（工程力学专业论文）导管架平台振动的监测与分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在我国渤海，影响油气开发安全性的海洋环境因素主要是海冰，在渤海建立的导管 架平台在设计中大多并没有考虑冰激危害，而且均为柔性结构，冰激振动最为突出，强 烈的冰激振动已经成为制约渤海平台冬季安全生产和运行的主要因素，同时也给工作人 员的生活和身体健康带来很大的危害。因此，工程中迫切需要建立一套安全监测系统， 不仅对现役油气平台的冰期安全运行有重要的安全保障作用，同时对冰区边际油田简易 抗冰平台的设计与运行、概率型海冰参数的设计参数、平台结构的疲劳寿命评估等海冰 问题的研究工作提供很强的资料积累和实践支持。 另外平台内部机械设备的振动会引起平台的剧烈振动乃至破坏，也是不容忽视的研 究课题。b z 3 4 1 c e p a 平台新增两台压缩机，由于两台压缩机本身质量较重，可能会对 柔性结构的平台带来一些影响。因此，本文主要针对b z 3 4 1 c e p a 平台甲板进行模态分 析与现场数据采集监测分析相结合的技术手段，保证平台结构局部改造的正常进行。结 果表明压缩机的振动不会引起平台甲板共振。 关键词：导管架平台；振动；监测系统；有限元分析；模态分析 导管架平台振动的监测与分析 v i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fj a c k e tp l a t f o r m s a b s t r a c t s e ai c ei st h em a j o rl m p a c tf a c t o rt ot h es a f e t yi no i la n dg a sd e v e l o p m e n tu n d e rm a r i n e e n v i r o n m e n ti nb o h a ib a y m o s to f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r m si nb o h a ib a yh a v en o tc o n s i d e r e d s u c hi c e i n d u c e dh a z a r d si nt h e i rd e s i g n b e c a u s et h e ya r ea l lf l e x i b l es t r u c t u r e s i c e - i n d u c e d v i b r a t i o ni sc r i t i c a lt os t r u c t u r es a f e t yc o n c e r n s t r o n gi c ec o n s t r a i n t i n d u c e dv i b r a t i o nh a s b e c o m eam a i nt h r e a t e nf o rs a f eo p e r a t i o no nt h ep l a t f o r m si nw i n t e r a sw e l la st ot h eh e a l t l l a n d l i v i n go f p l a t f o r mc r e w s t h e r e f o r e ，t h en e e d o f as a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi su r g e n t ，n o t o n l yf o rs a f e l ys t o r a g ea n dt r a n s p o r to fd r i l l e do i la n dg a sd u r i n gt h ew i n t e r ，b u ta l s og o o df o r s e r v i c el i f eo f p l a t f o r i l l m e a n w h i l e ，i tc a na l s op r o v i d en o t a b l ea s s i s t a n c ei nd e s i g no fn e w g e n e r a t i o na n t i i c ep l a t f o r mi nm a r g i n a li c ez o n ef i e l d ，a sw e l la st h ep r a c t i c a lf a t i g u e d a t a b a s ef o ru n d e r s t a n d i n gp l a t f o r l ns e r v i c el i f ea n dm a i n t a i n c e o nt h eo t h e rh a n d ，s e v e r ep l a t f o r mv i b r a t i o nc a l li n t r o d u c ed a m a g e st om a c h i n e sa