一种海洋平台井架工况监测与疲劳寿命预测系统

摘要

本发明涉及一种海洋平台井架工况监测与疲劳寿命预测系统，属于海洋结构物监测技术领域，包括监测模块、信息收集与无线传输模块和井架疲劳寿命预测模块。监测模块包括井架应变与运动响应检测模块和风载与平台运动检测模块；所测数据以无线传输方式传送到信息收集与无线传输模块，信息收集与无线传输模块包括数据收集与传输装置；数据再传输到具有数据处理与计算模块、报警装置、接收/存储装置和显示装置的井架疲劳寿命预测模块，其中数据处理与计算模块和接收/存储模块间双向连接。本发明能为开展海洋平台井架实时监测与疲劳寿命计算提供手段，实时判别井架疲劳损伤程度，增强海洋平台钻机工作安全性，为新井架设计提供数据支持。

说明书

技术领域

本发明属于海洋结构物监测技术领域，特别是涉及一种海洋平台井架工况监测与疲劳寿命预测系统。

背景技术

海洋平台井架，受到风、浪、流、地震(如导管架式)和腐蚀等的影响，对海洋平台安全作业产生严重威胁，同时也加剧了海洋平台井架的疲劳破坏。许多海洋作业安全事故的发生造成了重大经济损失，海洋受到严重污染，所以海洋平台系统性监测已成为研究发展的重要议题，而平台钻机井架作为钻机系统核心组成部分，其安全性与可靠性尤为重要。

为了保证海洋井架的正常作业，不仅要实时对井架安全性做出监测，同时也需要监测评估井架疲劳损伤状况，以便做出疲劳计算和剩余寿命的预测。但对井架的疲劳评估监测较为复杂，需要良好的监测设备、运算能力较强的计算机和简便、科学的计算方法。同时海洋环境复杂多变，要求各设备具有较强抗干扰能力和较好适应性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋平台井架工况监测与疲劳寿命预测系统，在结合理论分析计算和实际测量分析计算的条件下，保证监测与运算数据的准确性，同时对平台井架的疲劳破坏做出了寿命与剩余寿命的有效计算。

一种海洋平台井架工况监测与疲劳寿命预测系统,该系统划分为三个模块，分别为监测模块、信息收集与无线传输模块、井架疲劳寿命预测模块。监测模块又划分为井架应变与运动响应检测模块和风载与平台运动检测模块。通过划分为两部分，能从理论分析计算和实际监控测算，比较与修正评估值的正确性。从监测模块传递出来的数据传送到信息收集与无线传输模块，通过数据收集与传输装置分类汇总后，再传送到接收/存储装置，对数据进行计算。

风载与平台运动检测模块主要基于对风况进行直接监测，对海洋平台进行运动监测和对井架负载进行监测。风况的监测主要是对风速与风向的检测，采用风速传感器与风向传感器；海洋平台运动监测主要采用加速度传感器(I)、倾角传感器(I)、位移传感器(I)、速度传感器(I)、角速度传感器(I)和角加速度传感器(I)，基于平台所测数据将求出井架的惯性载荷；井架负载监测主要是对大钩受载的监测，采用应变传感器。

井架应变与运动响应监测模块主要是对井架运动响应的监测和井架实时节点应变监测。井架运动响应的监测采用加速度传感器(II)、倾角传感器(II)、位移传感器(II)、速度传感器(II)、角速度传感器(II)和角加速度传感器(II)，所测数据将是井架运动响应的实际监测值；井架实时节点应变监测，采用应变传感器，监测各节点受力后的应变变化。

信息收集与无线传输模块主要由数据收集与传输装置构成，收集分别来自井架应变与运动响应检测模块和风载与平台运动检测模块各个传感器传送的数据，将传送的数据加以分类整理后往下一级进行传送，由于监测部分需要对海洋平台井架做出实时监测，所以监测数据量庞大，需要单独将信息收集与无线传输模块从监测模块和井架疲劳寿命预测模块中分离出来。

井架疲劳寿命预测模块主要基于：数据处理与计算模块对来自监测部分的数据做出双向计算，对来自风载与平台运动检测模块的数据，经过信息收集与无线传输模块和接收/存储装置后，首先与井架模拟数据库提供的井架模型和材料属性，共同输入瞬态分析模块，由瞬态分析模块做出理论性瞬态分析；分析后的结果传送到有效应力值统计模块，可统计生成应力历程曲线，对井架关键部位做出应力分析；从有效应力统计模块输出结果将传送到理论寿命计算模块，该模块将结合之前几个模块数据做出疲劳分析，以S-N曲线表征材料疲劳特性，以Miner理论计算累积损伤和进行疲劳寿命与剩余寿命计算；最终将数据输送到对比修正模块。

