海洋工程
如何解决自升式钻井平台桩腿安全问题
发布时间:2020-07-17

海洋钻井平台是从事海上油气勘探开发作业的大型钢结构体。自升式钻井平台是海上可移动式钻井平台的一种,作业时将桩腿插入海底泥面以下,站立在海床上,利用桩腿托起船体并保持船体底部与海平面有一定的气隙。

随着全球海上钻探市场的回暖,自升式钻井平台的市场利用率有所回升,未来需求还将进一步提高。国内自主研发的自升式钻井平台的使用规模也在逐年扩大,中国境内作业的钻井平台中80%为自升式钻井平台。

海上钻井平台运营使用的安全性和可靠性非常重要,桩腿作为自升式钻井平台的关键结构,其安全可靠性直接关系到整个钻井平台在海上作业的安全。

 

 

自升式钻井平台的桩腿在使用过程中,长期受到海水的腐蚀及不断变化的环境荷载的作用,在平衡位置附近循环震荡产生随时间变化的应力(或应变),很容易产生疲劳裂纹并产生一定的疲劳累积损伤,对整个自升式平台的安全性构成严重的威胁。且桩腿处于水下,不易观察。因此,监测技术的采用必不可少。

监测技术作为工程师的眼睛,在工程的安全施工和顺利运营中发挥着不可忽视的作用。目前工程监测所采用的传感器元件主要是基于电阻式、电感式及钢弦式等的点式传感器。但海洋环境恶劣,潮湿且腐蚀性强,这些常规的电类传感器普遍存在寿命短、易受周围环境影响、易受电磁干扰、易被腐蚀等问题。

光纤类传感技术是近年来发展起来的尖端监测技术。光纤传感器是利用光纤技术和光学原理,将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。

在光纤传感器中,光纤既是传感介质,也是传输介质。作为传感介质的光纤,具有测量敏感性高、性能稳定的优点;而作为传输介质的光纤,在传输过程中不受电磁干扰、信号损失小,传感光纤可以直接通过光缆连到控制检测中心,这样就可以试验远程分布式监测。

 

 

 
 

海上钻井平台桩腿监测方案

 

针对自升式海上钻井平台桩腿监测这一特定应用,基于SOFO光纤传感器测量精度和分辨率很高,适用于少量布点的结构重点部位监测的特点,我们提出一个参考性建议方案。

 

 
 

SOFO光纤传感器

 
 

SOFO(源于法语Surveilance d’Ouvrages par Fibres Optiques的首字母,意为光纤结构监测)是由瑞士联邦工业学院土木工程系IMAC应力分析实验室开发的一种点式光纤传感器。

SOFO系统包括传感器一套读数仪、数据采集和分析软件。传感器由两根光纤组成,分别是测量光纤和参考光纤,这两根光纤都装在同一根保护管中。测量光纤与被测结构结合并随结构一起变形。为了测量缩短和伸长,测量光纤被预张拉了0.5%。参考光纤是松弛的,因此与结构的变形无关;它的作用是补偿温度对传感器的影响。读数仪发出的光学信号(光)通过一个  耦合器进入传感器,在两根光纤末端被反射镜反射回读数仪,在读数仪中被一对匹配光纤解调。返回光包含有结构物变形的信息,该信息被读数仪解码,并在笔记本电脑上显示。典型传感器的长度范围是250mm-10m,分辨率与标距无关,为2 μm,精度为0.2%。传感器的动态范围在受压时为0.5%,在伸长时为1%。

 

SOFO系统在上世纪90年代初开始研制,1995年开始商业化生产,随后应用于各种民用结构的监测,例如岩土工程、桥梁、大坝、民用和工业建筑等。该系统对温度变化、电磁场、湿度和腐蚀不敏感,至少6年内(第一次安装后)不受漂移的影响,这使得该系统既适合短期监测也适合长期监测(估计长期稳定性长达20年)。传感器可直接埋入新拌混凝土或者使用专门设计的便于安装的L型支架在结构表面上安装。无需标定,成活率高(在正常条件下,正确埋入混凝土中的传感器的成活率高于95%)。长标距传感器比传统应变传感器更可靠,更精确,它测得的是长距离内的平均应变,不受材料局部缺陷如裂缝和气孔的影响。

 

 
 

SOFO监测系统描述

 
 

自升式海上钻井平台桩腿监测基于光纤低相干涉原理的SOFO监测系统,采用定期、连续和准静态监测模式,用以增加对桩腿荷载、桩腿荷载分布、来自平台荷载的重心等结构情况的了解监测参数包括:

  • 每根桩腿(共三根桩腿)某个截面的荷载

  • 平均应变

  • 整体平均曲率和温度

SOFO系统通过监测桩腿每根桩(3根桩/每根桩腿)在荷载作用下产生的平均应变来间接监测每根桩腿的荷载,如图下所示。测得了桩腿每根桩上的平均应变,可计算出桩腿的总荷载。