n d e q u i p m e n t so np l a t f o r m ，w h i c hi so n e o fr e a s o n sf o rt h i ss t u d y d u et ot w on e w l yb u i l th e a v y c o m p r e s s o r so n t ob z 3 4 1c e p ap l a t f o r m t h e i rw e i g h te f f e c tc a nb ec r i t i c a lt ot h eh e a l t l lo f t h i sf l e x i b l ep l a t f o r m t os e c u r eb z 3 4 1c e p ap l a t f o r ms t r u c t u r es a f e t y , t h i ss t u d ym a i n l y f o c u s e so nm o d a la n a l y s i sb a s e do nd a t ac o l l e c t e df r o mm o n i t o t i n gs y s t e m t h er e s u l t ss h o w m a tt h ev i b r a t i o no ft h ec o m p r e s s o rw i l ln o tc a u s en a t u r a lr e s o n a n c ev i b r a t i o nb e t w e e nt h e c o m p r e s s o r sa n dt h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：j a c k e tp l a t f o r m s ；v i b r a t i o n ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； m o d a la n a l y s i s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其它个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其它已申请 学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：昱篁袈壬金拯边鲍鳖测生金盘 一 作者签名：兰堇燮日期：兰：旦年生月三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论支工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 昱篮袈垩垒拯边的鳖测量金堑 作者签名：丛邀日期：型至年立月疆 导师签名： 三蚤赶。 日期： 递呈年互月二日 大连理工大学硕士学位论文 己i言 ji目 1 研究背景及意义 渤海是我国最早发现海洋石油天然气资源并开发的海域，导管架平台是海洋油气资 源开发的最重要的基础设施。随着海洋油气资源的深入开发利用，在恶劣的海洋环境荷 载下，平台结构的安全问题开始引起人们的注意。在渤海冬季结冰海域，海冰在风和潮 流的作用下发生漂移，会对导管架平台产生巨大的破坏，现有资料显示冰荷载对结构的 影响远远超过其它环境荷载，成为冰区海洋平台发生破坏的主导因素。 上世纪六十年代，美国在阿拉斯加库克湾的导管架采油平台上首先发现了冰激振动 现象，七十年代北欧波斯尼亚湾的航标灯塔也遭遇到冰激振动问题，并导致多个灯塔的 破坏。我国于八十年代末，在开发冰情比较严重的渤海辽东湾石油资源中，发现了建造 的导管架平台存在比较严重的冰激振动现象。与世界上其它冰区的冰激振动相比，尽管 我国渤海的冰情相对较轻，但由于渤海的石油储量分散，只能采用轻型的结构抗冰，这 决定了平台结构比较柔，冰激振动反而最为突出，强烈的冰激振动已经成为制约渤海采 油平台冬季安全生产和运行的主要因素。各国对冰与柔性结构相互研究很不成熟，没有 明确的设计规范，这导致了渤海辽东湾现役的平台在设计中没有充分考虑冰激振动的后 果，造成了比较严重的风险隐患。因此，基于海冰实时现场监测的平台安全监测系统不 仅对现役油气平台的冰期安全运行有重要的安全保障作用，同时对冰区边际油田简易抗 冰平台的设计与运行、概率型海冰参数的设计参数、平台结构的疲劳寿命评估等海冰问 题的研究工作提供很强的资料积累和实践支持。 另外平台内部机械设备的振动会引起平台的剧烈振动乃至破坏，也是不容忽视的研 究课题。为充分开采利用渤中3 4 油田群天然气，全面贯彻“节能减排”国家能源方针， 渤中3 4 1 c e p a 平台在充分利用原有伴生气压缩机的基础上，计划新增一台中压压缩机 和一台高压压缩机，串联运行，在b z 2 8 - 2 南油田投产前将自用外的剩余天然气通过压 缩机回注入地层。新增伴生气压缩机为原平台设计和布局带来一些变化，尤其是对局部 结构和上部管线等设备的强度和振动有不确定的影响。 