合附图，以一工程实例对本发明进行详细说明。
本发明海洋平台上部组块重量实时监测系统由加速度实时监测系统和应变实时监测系统组成，具体包括压电式加速度传感器3、光栅光纤应变传感器4、数采模块5、光纤解调仪6、工控机7、上位机8、三防盒、船用电缆和光缆等，如图1和2所示。海洋平台上部组块重量实时监测系统同时测试平台结构的上部组块甲板1运动加速度响应和导管架帽2垂向应变信号，通过船用电缆或光缆将加速度信号和应变信号传输汇总至工控机7，经数据处理与融合后上传至上位机8，在上位机8进行上部组块重量计算与可视化显示。
加速度实时监测系统主要由加速度传感器3、数采模块5、工控机7和船用电缆等组成。在由平台运动加速度响应和应变响应评估上部组块重量的计算方法中，需要使用上部组块整体加速度响应，即结构重心处加速度值。平台上部组块的重心位置很难准确确定，在该位置布置加速度测点也常无法实现。本发明基于结构力学原理，确定平台上部组块甲板1与立柱的交点是振动传递的关键节点，在该位置布置加速度传感网络，从而推算上部组块重心处的加速度响应。即在上部组块甲板1与主立柱相交位置布置加速度传感器3，形成加速度传感网络。综合各加速度传感器3采集数据取均值，可以得到平台上部组块重心处加速度响应。
加速度传感器选用具有良好低频特性的两向压电式传感器，从而准确捕捉平台结构的低频振动信号，并充分利用压电式传感器性能可靠，适于长期连续监测的优点。加速度传感器3的两个测量方向分别沿平台的X、Y向布置，对平台在水平面内的振动响应进行有效测量。平台甲板环境复杂，海上潮湿空气腐蚀作用明显，甲板喷砂作业和人员走动等可能碰撞传感器，因此需将加速度传感器安装在三防盒中，避免水蒸气、固体小颗粒和意外冲击对传感器的影响。同时，为有效监测上部组块结构的振动加速度，三防盒直接焊接固定在甲板上。
各加速度传感器3通过船用电缆供电，并将测试电压信号通过船用电缆输出。船用电缆采用铜芯双屏蔽，具有足够的强度和抗干扰性，以适应甲板恶劣的环境条件。为便于现场工作人员实时查看上部组块重量情况，各加速度传感器电缆走线汇总在平台中控室内，分别接入各数采模块5，加速度电压信号的采样、放大、初级滤波、AD转换等均在数采模块5中完成。加速度信号的采样频率适中，既保证完整采集平台运动加速度，又避免高频信号的干扰。对于常规固定式平台，可设置为50-100Hz。经数采模块5处理得到的加速度数据上传至工控机7，与输入的应变数据同步、融合，在工控机7内记录、转换和保存，并同步传输至上位机8数据库中。
应变实时监测系统主要包括光栅光纤应变传感器4、光纤解调仪6、工控机7和船用光缆等。在固定式平台各桩腿导管架帽2位置安装应变传感器4，这一位置通常设有带缆走道或工作甲板，便于安装。光栅光纤应变传感器4在桩腿上沿垂向安装，安装时应变传感器4间隔90°布置，即4个传感器分别沿平台X、Y向各布置2个，综合4个传感器的垂向应变值计算桩腿轴向载荷和弯矩。
根据光栅光纤应变传感器4在海洋工程结构物上的使用经验，在使用一段时间后易在恶劣环境因素作用下发生脱落或损坏。在固定式平台现场维修和重新安装光栅光纤应变传感器4成本较高，为有效解决传感器使用寿命问题，本发明在每两个应变传感器之间再增加布置一个应变传感器，即每个桩腿导管架帽位置共安装8个传感器。新增布置的4个传感器与正常安装的4个传感器使用两根不同的船用光缆连接，在每个桩腿构建两套应变传感网络。新增传感网络在正常工作状态下可以对实时监测结果对比校验，当正常传感网络中的某个传感器出现故障时，可以作为备用系统随时接管。以导管架结构10短边一侧为X轴，长边一侧为Y轴建立坐标系，在桩腿表面沿逆时针分别布置应变传感器11-14和15-18，如图3所示。其中，11-14传感器是监测桩腿应变用传感器，15-18为备用传感器，当11-14传感器出现故障时可随时启用。在11-14传感器正常工作时，15-18备用传感器的测试结果可以对应变监测数据进行校验。
另一方面，在应变实时监测系统安装过程中，对导管架帽2处桩腿表面进行打磨处理，将光栅光纤应变传感器4直接焊接固定在桩腿表面，传感器与桩腿表面紧密连接，保证测量结果的准确。为提高每个光栅光纤应变传感器4的存活率和使用寿命，在传感器安装位置外罩防护盒，将传感器和安装面均保护在盒内，避免水蒸气、盐分和空气对传感器和安装面的腐蚀，以及波浪飞溅对传感器的拍击。
光栅光纤应变传感器4在出厂时两端会连接一段引线，引线部分缺少足够的保护和屏蔽能力，安装时将引线全部藏于防护盒内。将船用光缆引入防护盒内分别与传感器两端引线连接，在光缆进出防护盒接口处进行密封处理。连接各应变传感器的光缆就近汇总至集线箱内，在集线箱内串联连接每根桩腿上的应变传感器。串联两端接头均通过船用光缆送至中控室内的光纤解调仪6处，其中一端作为主接头插入光纤解调仪6通道；另一端作为备用接头，当主接头一端光缆出现故障时可以从另一端接入光纤解调仪6，从而提高了应变实时监测系统的可靠性和维修便利性。串联接入光纤解调仪每个通道的各应变传感器波长范围彼此之间有明显间隔，避免相互干扰影响测量。在光纤解调仪中对各传感器的波长信号进行解调、降噪、滤波和采样，固定式平台桩腿应变主要反映上部组块受力分布，采样频率可以适当降低，以减少监测数据量，提高系统运行稳定性。对一般固定式平台，采样频率可设置为10-50Hz。经光纤解调仪6处理、转换得到的应变数据上传至工控机7，与输入的加速度数据同步、融合，在工控机内记录、转换和保存，并同步传输至上位机8数据库中。