在”I”桩腿横截面图中SOFO传感器和热电偶的位置

 

SOFO传感器和热电偶在桩腿1上的整体位置及系统的集中

 

 

 
 

SOFO系统硬件配置

 
 

整套系统建议采用9个SOFO标准传感器(3个/桩腿)和9个热电偶(三根桩腿)。使用标准的L形支架并按焊接步骤把这些传感器安装在表面上。

01

标准SOFO传感器

标准SOFO传感器用于监测平均应变。由于桩腿由钢材制成,而钢材被认为是均匀材料,建议的传感器长度为0.5到1m。

SOFO VII 标准变形传感器
 

 
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适用范围

安装在结构表面上或埋入在混凝土或砂浆中。适合长期监测结构的变形。

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主要特点

  • 高分辨率

  • 埋入或表面安装

  • 对温度不敏感

  • 对腐蚀和振动不敏感

  • 不需要校准

  • 易于安装

  • 长期可靠性

  • 防水

  • 静态测

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技术规格

 

02

热电偶

因为结构暴露在温度变化的环境中,因此有必要监测温度来区分测得总应变中的温度应变。为此建议使用SOFO系统兼容的K型热电偶。为了使这些传感器与SOFO系统相兼容,必须使用SOFO桥接设备和ADAM模块。

 

iCIVIL-2404热电偶
 

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适用范围

用于结构体内部或外部温度的长短期监测。

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主要特点

  • 半导体温度计可串行,用于分布式温度测量

  • 安装快捷方便

  • 性价比高

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技术规格

 

03

读数仪

把同在一根桩腿上的一组SOFO传感器连接到中继连接箱,以便进行集中测量。相应的ADAM模块也安装在箱子中。三个中继连接箱被连接到平台上办公室内的测量中心。测量中心包括12通道的SOFO读数仪,SOFO桥接单元,以及ADAM模块的电源。读数仪可以选择SOFO便携读数仪,使用方便。

 

SOFO VII/MuST 便携式读数仪
 

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适用范围

适合现场使用的可靠、多功能光纤数据记录仪,可测读SOFO和FBG传感器。

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主要特点

  • 光纤传感技术

  • 兼容所有SOFO传感器

  • 兼容所有MuSTFBG传感器

  • 在单个项目中混合匹配SOFO和MuST技术

  • 长达3个小时续航时间的电池

  • 使用备用电池的可能性

  • 动态范围大

  • 12” 触摸屏

  • 直观的用户界面(SDB)

  • 具有完整数据记录仪功能的软件

  • 光谱分析仪

  • 高分辨率和精度

  • 不需要校准

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性能参数&技术规格

 

 
 

SOFO系统测量参数

 
 

SOFO系统将记录变形和温度,并保存在单一关系数据库中。这简化了数据处理和分析。该数据库可以与其它数据库对接,便于和其它已安装的监测系统进行数据同步。SOFO传感器读数一次约需6-10秒,热电偶读数一次约需2-3秒。传感器仅能顺序读取(非同时)。因此,读取所有传感器的平均时间大约是2分钟。使用SOFO Pro和SOFO View软件,可以实时计算,并在显示屏上显示预警和警告(如超过某些阀值)。

系统测量参数

 

 
 

SOFO系统测量和数据管理计划

 
 

零点测量是第一步执行的有意义的测量(之前的测量可视为检查测量),零点是将来所有测量的基准。因此,监测参数的演变将相对于零点被记录和显示。这就是准确确定测量时间如此重要的原因。零点测量的设定取决于实际项目的要求。

  • 24~48 小时连续监测:为了记录结构对每天温度变化的响应,建议连续监测。在24到48小时内,每小时将做一组测量。

  • 荷载测试 (若有的话): 一般每次加载后,做一组测量。

  • 翻新、维修或扩建之前:该测量有助于了解结构重建前的状态,每天在一段既定时间(有代表性的)测量几次 (如:在早上、中午、下午和晚上做一组测量)。另外为了确定每日温度的影响,建议做几次连续24小时或者48小时的监测 (每小时做一组测量)。

  • 翻新、维修 或扩建期间:除了每天4次的连续监测外, 一般每次增加或减少荷载后做一组测量。

  • 在役期间长期监测:对于长期监控,建议每天至少做1-4组测量,对于周期监测,至少每周到每月做一组测量。还建议每年做24-28小时连续监测(24小时内至少每小时做一组测量)。

  • 特别事件:在强风、大雨或者地震发生时或之后做一组测量。

 

SOFO监测系统适用于各类结构,如桥梁,大坝,隧道等的安全性监测,可以获得结构体在施工初期到运营过程准确的安全状态信息。关于SOFO在不同应用领域的解决方案,欢迎与欧美大地沟通、探讨。

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