2目前国内外研究进展 随着我国国民经济的发展，对石油的需求量越来越大，我国已经成为石油的净进口 国，而且陆地的勘探量和可开发量近期内毕竟有限，所以大陆架油气田则成了我国油气 资源开发的重点。我国近海的油气资源十分丰富，现已发现七个大型含油气盆地，其中 仅渤海盆地、南黄海盆地、东海盆地珠江口盆地、莺歌海盆地和北部湾盆地的面积就超 导管架平台振动的监浏与分析 过了九十万平方公里。新中豳建立以来，大量海洋平台如雨后春笋般出现在从北到南的 各海域中。我国的渤海辽东湾地区，由于纬度较高，冬天的温度很低，海上有三个月的 冰冻期，在那里作业的海上石油平台不可避免地承受海冰的强大冲击。海冰的作用激趁 平台剧烈振动给工作人员以巨大的心理压力，直接危及平台的安全和人员的生命。 自从1 9 6 9 年渤海特大冰封推倒渤海老二号平台组后，中国海洋覆油渤海公司就开 始对渤海冰情进行调查和分析。近四十年来渤海公司先后采用多种方法进行固定平台的 冰情观测和冰力测量记录了渤海海冰的生成、发展和消融。 由于海洋石油平台的特殊性，其上安装的压缩视和其它陆地厂房中的压缩概产生的 振动影响不样，因前国内外大都是针对压缩机本身及其附属管线设备等产生的振动问 题进行研究，丽本文还涉及到压缩枫对平台产生的局部和整体的振动影响。 3 本文主要研究工作 3 1平台安全监测系统的集成 进入9 0 年代，基于渤海中的现役石油平台，大连理工大学建立了一套完善的冰激 振动监测系统，十余年来，这套监测系统在使用中不断发展和更新，很好的满足了工程 需要，本文是基于2 0 0 8 2 0 0 9 年冬季j z 9 3 海域、j z 2 0 2 海域的导管架平台对冰激振动 安全监测系统的一个集成。 冰激振动测量，主要是对平台的冰激振动的加速度和部分构件的应变进行连续测 量；对气象和水文条件的监测；透过无线网终遥测技术，对平台的冰力，结构响应和海 冰信息进行了连续测量，从而为研究冰激结构振动机理和海冰生消运动规律服务。 本文中所采用的海冰监测软件为大连理工大学计算机系所开发。 3 2b z 3 4 - 1o e p a 平台压缩机改造振动监测与分析 力确定设备安装后甲板振动情况，以及压缩机主轴转动丽产生的振动，本文主要针 对b z 3 4 1 平台甲板进行模态分析，对比压缩机频率及其支撑、甲板频率，采用模型数 值计算分析和实地数据采集监测分析相结合的技术手段，对压缩机设备安装前后进行分 析与监测，为平台结构的局部改造提供技术支持，促进工程的进度开展，这对保障海洋 石油平台的正常生产有重要意义。 大连理工大学硕士学位论文 1 海洋平台安全监测系统的集成 1 1概述 基于对渤海辽东湾多年的现场监测及抗冰结构的研究，根据各平台的冰振风险，实 施不同的监测方案，建立了面向结构风险的安全监测系统。 海冰的现场监测一方面及时了解海冰生消、平台结构、上部管线系统的信息，为平 台系统的安全评估提供依据；另_ 二方面，该监测资料又是进行海冰预测和安全预警的初 始条件。另外，该现场监测系统积累的海冰信息又是进行海冰问题研究的重要基础资料。 1 2 监测技术 针对渤海辽东湾海冰安全监测系统，逐渐发展了以加速度测量、图像测量、温度测 量、无线传输为主的面向结构风险的安全监测技术。经过多年的发展，这些技术逐渐成 熟，保障了冬季监测系统的完备性和可靠性。 1 2 1 加速度测量技术 基于j z 9 3 海域、j z 2 0 - 2 海域对震动响应信号的低频、高精度要求，在平台震动的 监测中一直采用精度较好的8 9 1 型传感器。在2 0 0 8 - 2 0 0 9 年的海冰监测中增加了新型的 l c 0 1 内装工c 压电加速度传感器。 8 9 1 型传感器：8 9 1 型传感器监测体系包括8 9 1 型传感器和8 9 1 型六线放大器两部 分。 8 9 1 型传感器的精度较高，体积小，可测动态范围与频率范围比较大。8 9 1 型传感 器有四档，通常设置在1 档加速度档对平台震动加速度进行采集。 表1 1 传感器技术指标 t a b1 1s e n s o rq u a l i f i c a t i o n 传感器型号灵敏度阻尼常数最大量程通频带输出负电阻配接放大器后 分辨率 8 9 1 - 1 型 0 152 0 2 0 5 03 0 0 1 e - 5 8 9 1 2 型0 1 或0 57 或5 4 00 5 、8 03 0 0 l e - 5 或2 e - 6 导管架平台振动的监测与分析 图1 1 传感器原理图 f i g l 。1 p r i n c i p l ed i a g r a m o fs e n s o r 8 9 1 型六线放大器：可用于放大、积分、滤波和抗阻变化。 u 0 鞠1 。2 放大器歪西 f i g 1 2 f r o n to fa m p l i f i e r 当放大器至于不同档位时，所得的测量物理与放大倍数均不相同，有4 0 种组合之 多，实用性很强。在j z 9 3 与j z 2 0 - 2 的振动监测中，放大器置于卜3 档位，用来测震 动加速度。加速度灵敏度；铲鬟墨k 为5 0 。 大连理工大学硕士学位论文 l e 0 1 系列内装i c 压电加速度传感器： l c o i 系列内装i c 压电加速度传感器是内装微型i c 放大器的压电加速度传感器， 它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能直接与记录、显示和采集仪器 连接，简化了测试系统，提高了测试精度和可靠性。 