【情系科学】我们为监测海洋平台结构的“健康”出过力

作者:申仲翰 2021-03-31 08:54 来源:
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编者按:力学研究所成立六十多年来,力学人遵循钱学森的工程科学办所思想,为推进中国的近代力学事业、为推动中国的经济国防建设,做出了重要的贡献。老一辈力学人以国家需求为己任、艰苦创业和奋发拼搏的精神,是力学所60年奋斗史的精髓。本刊在“情系科学”栏目里陆续推出离退休老同志回忆文章,以展示普通科技人员的风貌。 

一、前言 

  时代进入了二十一世纪,社会经济快速发展,人类生活水平大幅度提高,以石油为典型的能源已成为社会生活的重要需求。随着陆上资源的逐渐减少,石油的开采不断向海上转移,于是以海上采油平台为代表的海上构筑物如雨后春笋般的竖立在近陆地的广大海域,如北海、墨西哥湾等,我国的渤海、东海、南海地区也开发了由海洋平台群构成的海上油田。这些平台为海上采油工程提供了一块块赖以生存的钢铁陆地,成为相对理想的生产、生活空间。平台的水深从几十米到几百米不等,其种类大致可分为固定式平台和移动式平台以及水深达300米以上时所采用的张力腿式平台,后者是用柔索支撑的深水平台结构。这些平台的典型结构形式可从图1到图3中看到。从上世纪80年代开始,我们介入了海洋工程力学领域,力求为我国海洋石油平台建设出一把力。 

  由于海洋平台常年坐落在海上,经常受到海风吹、海浪打、海流冲刷、海冰撞击以及海水的腐蚀作用,长年累月下来,这些自然界造成的损伤使得钢铁庞然大物的强度下降,以致给平台的正常运行带来一系列不安全的因素。例如巴西国营石油公司的P-36号平台就曾于200144日发生了倾覆性事故,船体落入到1300米的海洋深处,造成大面积漏油。又如在198310月,于我国莺歌海西南方海域作业的“爪哇海”号钻井船在受到8316号台风的袭击后引发了整体翻船事故,在船上工作的82名中外专家和工作人员全部遇难,直接经济损失达2.2亿美元以上。这种灾难的形成除了主观上的原因外,结构本身的强度也是客观上需要考虑的问题;为了防止不安全因素的发展,保证平台正常运行,通过对环境条件与结构强度的长时间监测和分析而对平台结构的安全做出评估,保持平台结构的“健康”,这是一个行之有效的办法。这里,我就说说我们十二室的研究团队如何在在海洋平台健康监测方面开展工作的吧。 

二、怎样考察平台结构的“健康” 

  海洋平台能否正常运行的基本条件是其是否具有足够的抵抗各种环境载荷压力的安全裕度。为此,要认真了解它的受损情况,经常对它作各种检测。这就好比我们人类经常进行体检一样,对包括平台在内的各种工程结构也要作“健康”方面的监测和检测,对于有病的结构还要进行诊断。 

  作为一个例子,让我们先从坐落在我国南海北部湾涠洲海域的W-11-4平台谈起,我们在这个平台上完成了一系列的监测,时间长达一年有余。这是一座典型的固定式导管架平台,整体高度约近百米,其中从水面到高层甲板也有三十多米,就像是一座水上大厦,全貌可见图4。它有三层宽阔的甲板可供安排采油所需的各种动力设备,如发电机组、动力控制室等(图5),以及由十几口井组成的采油树(图6)。甲板上还建有生活楼,为平台工作人员提供办公、住宿、餐饮、通讯等多种设施,还可通过卫星与世界各地交流信息。 

  为了了解平台导管架的“健康”状态,必须知道结构的变形、位移、加速度等参数的变化情况。如何得到这些敏感信号呢?这就要在它的主体结构上装上测量应变、加速度、位移等各种传感器。这就如同医生所用的听诊器,借助它的功能可测知各种器官的活动状态。 

  为了分析平台在海洋环境中受到损伤的原因,还要同时测量海风、波浪、海流等物理量参数。这样要在平台的顶部安装测风仪以测出风向、风速,在接近水面的水下部分安装测波仪和海流计以便通过它们确知波浪的高低和海流速度的大小。然后,我们就可以借助以上测得的各项结果计算出平台结构受到的风、浪、流的载荷,它们是引起平台运动和结构变形的根源所在。 

三、怎样给海洋平台做“体检” 

