專利名稱：一種測量海洋平臺冰荷載的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量海洋平臺冰荷載的方法。
背景技術(shù)：
冰荷載形成于冰與結(jié)構(gòu)作用破壞過程，目前沒有理論方法能預(yù)測冰力，室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)存在的相似性問題也無法克服。利用現(xiàn)役海洋平臺測量可以獲得真實(shí)的冰荷載信息，在國際許多國家都展開過類似的測量。但是，已經(jīng)開展的原型結(jié)構(gòu)測量冰荷載只能獲得部分冰荷載信息，都不能得到總冰力的信息。已經(jīng)采用的方法主要分為兩種方式一種是利用冰壓力計(jì)直接測量荷載，這種方法只能測量局部的冰力，因?yàn)楸鶋毫τ?jì)只能覆蓋結(jié)構(gòu)部分面積，不能測量到結(jié)構(gòu)整體的冰力。另一種是利用平臺的位移響應(yīng)間接測量冰力，因?yàn)閷?shí)際的海洋平臺沒有固定參考點(diǎn)，只能利用加速度計(jì)測量振動數(shù)據(jù)，因此，這種方法只能測量到動冰力弓I起的振動，不能測量到靜冰力信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測量海洋平臺冰荷載的方法，利用平臺在建造期間，將光纖應(yīng)變計(jì)預(yù)埋在海洋平臺的水下部位，通過理論分析、計(jì)算機(jī)仿真與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，確定預(yù)埋點(diǎn)數(shù)、位置，并建立冰荷載與海洋平臺響應(yīng)的關(guān)系。利用該系統(tǒng)可在海洋平臺上獲得冰荷載的全部信息，總冰力，交變冰力及極值冰力。本發(fā)明所述的一種測量海洋平臺冰荷載的方法，包括荷載標(biāo)定分析、應(yīng)變測量系統(tǒng)、冰況測量系統(tǒng)三大部分；荷載標(biāo)定分析包括理論分析、計(jì)算機(jī)仿真與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；應(yīng)變測量系統(tǒng)包括光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器，信號傳輸光纜，光纖光柵解調(diào)儀，數(shù)字記錄服務(wù)器；冰況測量系統(tǒng)包括至少兩個(gè)高分辨率攝相頭，視頻傳輸光纜、視頻采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)圖象處理系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)所受荷載的標(biāo)定包括模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)值分析標(biāo)定，在原型結(jié)構(gòu)數(shù)值分析和模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝的數(shù)量和位置；模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定是對采購的光纖應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定及靈敏度分析；數(shù)值分析標(biāo)定是確定結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載關(guān)系，包括潮高、冰厚、冰速、來冰方向的變化；應(yīng)變測點(diǎn)選擇在各種冰況作用下結(jié)構(gòu)水下部分應(yīng)變響應(yīng)的顯著區(qū)域，荷載和應(yīng)變呈線性變化關(guān)系，避開構(gòu)件的應(yīng)力突變區(qū)；選取若干個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，采用全橋或半橋法連接各個(gè)應(yīng)變傳感器；在海洋平臺吊裝下水之前完成傳感器的焊接，光纜的走線與防護(hù)；在平臺中控室安裝光纖光柵解調(diào)儀；待海洋平臺安裝就位后，在平臺甲板邊緣或其他位置，安裝能夠連續(xù)記錄冰厚、冰速、來冰方向、潮高的高分辨率攝像機(jī)；攝像頭的安裝位置在平臺的下層甲板，靠近冰面和平臺樁腿處，在平臺中控室安裝視頻采集器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測、采集測量數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載的數(shù)值標(biāo)定，獲得冰荷載的全面信息。主要的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是通過導(dǎo)管架平臺測量到冰荷載的全部信息。本發(fā)明的海洋平臺原型結(jié)構(gòu)冰荷載確定的方法，考慮了復(fù)雜的環(huán)境條件及海冰與結(jié)構(gòu)作用的因素，結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法對結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行標(biāo)定，利用水下結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變響應(yīng)信息來確定海洋平臺冰荷載。采用光纖光柵應(yīng)變和溫度傳感器測量水下局部應(yīng)變響應(yīng)和溫度變化；利用先進(jìn)的圖像識別技術(shù)，確定海冰條件；實(shí)現(xiàn)應(yīng)變響應(yīng)與海冰要素的同步實(shí)時(shí)測量。和現(xiàn)有的海洋平臺冰荷載測量技術(shù)相比，能夠準(zhǔn)確獲得結(jié)構(gòu)總冰荷載的信息。通過本系統(tǒng)可以建立更準(zhǔn)確的冰荷載公式，設(shè)計(jì)更為合理的抗冰平臺。每座平臺的造價(jià)昂貴，保守的平臺將造成巨大的浪費(fèi)，而風(fēng)險(xiǎn)的平臺能形成災(zāi)害。渤海已經(jīng)有兩座平臺被冰推倒，另有一些平臺受冰振的嚴(yán)重威脅，有的平臺則很保守，主要原因是冰荷載估計(jì)水平不聞。