l e 0 1 系列压电传感器具有低频响应的特性，下限频率为- 1 0 频响。内装i c 压电加 速度传感器的低频响应特性主要由内装i c 电路芯片和传感器的基座应变、热释电效应 等环境特性决定。应变加速度传感器具有响应静态信号的特性。 灵敏度越高，系统的信噪比越大，而抗干扰能力和分辨率也越强。但是就特定结构 的传感器来讲，灵敏度越高，传感器的重量越大，量程和谐振频率也越低。l c 0 1 系列压 电传感器再重量较小的情况下，具有频率响应低和较高的灵敏度。 压电微型工c 加速度倍感器放大器 图1 3l c 0 1 型压电传感器原理图 f i g 1 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f l c 0 1p i e z o e l e c t r i cs e n s o r 表1 2 主要技术指标 t a b 1 2m a i nq u a l i f i c a t i o n v o 型号灵敏度量程频率范围谐振频率分辨率抗冲击重量 l c 0 1 1 0 0 m v g5 0 9 0 5 15 0 0 0 h z 4 5 k h z 0 0 0 0 2 92 0 0 0 9 8 9 m 线性横向灵敏度输出阻抗恒定电流典型值温度范围 1 5 1 5 0 q 2 2 0 m a 3 4 0 + 1 2 0 1 2 2 图像测量技术 ( 1 ) 概述 导管槊平台摄动的煎测与分桥 通过平台定点观测系统中的摄像头可对冰厚、冰速进行准确的测量，密集度和冰类 型等资料可通过观测人员定时观测记录。为了对海冰灾害进行预测，还需要卫星遥感等 大范围的海冰监测系统，实时对渤海冰情的发展概况有所了解。 ( 2 ) 海冰监测软件 海冰监测软件的主要功能，就是剩用图像射影矫正、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。目前，涉及的主要内容包括海冰 密集度、流速、流向以及海冰厚度的观测。在2 0 0 8 - 2 0 0 9 海冰监测中，实践了该软件的 基本功能，并对软件的可靠性和易用性，进行了考证。 海冰密集度 基本原理：海冰密集度检测主要包括图像的射影校正和海冰识别。使用照相枧从高 处对海面拍摄时，拍摄到的图像会存在射影失真。图像的射影失真可以通过图像中的海 天分隔线与海平面上的一个圆来识别。图像中的海天分隔线对应海平面的消影线，再加 上海面上一个圆的图像，即可计算融平面虚原点，进而得到射影校正矩阵。图像中海水 和海冰的分离主要是根据最大类别方差法。进行图像冰水分割之前，首先对用同态滤波 方法增强图像，接着对图像进行边缘检测。然后通过形态学的方法对边缘图像进行修整。 在得到海水与海冰的二值图像后，乘以射影矫正矩阵，计算其中白色像素，占所有像素 的露分比，便可得到海冰密的集度。整个程彦的开发实现过程如图王。4 所示。从全流程 来看，符合要求的高质量海冰图片的获取，在整个检测过程中，起着关键性的作用。 人机募面：图王5 给出的是海冰密集度测试软件的主要显示界面。首先，点击最下 边的添加按钮，上传待处理的图片；初始图片在图片列显示；处理后的二值冰水图片， 主要是在图片上显示，冰水各自所占的范围；相关信息列描述的是处理图片的时间，并 显示计算后，得到的海冰密集度。整个过程中，所有涉及到的数据，连弱图片，均可以 通过选择，保存到本地目标硬盘中，以方便数据的进步应用与分析。 大连理工大学硕士学位论文 图14 流程图 f 1 91 a f l o wp r o c sc h o j l ：一畿蠹； 三奠：= 。“蠹蕤薹萋 图15 软件的交互界面 f i 1 5 h u m a n c o m p m 时i n t e r f a c e o f s o f t w 唧 导管架平台振动的监测与分析 误差分析：冰密集度测试软件的本质，就是通过二值图，分辨出不同颜色，算出黑 白比，而得出密集度的比值。利用黑白分明，并且已知黑白比的纸片，如图1 6 ，来检 验该软件的误差，是完全可行、可靠的。这里分别对四张图片进行检验，得出相对误差 的均值为0 8 6 ，相对误差的均方根为0 7 0 ，这里面可能有图片的边缘，在涂抹的时 候，不均匀的原因。该软件在实际应用过程中，只要拍的图片质量与数量足够多，完全 能满足测试要求。 图1 6 误差分析用图 f i g 1 6 c h a r to f e r r o ra n a l y s i s 海冰流速和流向的观测 基本原理：海冰流速和流向的计算，主要是通过不同图像中，特征点的匹配来实现 的。在采集的视频中，提取出连续帧图像。通过相邻帧图像比较，获得h a r r i sc o m e r 点， 并进行特征点匹配。通过计算匹配特征点的位移来计算海冰速度。把数量众多的特征点 位移距离和位移方向，看作是高斯混合模型，利用贪心算法计算聚合度最大的区域，并 把此区域之外的点当作野匹配删除。最后，在聚合度最大区域内，计算匹配点移动的速 度和方向均值，作为海冰的流速和流向。