  为了去平台测试,我们要携带准备就绪的测量设备从陆地奔向浩瀚的大海。从基地去平台的交通工具有两种。一是乘船,研究人员带着测量设备乘船离开湛江港后,很快就驶入蔚蓝的大海,伴随着船尾飞起的滚滚浪花向预定的目的地前进。穿过琼州海峡约行驶67个小时,即到达了涠州海域。远远望去,只见一座高耸的建筑屹立在广阔的海面上,随着距离的逐渐拉近,在机器的轰鸣声中,高高悬起的吊车把一个用柔索悬挂的吊篮徐徐降落在拖轮的甲板上(图7)。在此之后,船长指挥人们穿好救生衣,并将简单的行李、设备放在篮中,脚踏篮边,手抓网绳,经过一个微小的冲击加速,吊篮离船而起。对于初次使用这类运输工具的人,无疑是一次稍感惊险的尝试。但是,我们十二室研究团队的成员们都克服了各种困难,完成了一次次登平台的实践。 

  当然,如果我们随身携带的设备很少,从陆地到平台还可乘坐另一种更为快捷的交通工具,那就是直升机。在油田的陆上基地有一个小型机场,乘机人进入候机室之后,除进行正常的登记手续之外,人和随身行李的重量要求很严格,对于临时调换的乘客都要重新称重。不过乘直升机在海上旅行确实是一项很惬意的行动,由于直升机的飞行高度比起民航机要低得多,几百公尺的高度为观赏风景提供了极好条件。从机窗向外望去,平静的海面上渔船点点,星罗棋布的采油平台千峰竞秀,构成一幅美丽的图画;舱内驾驶座前的雷达屏上信号频频变换,显示着前方航线的情况,报务员不断地将飞行状态通过话筒向基地报告,以保证飞行的安全。和船速相比,直升机的飞行显然是快多了,近十个小时的船程,改乘直升机只需几十分钟即可到达。前方就到目的地了,直升机迎风降落在平台顶部的停机坪上(图8),走出机舱,旋翼激起的强烈气流吹得耳边呼呼作响,在安全员的引导下,乘客陆续走出停机坪。 

  平台监测研究的主要内容包括测试设备的安装、调试及实际测量的实施。针对加速度、位移、应力、风、浪、流等多种测量信号的传输线路,将它们从平台的不同部位汇集到监测室,然后输入到数据采集专用计算机,对各类数据进行采集和处理。 

  当我们坐在监测室的显示屏前观察各种测试结果的时候,就好像医生正在利用各种手段为人们做健康检查,只是这里的信息不是血压、脉搏,而是平台的运动状态和结构的力学特征,其中最为典型的就是平台结构的细微变化,这在力学测量中称作微应变,它表征了一种随时间交替变化的现象,并且与波浪的变化同步发展。如果内在变形超过了平台设计中所允许的范围,则表明平台结构的健康状态出现了问题,需要认真考虑采取必要措施以防范事故的发生。 

  以上所谈的是平台处于正常环境条件下的结构状态信息,那么在非正常的恶劣条件下,又是怎样的呢?比如台风到来的时候。大家知道,在我国的东海、南海经常有热带风暴出现。当台风经过陆地时往往毁坏建筑,刮倒树木,破坏农田,酿成水患,以致电力供应失效,通讯中断,从而形成严重的灾害。而海洋采油平台更是台风经常光顾的地方。每当台风来临之际,全体工作人员提前撤离,俗称“避台”。在此期间,采油生产停顿,平台成为一座孤岛。于是针对上述情况,油田管理人员提出了如下问题,如果预报不准、漏报或人员来不及撤离时会有怎样的后果?平台会不会倒塌?对台风引起的平台振动人们能否忍受等等。带着这个问题,针对固定式导管架平台,我们进行了现场测试和分析,当时风速达到了32/秒,狂风激起的大浪猛烈击打着平台的基础结构,日常的生产活动全部停止,大部分人员都在台风到来之前撤回了基地,因此科研工作是冒着风险、并经中海石油公司领导批准后才能进行的。这时负责平台结构动态监测的人员最为忙碌,摘抄数据,分析结果,计算机不断地给出反映平台结构振动和各个部位受力与变形情况的信息。 

  我们作为科研人员,最终任务是要对采集到的数据进行分析处理,其结果可以表明各项参数是否都在设计范围之内?台风所造成的平台振动会不会影响工作人员的健康?从而为海洋平台的管理人员提供可反映平台结构健康状态的科学依据。 

四 、结语 

  通过科研团队的努力工作,圆满完成了监测任务。我们取得了一系列在监测技术和平台强度设计方面有重要价值的研究成果,为我国自主建设平台提供了科学数据,研究成果达到了国际水平,获得了国家科技进步奖。研究结果分析还表明,结构健康是可以测知的,随着时代的前进,这项技术将迅速发展,日臻完善。 

   

   

关于作者——申仲翰 

 

简介:申仲翰,男,研究员。1939926日出生。19642月,毕业于中国科学技术大学近代力学系并分配到力学研究所工作,直到退休。主要从事固体力学研究,包括振动、阻尼和海洋工程结构等。 

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