在上部组块重量计算方法中，结构加速度响应数据必须与应变响应数据保持同步，才能得到准确的上部组块重量估算结果。通常的数采模块5只能采集和处理加速度信号，不能兼容光纤应变信号，光纤应变信号一般只能由光纤解调仪6分析处理。通过两套硬件设备采集得到的加速度信号和应变信号分别以各自机器时间为准，会存在一定的时间差，从而导致重量计算结果的误差。为解决两类响应信号的同步问题，本发明在工控机7中安装了一套时间同步模块，实时对数采模块5和光纤解调仪6的硬件时间进行同步调试，从而保证信号的同步性。由数采模块5上传至工控机7的加速度数据会带有数采模块的时间戳，由光纤解调仪6上传至工控机7的应变数据也会带有光纤解调仪的时间戳，工控机7上的时间同步模块实时向数采模块5和光纤解调仪6同步发送指令，调取两台设备的实时机器时间，工控机7对两个机器时间进行比对，得到补偿系数输入响应测试数据的时间序列中。这种实时补偿方法可以保障加速度监测数据和应变监测数据的同步性。
对上位机8数据库中具有同步时间戳的加速度和应变数据，通过以下公式计算上部组块的实时重量情况：
式中，Mxi为第i个桩腿上绕Y轴的弯矩；Fz为各桩腿轴向载荷平均值；Lx为两桩腿间沿X方向之间的距离；m为上部组块重量，即监测系统输出值；ax为上部组块振动加速度；H为上部组块重心距光栅光纤应变传感器高度；n为平台桩腿数量；Fi为第i个桩腿上的轴向载荷；A为桩腿截面面积；E为弹性模量；I为截面惯性矩；D为桩腿外径；εi1和εi3分别为第i个桩腿上沿X轴方向的应变值。基于平台加速度和应变监测数据，使用上述公式可以计算得到上部组块重量。在上位机中通过可视化软件实时显示重量结果，并可对历史数据进行查询并绘制重量变化曲线。
本发明应用于在役海洋平台上部组块重量的实时监测，具有以下优势：
1.解决了在役海洋平台上部组块重量无法准确获知的工程问题，实现了对上部组块重量的实时监测和快速反映。
2.加速度传感器布置在平台上部组块甲板与立柱相交位置，光纤应变传感器布置在导管架帽位置，施工较方便，有较好的适用性和可推广性。传感器布置方案与上部组块重量计算方法相配合，可以准确、快速计算平台上部组块重量。
3.在平台各桩腿上额外布置1套光栅光纤应变传感器备用，并对每个传感器加装防护盒保护。在光缆串联传感器时将两端接头均送至光纤解调仪处，分别作为主接头和备用接头。这些措施均有效提高了应变实时监测系统长期运行的可靠性和可维护性，延长了该系统的使用寿命。
4.在工控机内通过一套时间同步模块对加速度数据和应变数据进行融合，保证监测数据的同步性。
本发明在服役海洋平台上安装上部组块重量实时监测系统，安装位置和方式简单易行。使用上部组块加速度和桩腿应变数据，实现了对平台上部组块9重量的实时监测。系统长期运行稳定性好，可靠性高，使用寿命长，便于维护和检修，为平台工作人员和管理单位实时掌握平台上部组块重量情况提供了一套可行、有效的监测系统。
Claims (2)
1.一种海洋平台上部组块重量的实时监测系统，包括压电式加速度传感器、光栅光纤应变传感器、数采模块、光纤解调仪、工控机、上位机、船用电缆和光缆，由压电式加速度传感器和光栅光纤应变传感器采集上部组块甲板运动加速度信号和导管架帽垂向应变信号，通过船用光缆将加速度信号和应变信号传输汇总至工控机，经数据处理与融合后上传至上位机，在上位机进行上部组块重量计算与可视化显示。
在上部组块甲板与主立柱相交位置布置多个两向压电式加速度传感器，形成加速度传感网络，用于对海洋平台在水平面内的振动响应进行有效测量；
在海洋平台的各桩腿导管架帽位置安装两组应变传感器网络，对于一个桩腿，第一组应变传感器网络的各个光栅光纤应变传感器在桩腿上沿垂向安装，安装时光栅光纤应变传感器间隔90°布置，综合各个光栅光纤应变传感器的垂向应变值计算桩腿轴向载荷和弯矩；第二组应变传感器网络的每个光栅光纤应变传感器布置在第一组应变传感器网络的相邻两个光栅光纤应变传感器之间，两组应变传感器网络使用不同的船用光缆连接，独立采集数据。
2.根据权利要求1所述的实时监测系统，其特征在于，工控机具有时间同步模块，实时对数采模块和光纤解调仪的硬件时间进行同步调试，由数采模块上传至工控机的加速度监测数据会带有数采模块的时间戳，由光纤解调仪上传至工控机的应变监测数据也会带有光纤解调仪的时间戳，工控机上的时间同步模块实时向数采模块和光纤解调仪同步发送指令，调取两者的实时机器时间，工控机对两个机器时间进行比对，得到补偿系数输入响应测试数据的时间序列中，以保障加速度监测数据和应变监测数据的同步性。
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