图1 7 给出了整个软件开发的流程图。从中可 以看出，冰速冰向的计算，能否有效地实现，关键决定于匹配点的状况。这要求软件的 使用者，在进行冰速与冰向的测量时，必须尽可能的选择，能够提供充量特征点的视频。 用户界面：图1 8 是海冰流速流向测量软件的用户界面。点击打开视频后，选中需 要测量的开始播放，如果需要标定的话需要暂停。然后点击标定物坐标p 1 按钮后，用 鼠标在界面上点击标定物上的一个点，将该点坐标保存在p l 中，同理p 2 保存标定物上 另一点的坐标，输入标定物实际长度后，既可算出像素坐标和真实坐标之间的比值r a t e 。 偏转角是屏幕正上方与实际正北方向的偏转角，由用户设定。然后点击播放按钮开始播 大连理工大学硕士学位论文 放视频，同时将图片截取下来保存在程序执行目录中。每隔3 0 s 对图片进行一次处理， 算出速度大小和方向后显示在屏幕上并存入数据库。 图1 7 流程图 f i g 1 7f l o wp r o c e s s c h a r t 导管架平台振动的监测与分析 图18 软件的交互界面 f i 9 18h u m a n c o m p u t e r i n t o ：t r a c e o f s o f t w a r e 误差分析：利用海冰荷载模型试验中，已知冰速的三段视频，主要对冰速误差进行 了分析。该软件的平均相对误差为1 4 3 ，相对误差均方根为1 6 。该误差产生的很大 一部分原因，是模拟的导管架平台，在冰荷载作用下剧烈震动，引起角点标记不稳，而 导致的。极小的相对误差均方根，说明误差产生的稳定性与单一性，进一步论证了，以 上对误差产生原因分析的正确性。 圈19 误差分析用图 f i g , 1 9c h a r t o f e r r o r a m d y 缸s 大连理工大学硕士学位论文 海冰厚度的观测： 基本原理：采用半人工的方法来提取视频图像里的海冰边缘点，计算边缘点之间的 图像距离。对图像经过射影校正以后，根据图像中的标志物( 本年度主要采用锥体结构 上的圆孔) 的大小计算出海冰厚度。图1 1 0 给出了，整个软件过程的处理流程图。 用户界面：图1 1 1 是海冰厚度测量的用户界面。导入视频后，进行标定，这里主要 选用同一海冰平面上，锥体的孔径作为标定物，进行相关的标定工作。然后，选取海冰 断面较好的画面，通过鼠标在屏幕上的两次点击，来定位海冰厚度。点击“厚度计算 按钮既可计算出海冰厚度。 图1 1 0 流程图 f i g 1 1 0 f l o wp r o c e s sc h a r t 导管架平台振动的监测与分析 嘲11 1 软件的交互界面 f i g i 】ih u r c o m p u t e r i n t e r f a c e o f s o f f w a m 误差分析：冰厚测量本质就是测量距离。这里采用给定距离的线段，对冰厚测试软 件进行误差分析。用数码相机，拍出给定长度的线段，如图11 2 所示。利用软件对线 段距离进行测量，把测得结果与实际距离对比得出误差。该软件的相对误差为54 ，相 对误差均方根为20 9 6 。相对误差较小，同时比较稳定。误差产生的主要原因是，人为的 选取标定点与羽幢点造成的。 幽11 2 误差分析用图 大连理工大学硕士学位论文 f i g 1 12 c h a r to fe r r o ra n a l y s i s 整个海冰测试软件的开发，取得了阶段性的成果。但是，在其实际应用时，还有许 多方面，需要进一步改进与优化。光照变化对特征图像提取的影响，平面射影的校正， 计算效率的提高，三个软件的合成，更加优质的用户界面等，都是接下来，重点努力的 方面。随着实际应用的不断展开，软件的开发，也一定会不断地提升。 1 2 3 温度测量技术 海水温度是反映海水热状况的一个物理量。一般来说，海水结冰时的气温比水温低， 并相对于水开始结冰时的温度( 冰点) ，已有少量的过冷却现象。在不同水深，海水温度 显示出有一定规律的空间分布特征。对海水温度的时空分布于变化规律的分析，可以用 来了解海洋热通量的区域性变化，研究不同海域海冰生消、漂移特征的巨大差异。 在初冰期，由于表面气温下降，海水释放大量热量，水温将迅速下降，当冰情稳定 时，海水表面形成稳定的平整冰，将阻止海水进一步与空气进行热量交换，因此在冰情 相对稳定的1 月中旬到2 月中旬，海水温度相对稳定，不同层间温度差别较明显，有较 好的研究价值。 海水温度在较浅海水垂直方向上的变化，总的来说是随着深度的增加而降低的。辽 东湾位于渤海北部，东侧水深大于西侧，最深水位3 2 m 。j z 9 3 海域与j z 2 0 2 海域平台 均位于2 0 m 左右水深的海水温度混合层，海水不同深度的温度差别不是十分明显。由于。 上部海水与冰长期进行热量交换温度较低，而较低温度海水又会流向底部，因此在渤海 湾随着水深的增加温度呈现非线性增长，因此准确的测量不同深度海水温度并进行比 较，对研究辽东湾海冰生消规律，以及对冰期的冰情预报和海冰短期内运动预报都有重 要的意义。 目前用于海洋温度的传感器大部分都是铂电阻、热敏电阻。广泛应用的铂电阻器是 中低温领域的测量传感器，稳定性好、可靠、精度高。