专利名称：一种测量海洋平台冰荷载的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量海洋平台冰荷载的方法。
背景技术：
冰荷载形成于冰与结构作用破坏过程，目前没有理论方法能预测冰力，室内模型实验存在的相似性问题也无法克服。利用现役海洋平台测量可以获得真实的冰荷载信息，在国际许多国家都展开过类似的测量。但是，已经开展的原型结构测量冰荷载只能获得部分冰荷载信息，都不能得到总冰力的信息。已经采用的方法主要分为两种方式一种是利用冰压力计直接测量荷载，这种方法只能测量局部的冰力，因为冰压力计只能覆盖结构部分面积，不能测量到结构整体的冰力。另一种是利用平台的位移响应间接测量冰力，因为实际的海洋平台没有固定参考点，只能利用加速度计测量振动数据，因此，这种方法只能测量到动冰力弓I起的振动，不能测量到静冰力信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量海洋平台冰荷载的方法，利用平台在建造期间，将光纤应变计预埋在海洋平台的水下部位，通过理论分析、计算机仿真与室内模型实验标定，确定预埋点数、位置，并建立冰荷载与海洋平台响应的关系。利用该系统可在海洋平台上获得冰荷载的全部信息，总冰力，交变冰力及极值冰力。本发明所述的一种测量海洋平台冰荷载的方法，包括荷载标定分析、应变测量系统、冰况测量系统三大部分；荷载标定分析包括理论分析、计算机仿真与室内模型实验标定；应变测量系统包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器，信号传输光缆，光纤光栅解调仪，数字记录服务器；冰况测量系统包括至少两个高分辨率摄相头，视频传输光缆、视频采集系统，计算机图象处理系统。结构所受荷载的标定包括模型实验标定和数值分析标定，在原型结构数值分析和模型实验的基础上，确定光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器安装的数量和位置；模型实验标定是对采购的光纤应变传感器进行标定及灵敏度分析；数值分析标定是确定结构测点应变与所受荷载关系，包括潮高、冰厚、冰速、来冰方向的变化；应变测点选择在各种冰况作用下结构水下部分应变响应的显著区域，荷载和应变呈线性变化关系，避开构件的应力突变区；选取若干个应变测点，采用全桥或半桥法连接各个应变传感器；在海洋平台吊装下水之前完成传感器的焊接，光缆的走线与防护；在平台中控室安装光纤光栅解调仪；待海洋平台安装就位后，在平台甲板边缘或其他位置，安装能够连续记录冰厚、冰速、来冰方向、潮高的高分辨率摄像机；摄像头的安装位置在平台的下层甲板，靠近冰面和平台桩腿处，在平台中控室安装视频采集器，通过计算机实时观测、采集测量数据，结合结构测点应变与所受荷载的数值标定，获得冰荷载的全面信息。主要的技术关键点是通过导管架平台测量到冰荷载的全部信息。本发明的海洋平台原型结构冰荷载确定的方法，考虑了复杂的环境条件及海冰与结构作用的因素，结合模型实验及数值模拟的方法对结构荷载进行标定，利用水下结构局部应变响应信息来确定海洋平台冰荷载。采用光纤光栅应变和温度传感器测量水下局部应变响应和温度变化；利用先进的图像识别技术，确定海冰条件；实现应变响应与海冰要素的同步实时测量。和现有的海洋平台冰荷载测量技术相比，能够准确获得结构总冰荷载的信息。通过本系统可以建立更准确的冰荷载公式，设计更为合理的抗冰平台。每座平台的造价昂贵，保守的平台将造成巨大的浪费，而风险的平台能形成灾害。渤海已经有两座平台被冰推倒，另有一些平台受冰振的严重威胁，有的平台则很保守，主要原因是冰荷载估计水平不闻。
图I是测量海洋平台冰荷载系统的结构框图。图2是系统实物结构图。
图中I中控室；2光纤光栅解调仪；3视频采集器；4数据记录服务器；5高分辨率摄像头；6光纤光栅温度传感器；7光纤光栅应变传感器。
具体实施例方式本发明所述的一种测量海洋平台冰荷载的方法，包括荷载标定、应变测量系统、冰况测量系统三大部分。荷载标定包括理论分析、计算机仿真与室内模型实验标定；应变测量系统包括光纤光栅温度传感器6、光纤光栅应变传感器7，信号传输光缆，光纤光栅解调仪2，数字记录服务器4 ;冰况测量系统包括高分辨率摄像头5 (至少两个)，视频传输光缆、视频采集器3，计算机图像处理系统。基于原型结构数值分析及模型实验，确定传感器安装的数量及位置。结构所受荷载的标定包括模型实验标定和数值分析标定。模型实验中，主要对采购的光纤应变传感器进行标定及灵敏度分析，并且在冰池中模拟海冰与结构作用下测点应变的变化情况。数值分析标定是确定结构测点应变与所受荷载关系的主要内容。真实的海洋平台结构受到复杂的海洋条件影响，潮高、冰厚、冰速、来冰方向的不同，测点应变响应也随之变化。应变测点的选择，要求是在各种冰况作用下结构水下部分应变响应的显著区域，且荷载和应变呈线性变化关系，避开构件的应力突变区。选取若干个应变测点，采用全桥或半桥法连接各个应变传感器。