圖I是測量海洋平臺冰荷載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖。
圖中I中控室；2光纖光柵解調(diào)儀；3視頻采集器；4數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器；5高分辨率攝像頭；6光纖光柵溫度傳感器；7光纖光柵應(yīng)變傳感器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的一種測量海洋平臺冰荷載的方法，包括荷載標(biāo)定、應(yīng)變測量系統(tǒng)、冰況測量系統(tǒng)三大部分。荷載標(biāo)定包括理論分析、計(jì)算機(jī)仿真與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；應(yīng)變測量系統(tǒng)包括光纖光柵溫度傳感器6、光纖光柵應(yīng)變傳感器7，信號傳輸光纜，光纖光柵解調(diào)儀2，數(shù)字記錄服務(wù)器4 ;冰況測量系統(tǒng)包括高分辨率攝像頭5 (至少兩個(gè))，視頻傳輸光纜、視頻采集器3，計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。基于原型結(jié)構(gòu)數(shù)值分析及模型實(shí)驗(yàn)，確定傳感器安裝的數(shù)量及位置。結(jié)構(gòu)所受荷載的標(biāo)定包括模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)值分析標(biāo)定。模型實(shí)驗(yàn)中，主要對采購的光纖應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定及靈敏度分析，并且在冰池中模擬海冰與結(jié)構(gòu)作用下測點(diǎn)應(yīng)變的變化情況。數(shù)值分析標(biāo)定是確定結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載關(guān)系的主要內(nèi)容。真實(shí)的海洋平臺結(jié)構(gòu)受到復(fù)雜的海洋條件影響，潮高、冰厚、冰速、來冰方向的不同，測點(diǎn)應(yīng)變響應(yīng)也隨之變化。應(yīng)變測點(diǎn)的選擇，要求是在各種冰況作用下結(jié)構(gòu)水下部分應(yīng)變響應(yīng)的顯著區(qū)域，且荷載和應(yīng)變呈線性變化關(guān)系，避開構(gòu)件的應(yīng)力突變區(qū)。選取若干個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，采用全橋或半橋法連接各個(gè)應(yīng)變傳感器。為了準(zhǔn)確測量出原型結(jié)構(gòu)在各種冰況下的總冰力，數(shù)值模擬中考慮了來冰方向、潮高的不同，結(jié)構(gòu)總荷載與結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變的關(guān)系。在平臺吊裝下水之前完成傳感器的焊接、保護(hù)，光纜的走線、防護(hù)等。為了保證傳感器以及傳輸光纜的安全性，避免傳感器在海洋平臺的噴漆、吊裝、打樁等施工過程中遭受損壞，待所有光纜布線確定后，通過預(yù)先制作的防護(hù)鋼管，焊接到導(dǎo)管架上，將傳感器和光纜覆蓋。待導(dǎo)管架安裝就位后，在平臺中控室I安裝光纖光柵解調(diào)儀，并且引出光纜至事先安裝在底層甲板上的配線箱，進(jìn)行光纜連接。安裝中對傳感器進(jìn)行調(diào)試，保證數(shù)據(jù)的可靠性。待海洋平臺安裝就位后，在平臺甲板邊緣或其他位置，安裝能夠連續(xù)記錄冰厚、冰速、來冰方向、潮高的高分辨率攝像機(jī)。通過冰面位置已知尺寸的標(biāo)定物，根據(jù)視頻圖像中的像素點(diǎn)數(shù)量分析計(jì)算相應(yīng)時(shí)間的冰厚、冰速、冰作用位置和方向等信息；攝像頭的安裝位置要求在平臺的下層甲板，盡量靠近冰面和平臺樁腿作用處，以提高視頻圖像的精度。在平臺中控室安裝光纖光柵解調(diào)儀設(shè)備，及視頻采集器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測、采集測量數(shù)據(jù)。最后，結(jié)合結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載的數(shù)值標(biāo)定，獲得冰荷載的全面信息。上述的光纖光柵傳感器采用的是FS-S-03光纖光柵應(yīng)變式傳感器和FS-T-04光纖光柵溫度式傳感器。應(yīng)變范圍是5000 μ ε，分辨率是I μ ε，精度是10 μ ε，波長范圍是1510-1590nm,該傳感器通過焊接用螺栓固定到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上；光纖光柵溫度式傳感器溫度量程為-20-120°C，分辨率為O. 1°C，精度為1°C，波長范圍是1510-1590nm，該傳感器通過在結(jié)構(gòu)上焊接物件后綁扎與結(jié)構(gòu)連接。光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采取的是深圳太辰光通信公司的TS-WI410B系列光纖波長分析儀，能實(shí)現(xiàn)長期自動采集。冰況測量中采用高分辨率的彩色一 體攝像機(jī)，并利用防爆護(hù)罩對其進(jìn)行保護(hù)，視頻采集系統(tǒng)采用視頻錄像機(jī)，最后通過計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，利用圖像射影矯正、圖像識別與匹配等方法，對現(xiàn)場采集的視頻與照片進(jìn)行信息提取，以獲取海冰冰情。