另外，近年来基于光纤具有无辐 射干扰性、抗电磁干扰性和化学稳定性好；防燃防爆防腐蚀、灵敏度高、柔性易弯曲等 优点，使得海水温度与深度的测量可以达成同步，因此也是一种理想的测量手段。 由于渤海湾j z 2 0 - 2 海域水深较小，冰情稳定时期冰盖以下水温变化很小，具有很 稳定的温度分层情况，因此选择使用6 点温度传感器集成的温度链。整条温度链是由6 个美天m t - 3 5 系列温度传感器，通过防水电缆与保护外套集成成链状，方便放入水中， 并可配合重物保持在水中的线形，使得各个传感器的位置相对固定，之间相对深度确定， 可以用来绘制不同深度水温的关系图。温度链水下工作有效长度为1 8 m ，满足j z 2 0 2 海域的水深要求，具体传感器编号位置如表1 3 ： 表l3 传感器位置 传感器号 12345 6 水深( m ) 1 81 5421 0 由于上部海水与冰壳和空气进行较复杂的热量交换，因此选择在上部安装较多传感 器，6 通道为水面气温，用来将水温与气温进行对比研究。 在水温数据采集方面，本系统采用一种以d u t 3 0 0 0 作为核心器件的多通道、高精度、 快速数据采集系统将多路传感器( 不同深度温度) 输出的信号或电流、电压直接转换成 数字量，通过r s 一4 8 5 总线及标准的通信协议将数据传送给计算机数据采集、存储装 置。温度采集频率为每一分钟采集一次，每天形成一个t x t 文档，记录一天2 4 小时1 4 4 0 个水温数据。温度采集模块封装在防爆盒中，可以保持对整个冬季冰期海水温度安全、 稳定的采集工作。图11 3 是温度链的实际照片。 图11 3 温度链照片 f i g11 3p i a 腑o f t 口r m m 嘛c a b l e 采用的温度传感器参数如表14 所示 表i4 传感嚣参数 t a b13p a r a m e t e t so fs e n s o t s 芯体长度接口糟度耐压原理 耐冷热 耐压 p t l 0 0 a5 0 m 2 3 2 接口 p t l 0 0 - a 级 季节密封 一3 0 9 0 2 0 公斤 大连理工大学硕士学位论文 在实际测量中，水温低于0 ，传感器在理想状况下精度可以达到0 1 。 1 2 4 无线传输技术 在2 0 0 8 2 0 0 9 年冬季，主要对j z 2 0 2 m s w 、j z 2 0 2 m u q 、j z 2 0 2 n w ，j z 9 3 w h p e 吸力锚平台振动响应以及平台上部设施的振动情况进行监测，并对j z 2 0 2 海域海冰参 数进行实时监测和预测，这其中除了j z 2 0 2 中北平台和j z 9 3 e 平台外，其它平台均为 无人职守。为了实时得到各个平台的监测信息，了解各个平台的安全性能情况，需要把 无人职守平台的监测信息传输到生活平台统一进行分析处理，对平台系统的实时安全评 估提供信息依据。因此在现场我们采用了无线网桥技术进行数据通讯以及传输。 无线网桥顾名思义就是无线网络的桥接，它可在两个或多个网络之间搭起通信的桥 梁( 无线网桥亦是无线a p 的一种分支) 。无线网桥除了具备上述有线网桥的基本特点 之外，无线网桥工作在2 4 g 或5 8 g 的免申请无线执照的频段，因而比其它有线网络设 备更方便部署。从作用上来理解无线网桥，它可以用于连接两个或多个独立的网络段， 这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十公里。所以说它可以广泛 应用在不同建筑物间的互联。同时，根据协议不同，无线网桥又可以分为2 4 g h z 频段 的8 0 2 1 1 b 或8 0 2 11 g 以及采用5 8 g h z 频段的8 0 2 1 1 a 无线网桥。无线网桥有三种工作 方式，点对点，点对多点，中继连接。 采用的无线网桥设备是北京节点通网络技术有限公司的b r e e z e n e tb 1 4 d 系列 1 4 m b p s 点对点无线网桥产品。它专为室外应用设计的分体式结构形式，采用抗老化， 抗氧化和密封性能优秀的高品质钢制材料制成，室内一室外单元之间基带电缆连接，满 足各种恶劣环境需要。室外单元采用集成天线，内置避雷针，安装工艺非常简便。 针对各海域情况，j z 2 0 一2 海域的所有监测信息都传输到中北平台进行处理，而j z 9 - - 3 海域的所有监测信息都传输到j z 9 3 e 平台进行处理。项目组一共采购6 个无线网桥 进行数据传输，其中中北平台和中南平台之间各安装一个形成一套网桥，中北和北高之 间各安装一个形成一套网桥，9 3 东和9 3 西之间各安装一个形成一套网桥。图1 1 4 是项目组所采用的点对点无限网桥拓扑示意图，图1 1 5 是无限网桥的结构图示以及安装 图示。 导曾架平台振动的监测与分析 无人值守灞 图11 4 无线网桥拓扑示意圈 f i 9 11 4s k e t c h m 印o f w i r e l e s s n e t w o r k t o p o l o g y 中心 f i g l l5 c o n s t r u c t i o na n d i n s t a l l a t o ns c h e m a t i co f w i r e l e s s n e t w o r k 1 3 安全监测系统 i31j z 2 0 2 海域平台监测系统的集成 整个监测网络系统由中北平台、中南平台和北高平台三部分组成。