为了准确测量出原型结构在各种冰况下的总冰力，数值模拟中考虑了来冰方向、潮高的不同，结构总荷载与结构局部应变的关系。在平台吊装下水之前完成传感器的焊接、保护，光缆的走线、防护等。为了保证传感器以及传输光缆的安全性，避免传感器在海洋平台的喷漆、吊装、打桩等施工过程中遭受损坏，待所有光缆布线确定后，通过预先制作的防护钢管，焊接到导管架上，将传感器和光缆覆盖。待导管架安装就位后，在平台中控室I安装光纤光栅解调仪，并且引出光缆至事先安装在底层甲板上的配线箱，进行光缆连接。安装中对传感器进行调试，保证数据的可靠性。待海洋平台安装就位后，在平台甲板边缘或其他位置，安装能够连续记录冰厚、冰速、来冰方向、潮高的高分辨率摄像机。通过冰面位置已知尺寸的标定物，根据视频图像中的像素点数量分析计算相应时间的冰厚、冰速、冰作用位置和方向等信息；摄像头的安装位置要求在平台的下层甲板，尽量靠近冰面和平台桩腿作用处，以提高视频图像的精度。在平台中控室安装光纤光栅解调仪设备，及视频采集器，通过计算机实时观测、采集测量数据。最后，结合结构测点应变与所受荷载的数值标定，获得冰荷载的全面信息。上述的光纤光栅传感器采用的是FS-S-03光纤光栅应变式传感器和FS-T-04光纤光栅温度式传感器。应变范围是5000 μ ε，分辨率是I μ ε，精度是10 μ ε，波长范围是1510-1590nm,该传感器通过焊接用螺栓固定到导管架结构上；光纤光栅温度式传感器温度量程为-20-120°C，分辨率为O. 1°C，精度为1°C，波长范围是1510-1590nm，该传感器通过在结构上焊接物件后绑扎与结构连接。光纤数据采集系统采取的是深圳太辰光通信公司的TS-WI410B系列光纤波长分析仪，能实现长期自动采集。冰况测量中采用高分辨率的彩色一 体摄像机，并利用防爆护罩对其进行保护，视频采集系统采用视频录像机，最后通过计算机图像处理系统进行图像处理，利用图像射影矫正、图像识别与匹配等方法，对现场采集的视频与照片进行信息提取，以获取海冰冰情。
权利要求
1.一种测量海洋平台冰荷载的方法，其特征在于包括荷载标定分析、应变测量、冰况测量三大部分；荷载标定分析包括理论分析、计算机仿真与室内模型实验标定；应变测量包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器，信号传输光缆，光纤光栅解调仪，数字记录服务器；冰况测量包括至少两个高分辨率摄像头，视频传输光缆、视频采集系统，计算机图象处理系统； 结构所受荷载的标定包括模型实验标定和数值分析标定，在原型结构数值分析和模型实验的基础上，确定光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器安装的数量和位置； 模型实验标定是对采购的光纤应变传感器进行标定及灵敏度分析；数值分析标定是确定结构测点应变与所受荷载关系，包括潮高、冰厚、冰速、来冰方向的变化，应变测点选择在各种冰况作用下结构水下部分应变响应的显著区域，荷载和应变呈线性变化关系，避开构件的应力突变区；选取若干个应变测点，采用全桥或半桥法连接各个应变传感器； 在海洋平台吊装下水之前完成传感器的焊接，光缆的走线与防护；在平台中控室安装光纤光栅解调仪；待海洋平台安装就位后，在平台甲板边缘或其他位置，安装能够连续记录冰厚、冰速、来冰方向、潮高的高分辨率摄像机；摄像头的安装位置在平台的下层甲板，靠近冰面和平台桩腿处，在平台中控室安装视频采集器，通过计算机实时观测、采集测量数据，结合结构测点应变与所受荷载的数值标定，获得冰荷载的全面信息；采用光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器测量水下局部应变响应和温度变化；利用先进的图像识别技术，确定海冰条件；实现应变响应与海冰要素的同步实时测量。
全文摘要
本发明涉及一种测量海洋平台冰荷载的方法；包括荷载标定分析、应变测量系统、冰况测量系统三大部分；荷载标定分析包括理论分析、计算机仿真与室内模型实验标定；应变测量系统包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器，信号传输光缆，光纤光栅解调仪，数字记录服务器；冰况测量系统包括至少两个高分辨率摄像头，视频传输光缆、视频采集器，计算机图像处理系统；通过计算机实时观测、采集测量数据，结合结构测点应变与所受荷载的数值标定，获得冰荷载的全面信息；采用光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器测量水下局部应变响应和温度变化；利用先进的图像识别技术，确定海冰条件；实现应变响应与海冰要素的同步实时测量。
文档编号G01M99/00GK102829987SQ20111016397
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者李绂, 岳前进, 孙春梅, 张大勇 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团海洋工程有限公司