如何解决自升式钻井平台桩腿安全问题

海洋钻井平台是从事海上油气勘探开发作业的大型钢结构体。自升式钻井平台是海上可移动式钻井平台的一种，作业时将桩腿插入海底泥面以下，站立在海床上，利用桩腿托起船体并保持船体底部与海平面有一定的气隙。

随着海上钻探市场的回暖，自升式钻井平台的市场利用率有所回升，未来需求还将进一步提高。国内自主研发的自升式钻井平台的使用规模也在逐年扩大，ZG境内作业的钻井平台中80%为自升式钻井平台。

海上钻井平台运营使用的安全性和可靠性非常重要，桩腿作为自升式钻井平台的关键结构，其安全可靠性直接关系到整个钻井平台在海上作业的安全。

自升式钻井平台的桩腿在使用过程中，长期受到海水的腐蚀及不断变化的环境荷载的作用，在平衡位置附近循环震荡产生随时间变化的应力（或应变），很容易产生疲劳裂纹并产生一定的疲劳累积损伤，对整个自升式平台的安全性构成严重的威胁。且桩腿处于水下，不易观察。因此，监测技术的采用是很重要的。

监测技术作为工程师的眼睛，在工程的安全施工和顺利运营中发挥着不可忽视的作用。目前工程监测所采用的传感器元件主要是基于电阻式、电感式及钢弦式等的点式传感器。但海洋环境恶劣，潮湿且腐蚀性强，这些常规的电类传感器普遍存在寿命短、易受周围环境影响、易受电磁干扰、易被腐蚀等问题。

光纤类传感技术是近年来发展起来的先进监测技术。光纤传感器是利用光纤技术和光学原理，将感受的被测量转换成可用输出信号的传感器。

在光纤传感器中，光纤既是传感介质，也是传输介质。作为传感介质的光纤，具有测量敏感性高、性能稳定的优点；而作为传输介质的光纤，在传输过程中不受电磁干扰、信号损失小，传感光纤可以直接通过光缆连到控制检测ZX，这样就可以试验远程分布式监测。

SOFO(源于法语Surveilance d’Ouvrages par Fibres Optiques的首字母，意为光纤结构监测)是由瑞士联邦工业学院土木工程系IMAC应力分析实验室开发的一种点式光纤传感器。

SOFO系统包括传感器、一套读数仪、数据采集和分析软件。传感器由两根光纤组成，分别是测量光纤和参考光纤，这两根光纤都装在同一根保护管中。测量光纤与被测结构结合并随结构一起变形。为了测量缩短和伸长，测量光纤被预张拉了0.5%。参考光纤是松弛的，因此与结构的变形无关；它的作用是补偿温度对传感器的影响。读数仪发出的光学信号(光)通过一个 耦合器进入传感器，在两根光纤末端被反射镜反射回读数仪，在读数仪中被一对匹配光纤解调。返回光包含有结构物变形的信息，该信息被读数仪解码，并在笔记本电脑上显示。典型传感器的长度范围是250mm-10m，分辨率与标距无关，为2 μm，精度为0.2%。传感器的动态范围在受压时为0.5%，在伸长时为1%。

SOFO系统在上世纪90年代初开始研制，1995年开始商业化生产，随后应用于各种民用结构的监测，例如岩土工程、桥梁、大坝、民用和工业建筑等。该系统对温度变化、电磁场、湿度和腐蚀不敏感，至少6年内（DY次安装后）不受漂移的影响，这使得该系统既适合短期监测也适合长期监测(估计长期稳定性长达20年)。传感器可直接埋入新拌混凝土或者使用专门设计的便于安装的L型支架在结构表面上安装。无需标定，成活率高(在正常条件下，正确埋入混凝土中的传感器的成活率高于95%)。长标距传感器比传统应变传感器更可靠，更精确，它测得的是长距离内的平均应变，不受材料局部缺陷如裂缝和气孔的影响。

自升式海上钻井平台桩腿监测基于光纤低相干涉原理的SOFO监测系统，采用定期、连续和准静态监测模式，用以增加对桩腿荷载、桩腿荷载分布、来自平台荷载的ZX等结构情况的了解。监测参数包括：

• 每根桩腿(共三根桩腿)某个截面的荷载

• 平均应变

• 整体平均曲率和温度

SOFO系统通过监测桩腿每根桩（3根桩/每根桩腿）在荷载作用下产生的平均应变来间接监测每根桩腿的荷载，如图下所示。测得了桩腿每根桩上的平均应变，可计算出桩腿的总荷载。

整套系统建议采用9个SOFO标准传感器(3个/桩腿)和9个热电偶(三根桩腿)。使用标准的L形支架并按焊接步骤把这些传感器安装在表面上。

标准SOFO传感器用于监测平均应变。由于桩腿由钢材制成，而钢材被认为是均匀材料，建议的传感器长度为0.5到1m。

因为结构暴露在温度变化的环境中，因此有必要监测温度来区分测得总应变中的温度应变。为此建议使用SOFO系统兼容的K型热电偶。为了使这些传感器与SOFO系统相兼容，必须使用SOFO桥接设备和ADAM模块。

把同在一根桩腿上的一组SOFO传感器连接到中继连接箱，以便进行集中测量。相应的ADAM模块也安装在箱子中。三个中继连接箱被连接到平台上办公室内的测量ZX。测量ZX包括12通道的SOFO读数仪，SOFO桥接单元，以及ADAM模块的电源。读数仪可以选择SOFO便携读数仪，使用方便。

SOFO系统将记录变形和温度，并保存在单一关系数据库中。这简化了数据处理和分析。该数据库可以与其它数据库对接，便于和其它已安装的监测系统进行数据同步。SOFO传感器读数一次约需6-10秒，热电偶读数一次约需2-3秒。传感器仅能顺序读取(非同时)。因此，读取所有传感器的平均时间大约是2分钟。使用SOFO Pro和SOFO View软件，可以实时计算，并在显示屏上显示预警和警告(如超过某些阀值)。

零点测量是DY步执行的有意义的测量(之前的测量可视为检查测量)，零点是将来所有测量的基准。因此，监测参数的演变将相对于零点被记录和显示。这就是准确确定测量时间如此重要的原因。零点测量的设定取决于实际项目的要求。

• 24~48 小时连续监测：为了记录结构对每天温度变化的响应，建议连续监测。在24到48小时内，每小时将做一组测量。

• 荷载测试 (若有的话)： 一般每次加载后，做一组测量。

• 翻新、维修或扩建之前：该测量有助于了解结构重建前的状态，每天在一段既定时间（有代表性的）测量几次 (如：在早上、中午、下午和晚上做一组测量)。另外为了确定每日温度的影响，建议做几次连续24小时或者48小时的监测 (每小时做一组测量)。

• 翻新、维修 或扩建期间：除了每天4次的连续监测外， 一般每次增加或减少荷载后做一组测量。

• 在役期间长期监测：对于长期监控，建议每天至少做1-4组测量，对于周期监测，至少每周到每月做一组测量。还建议每年做24-28小时连续监测（24小时内至少每小时做一组测量）。

• 特别事件：在强风、大雨或者地震发生时或之后做一组测量。