中北平台是整个 j z 2 0 2 海域海冰监测网络的中心控制平台。中南平台所采集到的视频，振动和应变数据 毗及北高平台的振动数据都是通过中北平台来接收和处理。中南平台和北高平台均为无 人职守平台，距离中北平台约15 海里，北高点平台为近年新建无人职守平台，距中北 大连理工大学硕士学位论文 平台3 海里。为保证在海冰作用下平台的正常生产，需要采用遥控测量的方法来进行振 动响应测量。测量中采用了计算机网络技术，使整个测量系统构成一个局域网，以实现 控制指令及数据的传递。 中南平台通过无线扩频技术与中北平台连接在一起。这样，通过无线网络系统可在 m u q 上对m s w 的响应、应变和图像测量进行实时控制、监测和采集。在j z 2 0 - 2 平台的测 量已经实现了网络化，整个测量网络的功能还在不断地完善。目前，c d m a 公共网络系统 已经覆盖到j z 2 0 2 平台，通过此公网系统可以实现平台监测数据直接上传到大连理工 大学的特定服务器，供在校的科技人员进行详细的分析，分析结果可供现场监测人员下 载使用。测量网络还接入了总公司企业网，可以直接与外界进行电子文件的互相传送； 通过网页服务器，内部可以直接访问j z 2 0 - 2 现场的测量数据。 中北平台测量网络上的计算机主要有：服务器，数据采集，视频采集，气象采集， 文字处理，收发传真以及网页服务器。中南和北高平台测量网络上的计算机主要有：数 据采集和视频采集。测量网络上的中北和中南平台、北高点的网络通过服务器联在一起， 使得在中北平台可以远程控制中南平台与北高点的测量。 图1 1 6j z 2 0 2 平台测量网络系统 f i g 1 1 6 m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rn e t w o r ko fj z 2 0 - 2p l a t f o r m ( 1 ) j z 2 0 一2 m u q 平台监测系统构成 建立在j z 2 0 2 中北平台上的海冰定点监测系统包括四部分：气象、水文和海冰参数 以及冰振测量系统。气象要素包括风速、气温、相对湿度和大气压等，水文要素为水温， 海冰信息包括冰厚、冰速、冰类型和密集度等。气象与水温要素可实时显示，每秒钟记 录一组数据；冰速和冰厚的观测是通过安装在平台中层甲板上的摄像机来完成的。冰振 测量通过布置在平台上的传感器完成振动数据采集。该海冰监测系统如图1 1 7 所示。 导管架平台振动的监测与分析 圈l 。1 7j z 2 0 - 2 平台海球蕊测系统 f i g 1 1 7 s u r v e i l l a n c es y s t e mf o rs e ai c eo f j z 2 0 - 2p l a t f o r m 对于j z 2 0 一2 海域的平台，冰激作用下发生了不网程度的振动，这不仅对平台结构 和上面的生产设备造成一定的危害，还会影响到了人员的休息及心理状态。所以针对这 种情况，对于中北平台监测了甲板的加速度，采用加速度计来进行测量， 通过对平台响应的测量，- 可以研究冰俸用下平台结构的动力特性，冰力的大小与冰 激结构振动的特性。 ( 2 ) j z 2 0 一2 m s w ( 中南) 平台监测系统构成 建立在j z 2 0 一2 中南平台上的海冰定点监测系统包括三部分：冰情录像，甲板振动， 管线振动。 冰情录像的观测是通过安装在平台中层甲板上的摄像装置来完成的。 由于中南平台振动较大，上部管线较多，为了保证平台安全作业，除了对甲板加速 度进行测量以外，还对上部管线的加速度进行监测。冰振响应是透过安装在平台上的传 感器进行测量的。 j z 2 0 一2 m s w 平台传感器的布设情况如图l 。1 9 所示。 大连理工大学硕士学位论文 名称j z 2 0 2 删q 上层甲板8 9 1 传感器布置图编号 囝一 厂、，、 夕 b 1 t 4 2 7 6 啦3 锄 i 4 2 7 5 垂 嘲瞻缀毒 固 f、 、础 k ll 国囝 导线 芯线颜色仪表 记录( a d ) 传感器号 编号+名称编号通道号通道 h 4 2 7 54 3黑 皮8 9 1 放大器 1 1 9l1 ( 0 ) h 4 2 7 61红皮8 9 1 放大器1 1 922 ( 2 ) 名称 j z 2) 一2 删q 下层甲板摄像头布置图编号 2 # 一 ( b ) ， 一 l ( e l l 6 5 m ) 一一 a j 一 一 l # 上上 ( 1 )( 2j 摄像头电源线芯线颜色视频线 功能 编号编号+编号 15 8 红黑 5 测冰速 25 8 黄绿 3 0 测冰厚 图1 1 8 加速度传感器及摄像头布设图 f i g 1 1 8p o s i t i o n i n go f a c c e l e r a t i o ns e n s o r sa n dc a m e r a s 一1 9 导管絮平台掇动的监测与分析 名称j z 2 0 一2 m s w 上层甲板8 9 1 传感器布置网编号i i l 厂、 配电溺 ) 仅 主鞠， 休息甓厂 仅 瞄 中控蘩r仅 、6 d 7 ，f 刚 毡y 董茎急毛联謦 由6 导线芯线颜色仪表记录 传感器编号 编号+名称编号通道号通道 瓣4 2 6 6王 罴皮8 9 1 放大器 1 4 76王 h 4 2 7 8l红 皮8 9 1 放大器 1 4 772 图1 1 9 加速度传感器布设图 f i g 1 1 9p o s i t i o n i n go f a c c e l e r a t i o ns f 2 1 s o r s ( 3 ) j z 2 0 - 2 n w ( 北高) 平台监测系统构成 j z 2 0 - 2 n w 平台是渤海针对边际油田开发需要，新建的经济型抗泳导管架平台。