井架疲劳寿命预测模块中，对来自井架应变与运动响应监测模块的数据，经过信息收集与无线传输模块和接收/存储装置后，首先与井架模拟数据库提供的材料属性，共同输入井架结构损伤分析模块，损伤分析结束后，数据输送到实际寿命计算模块，以S-N曲线表征材料疲劳特性，以Miner理论计算累积损伤和进行疲劳寿命分析与剩余寿命测算，随后数据传送到对比修正模块，和理论分析结论做出比较，最终得出井架实用计算方法。

井架应变与运动响应检测模块和风载与平台运动检测模块主要构件为传感器：风速传感器与风向传感器安装在平台的合适位置，用于监测风速与风向，所测数据将最终形成风力对井架的风载作用；监测井架运动的传感器安装在井架中上部，监测平台运动的传感器安装在井架底端；应力与应变传感器安装在中下部竖杆、横杆、斜杆和局部连接位置，井架底部与平台连接位置为重点设置应力与应变传感器的位置。

本发明不仅对井架疲劳寿命做出分析，同时还具有良好的预警功能，由监测模块传递的数据，经数据处理与计算模块计算，超过预设警戒值后，报警装置会开始报警，从而整个海洋平台能得到及时的危险信息预警。

所述监测模块的传感器，为无线传输传感器，传统有线传感器安装较为复杂，安装要求高，缆线较长，在工况复杂的海洋平台上难以很好使用，无线传输方式能实时传输数据，便于拆卸与安装，在复杂多变海况下能很好的使用。

负载监测模块主要监测大钩载荷，采用应变传感器在顶驱部分测量顶驱受载时的应变，钻井系统在工作时，井架会受到工作载荷的冲击，此时需要监测出大钩受力的应力应变值。

风况监测模块的传感器是风速传感器与风向传感器，为无线传输传感器，在风暴自存时，井架受力除自重、天车自重与工作载荷外，风载对井架影响较为明显，通过对海况风速与风向一组或多组测量，最终求出井架受载风力，为井架疲劳寿命预测模块分析计算提供科学数据，同时可检测台风或飓风，检测数据通过计算后将传送给报警装置。

在井架疲劳寿命预测模块中，接收/存储装置、显示装置和报警装置，各个设备之间协同运算，但相互独立，预测平台钻机井架在海况下运输、工作后的剩余寿命能继续工作时长。显示装置通过接收比较修正模块的数据，最终在该界面得出井架实用的计算算法和井架实时的三维监控图，通过该界面显示的信息，能得出井架自身受力时的有效响应和疲劳积累损伤后的寿命结论，最终将数据发送到接收/存储装置。

本发明的模型虽然为井架，但对于海洋平台井架工况监测与寿命预测系统，不仅适用于井架，还适用于海上高耸结构物的监测与疲劳寿命预测，因此本发明将对海洋结构物监测技术领域研究产生积极作用。

本发明与现有技术相比，具有以下创新和优点：

1、监测模块具有两条通道，分别从风载与平台运动检测和井架应变与运动响应检测两方面进行监测，监测数据将更加全面反映海洋平台井架的工况数据。

2、监测模块主要有风速传感器、风向传感器、应变传感器、加速度传感器(I)、倾角传感器(I)、位移传感器(I)、速度传感器(I)、角速度传感器(I)和角加速度传感器(I)、加速度传感器(II)、倾角传感器(II)、位移传感器(II)、速度传感器(II)、角速度传感器(II)和角加速度传感器(II)，这些传感器将从风况监测、井架应力应变、平台运动响应与井架运动响应四方面做出一组或多组的综合搭配监测，不同传感器立体式布局在井架易测位置，保证监测数据准确合理。

3、井架疲劳寿命预测模块也具有两条评估计算通道，和监测模块两条通道相对应，来自风载与平台运动监测通道的数据与井架数据库结合得出理论性计算结论；来自井架应变与运动响应通道的数据将直接完成疲劳寿命计算；最终两条通道结论再做出对比修正，保证结论准确性，合理性。

4、监测模块的设备所用传感器为无线传输传感器，和有线传感器相比，安装更加简便，数字化程度高，没有有线传感器复杂的缆线，能在复杂的海洋环境条件下正常工作。

5、整个海洋平台井架工况监测与寿命预测系统适用对象不仅是井架，而且包括其他海洋平台高耸结构物，高效监测与合理准确评估合为一体。

6、在评值过程中，除了对井架做出安全性评估，在此基础上再对井架进行疲劳损伤累积分析计算，得出疲劳寿命计算值和剩余寿命的预测值。

附图说明

图1是海洋平台井架工况监测与寿命预测系统的模块连接图。

图2是海洋平台井架工况监测与寿命预测系统的框架结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。具体实施方式所描述的实施实例仅为本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，本发明以海洋井架为实施例，但可实施扩展到海洋平台高耸结构物，因此采用本发明，作用在其他海洋高耸结构物的实例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为海洋平台井架工况监测与寿命预测系统的模块连接图。海洋钻机井架在浮式平台上，整个钻井平台浮在不断运动变化的海平面上。因此对于海洋平台井架监测，需要克服复杂的海洋环境的干扰。整个系统分为三个子模块，监测模块、信息收集与无线传输模块和井架疲劳寿命预测模块。监测模块通过监测设备监测出风速和风向的相关数据、平台运动响应、井架应力应变和井架运动响应数值。信息收集与无线传输模块在接收到监测模块传送过来的数据后，对数据进行分类处理，处理后的数据再次传送到井架疲劳寿命预测模块。