權(quán)利要求
1.一種測量海洋平臺冰荷載的方法，其特征在于包括荷載標(biāo)定分析、應(yīng)變測量、冰況測量三大部分；荷載標(biāo)定分析包括理論分析、計(jì)算機(jī)仿真與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；應(yīng)變測量包括光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器，信號傳輸光纜，光纖光柵解調(diào)儀，數(shù)字記錄服務(wù)器；冰況測量包括至少兩個(gè)高分辨率攝像頭，視頻傳輸光纜、視頻采集系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)圖象處理系統(tǒng)； 結(jié)構(gòu)所受荷載的標(biāo)定包括模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和數(shù)值分析標(biāo)定，在原型結(jié)構(gòu)數(shù)值分析和模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定光纖光柵溫度傳感器和光纖光柵應(yīng)變傳感器安裝的數(shù)量和位置； 模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定是對采購的光纖應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定及靈敏度分析；數(shù)值分析標(biāo)定是確定結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載關(guān)系，包括潮高、冰厚、冰速、來冰方向的變化，應(yīng)變測點(diǎn)選擇在各種冰況作用下結(jié)構(gòu)水下部分應(yīng)變響應(yīng)的顯著區(qū)域，荷載和應(yīng)變呈線性變化關(guān)系，避開構(gòu)件的應(yīng)力突變區(qū)；選取若干個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，采用全橋或半橋法連接各個(gè)應(yīng)變傳感器； 在海洋平臺吊裝下水之前完成傳感器的焊接，光纜的走線與防護(hù)；在平臺中控室安裝光纖光柵解調(diào)儀；待海洋平臺安裝就位后，在平臺甲板邊緣或其他位置，安裝能夠連續(xù)記錄冰厚、冰速、來冰方向、潮高的高分辨率攝像機(jī)；攝像頭的安裝位置在平臺的下層甲板，靠近冰面和平臺樁腿處，在平臺中控室安裝視頻采集器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測、采集測量數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載的數(shù)值標(biāo)定，獲得冰荷載的全面信息；采用光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器測量水下局部應(yīng)變響應(yīng)和溫度變化；利用先進(jìn)的圖像識別技術(shù)，確定海冰條件；實(shí)現(xiàn)應(yīng)變響應(yīng)與海冰要素的同步實(shí)時(shí)測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量海洋平臺冰荷載的方法；包括荷載標(biāo)定分析、應(yīng)變測量系統(tǒng)、冰況測量系統(tǒng)三大部分；荷載標(biāo)定分析包括理論分析、計(jì)算機(jī)仿真與室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)標(biāo)定；應(yīng)變測量系統(tǒng)包括光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵應(yīng)變傳感器，信號傳輸光纜，光纖光柵解調(diào)儀，數(shù)字記錄服務(wù)器；冰況測量系統(tǒng)包括至少兩個(gè)高分辨率攝像頭，視頻傳輸光纜、視頻采集器，計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)；通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測、采集測量數(shù)據(jù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)測點(diǎn)應(yīng)變與所受荷載的數(shù)值標(biāo)定，獲得冰荷載的全面信息；采用光纖光柵應(yīng)變傳感器和光纖光柵溫度傳感器測量水下局部應(yīng)變響應(yīng)和溫度變化；利用先進(jìn)的圖像識別技術(shù)，確定海冰條件；實(shí)現(xiàn)應(yīng)變響應(yīng)與海冰要素的同步實(shí)時(shí)測量。
文檔編號G01M99/00GK102829987SQ20111016397
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者李紱, 岳前進(jìn), 孫春梅, 張大勇 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司