在北 高点平台上进行监测的内容主要有两类，一类是环境及海冰参数。另一类是结构振动数 据，测量平台在冰力作用下的响应，包括加速度、相对位移等。其中，平台的振动响应 测量是结构抗冰性能评估的核心内容，同步的环境参数，冰情监测是研究不同环境荷载 对结构影响的重要参数。 j z 2 0 - 2 北高点平台传感器测点布置。在北高点平台e l l 4 9 米与e l l 6 米两层甲板各 布置了3 个传感器，用于监测这两层甲板的振动加速度。测点位置如图1 2 0 ，图1 2 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 7 、，、， a 14 w n ? ( 12 0 ) ? a 1 4 w w 1 ( 12 3 ) 一- 、， 图1 2 0e l l 4 9 米甲板传感器布设图 f i g 1 2 0p o s i t i o n i n go f a c c e l e r a t i o ns e n s o r so ne l l 4 9d e c k a 1 6 w n 1 7 ) a 1 6 w ， 、( 1 1 9 ) i 一、 。一 lg | |l 【一 【一 r 一 一 r 。_ l 【一 【一 l l，一 jil o ， ， l l l 图1 2 1e l l 6 米甲板传感器布设图 f i g 1 21p o s i t i o n i n go fa c c e l e r a t i o ns e n s o r so ne l l6d e c k 一2 1 16 e nf ( 1 1 ) 、 tj 导管粱平台振动的监测与分析 测点编号的意义：第一个字母a 代表位移，后面的数字代表甲板层的标高，用1 4 代 表e l l 4 9 米层，用1 6 代表e l l 6 米层；第二个字母代表平台侧边的方位，东、两、南、 j 艺分别用e 、雾、s 、n 来表示，第三个字母用来定义传感器的正方向，表示方法与第二 个字母相同。 表1 5 传感器灵敏度与记录通道 传感器灵敏度 测点编号传感器编号记蒙通道 ( p c s 2 m ) a 1 4 w w1 2 3 9 2 3 2 5l a 1 4 硎 1 2 09 4 5 5 62 a 1 4 e n1 2 99 1 8 1 63 轰1 6 硼翼王1 99 1 。2 5 84 a 1 6 w n1 1 79 2 7 5 95 a 1 6 e n0 1 19 5 5 4 16 电荷放大器上有归一化设置，将灵敏度系统设置好之后，输出的信号与测得的加速 度值闯的关系为：i v 对应i m s 2 。 表1 。6 传感器现场接线 测点编号传感器编号导线号 矗1 4 蹶1 2 3 a 3 a 1 4 w n1 2 0 3 号 矗1 4 e n1 2 9a 2 a 1 6 w w1 1 9 2 号 矗1 6 餮筵王王? 1 号 a 1 6 e n0 1 1 4 号 j z 2 0 一2 北高点平台位移计测点布置：j z 2 0 - 2 北高点平台在e l l 4 9 米与e l l 6 米两 层甲板之闻布置了4 个位移计，用于监测这两层甲扳之闻的相对位移。测点位置如图 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 ：测点编号的意义：第一个字母d 代表位移，第二个字母代表平台侧边的方位，东、 西、南、北分别用e 、w 、s 、n 来表示，第三个字母用来定义位移计的正方向，表示方 法与第二个字母相同。 龃厂 。? i ( 7 z z s ) ； 耐 1 1 l i l ii !l r 旷、1 i rl ! | 9 上 一 【| 。， i；l l 圳川 y+ ， l 一 一 b 刍荆l i i一二二一、 图1 2 2甲板位移计布设图 f i g 1 2 2p o s i t i o n i n go fd i s p l a c e m e n tg a u g eo nd e c k r - i j ( 7 d 2 e 2 n 6 ) i i 、。、一 1 3 2j z 9 - 3 海域平台监测系统的集成 整个监测系统由1 】| l - i p e 平台和g c p 平台两部分组成。w h p e 平台是整个j z 9 - 3 海域海 冰监测网络的中心控制平台。g c p 平台所采集到的振动数据是通过w h p e 平台来接收和处 理。g c p 平台通过无线扩频技术与w