如图2所示，为海洋平台井架监测与评值系统框架结构示意图，图2所示系统框架是在图1的基础上具体化，突出监测与寿命预测系统的创新性设计，刚好契合本发明专利的重点。

在图2中，监测模块分为两部分，风载与平台运动检测和井架应变与运动响应检测。经研究调查发现，海洋环境中风载对海洋井架影响较大，因此需要对海上风速与风向做出监测。对风载监测采用风速传感器与风向传感器，安装在平台合适位置，可安装一组或多组对风值数据做出监测。

由于海况复杂多变，但最终作用在海洋平台上是以海洋平台运动变化来体现，所以可通过监测设备反映平台运动状况。用于监测海洋平台运动状况的设备有加速度传感器(I)、倾角传感器(I)、位移传感器(I)、速度传感器(I)、角速度传感器(I)和角加速度传感器(I)，通过这些数据有效了解平台运动，为井架所受惯性载荷提供理论数据，该类传感器安装在平台易测点。当井架处于工作载荷状态时，对井架受载产生巨大影响，因此需要监测井架在负载时的工作载荷，即施加在大钩上的力，而施加在大钩上的力可通过监测顶驱的应变变化来获得，所以为了获得施加在井架上的工作载荷，可使用应变传感器安装在顶驱上来监测。

井架应变与运动响应监测是对井架自身的监测，在复杂海况中，平台不仅会产生运动，同时井架自身也会受到外界环境和工作载荷的影响。所以井架应变与运动响应监测可分为两部分，井架运动响应监测模块和井架节点应变监测模块。为了了解井架运动状况，在井架易测点位置安装多组加速度传感器(II)、倾角传感器(II)、位移传感器(II)、速度传感器(II)、角速度传感器(II)和角加速度传感器(II)，该类运动型传感器所监测数据将为井架运动提供数据支持，同时和平台运动监测数据共同完成对井架最终运动响应的系统性监测。井架节点应力与应变监测是基于井架受载后产生的形变原理，采用应变传感器检测井架应变变化，应变传感器安装在井架各层节点位置，在安装前需对井架应变位置做出分析。

海洋平台井架工况监测与寿命预测系统的第二个模块，信息收集与无线传输模块，数据收集与传输装置所执行功能是将监测模块相同组，不同类的数组数据，整理分类，由于监测模块是实时监测，所以每天会有上百万条数据等待分类处理，并及时传送，要求数据收集与传输装置具有较强工作能力。

井架疲劳寿命预测模块是海洋平台井架工况监测与寿命预测系统的中枢部分，需要对大量数据分析运算、对比修正、运算结果三维界面显示和存储。来自风载与平台运动检测端的数据经由井架模拟数据库，到瞬态分析模块，到有效应力值统计模块，再到理论寿命计算模块，最终来到对比修正模块。来自井架应变与运动响应检测端的数据经由井架模拟数据库，到井架结构损伤分析模块，再到实际寿命计算模块，最终来到对比修正模块。本发明最大创新点，在于通过对井架运动与应变响应监测，来对井架做出疲劳损伤分析，最终对井架剩余寿命做出预测。

数据处理与计算模块又是井架疲劳寿命预测模块中枢部分，当数据处理与计算模块接收到接收/存储装置传递信息，并在两条通道完成运算，最终对比修正后，再次传输到接收/存储装置、显示装置和报警装置。

如图1所示数据处理与计算模块和接收/存储装置为双向连接，如图2所示接收/存储装置从两条通道接收与传送数据，最终从一条通道接收运算值。接收/存储装置分为两个存储空间，第一个空间存储监测设备的检测数据，第二个空间存储由数据处理与计算模块运算后的统计值和运算结论。

显示装置接收到从对比修正模块传送数据后，在显示界面呈现海洋平台井架实时的监控三维图和井架寿命计算的评估结论。

本发明的创新处在于对海洋平台井架实时监测，并能做出寿命计算和剩余寿命预测，同时也能对海洋平台安全作业提供及时预警。报警装置的报警机制由数据处理与计算模块评估监测数值后，发出信号，所测数值超过警戒值，发出的报警信号触发报警装置，报警。

监测模块的监测设备为各类传感器，各类传感器均为无线传输传感器，通过无线传输，传输速度快，克服有线传输缆线较长的缺点，能适应复杂的海洋环境。