光纤应变传感器在海上石油钻井平台结构健康监测中的应用​

海上石油钻井平台是复杂且关键的海洋工程结构，长期承受着海浪冲击、风暴载荷、海水腐蚀等恶劣海洋环境以及机械振动、设备运行等极端载荷条件。一旦发生结构失效，不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发严重的环境灾难，如石油泄漏对海洋生态系统的破坏。因此，对其进行结构健康监测（SHM），及时发现潜在结构问题并采取干预措施，对于确保平台的安全性、可靠性，防止故障发生，减少停机时间和维修成本具有至关重要的意义。光纤应变传感器作为一种先进的监测工具，正逐渐在海洋石油钻井平台的 SHM 中发挥重要作用。

一、海洋石油钻井平台结构健康监测需求分析

1. 恶劣环境与极端载荷

海上石油钻井平台面临的主要挑战包括：

海水腐蚀：长期暴露于海水中会导致材料腐蚀，降低其机械性能。

风浪冲击：强风和巨浪会对平台产生持续的动态载荷，导致疲劳损伤。

温度变化：海洋环境中的温度波动会影响材料的热膨胀系数，进而影响结构的整体稳定性。

老化问题：随着时间推移，材料的老化会进一步削弱平台的结构强度。

2. SHM的重要性

早期发现结构问题是防止灾难性故障、减少停机时间和降低维修成本的关键。结构健康监测不仅可以提供潜在问题的预警，还可以提高海上石油钻井作业的效率和生产率。

二、海上石油钻井平台结构健康监测的重要性

（一）保障安全性和可靠性

结构健康监测能够及时发现平台结构中的疲劳、腐蚀等损伤迹象，避免灾难性故障的发生。例如，通过监测结构的应变变化，可以判断是否存在过载或异常受力情况，及时调整作业负荷，确保平台在安全的状态下运行。

（二）降低维修成本

早期发现结构问题可以避免问题的扩大化，使维修工作能够在较小的范围内进行，降低维修成本。同时，通过对监测数据的分析，可以制定合理的维修计划，避免不必要的维修和保养，提高维修效率。

（三）提高作业效率和生产率

稳定可靠的平台结构是海上石油钻井作业顺利进行的基础。SHM 可以减少因结构故障导致的停机时间，保证作业的连续性，从而提高作业效率和生产率。
光纤应变传感器作为 SHM 的重要工具，能够实现灵敏的应变监测，并且适用于各种恶劣环境，为平台的结构健康监测提供了有力支持。

三、加拿大 FISO 光纤应变传感器 - FOS-N 的技术特点与优势

加拿大FISO 光纤应变传感器 - FOS-N是一种光纤应力传感器，具备尺寸小、精度高、不受EMI/RFI干扰、耐腐蚀和耐高温的特点是复合材料工程研究和工业应用如建筑物、桥梁、隧道衬砌、支承结构、船舶和电源变压器等结构健康监控的理想产品。

基于公认的Fabry-Perot干涉技术，FISO的光纤应变传感器是进行高性能应变测量的好的选择。FOS-N所基于的产品技术和配套的兼容监控系统，使用户能在长距离且不影响读数可靠性的前提下测量应变。

另一方面FOS-N应变传感器对任何即将使用的纤维的拉伸和处理都不敏感，若将传感器嵌入复合材料中，则上述特点可以成为非常有利的优点。其次FOS-N光纤应变传感器可在恶劣的化学环境下正常工作，同时它的结构坚固，使用灵活性高，能够满足当前高性能复合材料研究和土建结构监控的要求，适用于海上石油钻井平台复杂多样的结构监测需求。

四、海洋石油钻井平台结构健康监测难点

（一）偏远恶劣环境带来的维护挑战
海上石油钻井平台通常位于偏远的海洋区域，环境条件恶劣，如狂风、巨浪、高盐雾等。这使得平台的维护和维修工作变得困难且昂贵。传统的监测传感器在这种环境下容易出现故障，需要频繁的维护和更换，增加了运营成本。同时，偏远的地理位置也导致维护人员到达现场的时间较长，可能错过最佳的维修时机。

（二）复杂载荷条件引发的损坏模式不可预测

平台在服役过程中，受到多种载荷条件的影响，包括海浪载荷、风载荷、地震载荷、机械振动载荷以及设备运行产生的载荷等。这些载荷的组合和变化具有复杂性和不确定性，可能导致结构产生复杂且不可预测的损坏模式。例如，疲劳损伤可能在多个载荷的交替作用下逐渐发展，传统的监测方法难以准确捕捉到这些复杂的损伤信号。

（三）庞大复杂结构导致的系统安装集成挑战

海上石油钻井平台的结构庞大而复杂，包含大量的结构部件和连接节点。在这样的结构中安装和集成 SHM 系统具有很大的挑战性。需要考虑传感器的布置位置、信号传输方式、系统的兼容性和可靠性等问题。传统的监测系统可能由于传感器数量多、布线复杂等原因，导致安装难度大、成本高，且容易出现信号干扰和传输故障。

五、光纤应变传感器对监测难点的解决

（一）应对偏远恶劣环境

FISO 光纤应变传感器的耐腐蚀、耐高温、不受电磁干扰等特点，使其能够在海洋偏远恶劣环境中长期稳定工作。无需频繁的维护和更换，降低了运营成本。同时，其长距离监测能力减少了对现场维护人员的依赖，即使在偏远区域，也能通过远程监控系统实时获取监测数据，及时发现结构问题。

（二）捕捉复杂载荷下的损伤信号

光纤应变传感器具有高灵敏度和高精度的特点，能够监测到结构在复杂载荷条件下的细微应变变化。通过在平台结构的多个关键部位安装传感器，可以实时获取各个部位的应变、温度、振动等参数。即使是复杂且不可预测的损坏模式，如疲劳裂纹的萌生和扩展，传感器也能检测到参数的微小偏差或变化，为结构损伤的早期识别和评估提供依据。

（三）解决庞大复杂结构的安装集成问题

传感器尺寸小、安装灵活的特点，使其能够方便地布置在平台庞大复杂结构的各个关键节点和部件上。无需复杂的布线和大量的信号传输设备，通过光纤传输信号，减少了信号干扰的可能性，提高了系统的可靠性。同时，配套的监控系统能够对多个传感器的数据进行集成和分析，实现对整个平台结构健康状态的全面监测和评估，降低了系统安装和集成的难度和成本。

（四）实现预测性维护

光纤应变传感器可以提供连续的数据，通过对这些数据的分析和处理，能够预测结构的性能退化趋势和可能出现的故障。维护人员可以根据预测结果，在最佳时间安排维护活动，避免了传统的定期维护带来的盲目性和过度维护，减少了停机时间和与计划外维护相关的成本，提高了平台的运营效率和经济性。

光纤应变传感器在海上石油钻井平台结构健康监测中具有很大的优势。它能够满足平台在恶劣海洋环境下对高精度、高可靠性监测的需求，有效解决了监测过程中的难点问题。通过实时、全面地监测结构的应变等参数，实现了对平台结构健康状态的早期预警和预测性维护，为平台的安全性、可靠性和经济性提供了有力保障。随着光纤传感技术的不断发展和完善，其在海洋石油钻井平台结构健康监测中的应用前景将更加广阔。

审核编辑 黄宇