CB271單井平臺由單立柱導(dǎo)管架、水下樁、上部平臺組成。單立柱導(dǎo)管架采用單立柱和三腿水下導(dǎo)管架形式。導(dǎo)管架的三個面均為直立，水下導(dǎo)管架水平面為等邊三角形，三個腿位于三角形的頂點，單立柱位于三角形底邊的中點。單立柱平臺與簡化實體模型分別如 REF _Ref175388756 \h \* MERGEFORMAT 圖8.28和 REF _Ref175388765 \h \* MERGEFORMAT 圖8.29所示。
我們在單立柱海洋石油平臺主立柱底部以應(yīng)變花的方式粘貼了3個光纖光柵傳感器，如 REF _Ref175388765 \h \* MERGEFORMAT 圖8.29所示，用于監(jiān)測主立柱的應(yīng)變變化情況；并在附近安裝了1個光纖光柵溫度傳感器，用于補償溫度影響。
裸光纖光柵的外徑約為125微米，主要成分是SiO2，比較脆弱，尤其是抗剪性能很差。為了避免光纖光柵在施工過程中的沖擊，我們研究了光纖光柵的布設(shè)工藝措施，具體過程如下：
1. 打磨。為了保證光纖光柵與鋼材的充分接觸，避免應(yīng)變傳遞導(dǎo)致的測試誤差，首先使用打磨機對鋼結(jié)構(gòu)表面進行拋光，去除油漆層，然后用砂紙打磨，使鋼結(jié)構(gòu)表面平整光滑。為了防止打磨的屑末、油污等污染物質(zhì)的影響，用脫脂棉球蘸丙酮將打磨處擦洗干凈。
2. 傳感器粘貼。我們利用單組分的502膠粘帖光纖光柵與鋼結(jié)構(gòu)表面。首先使用兩根細膠帶粘帖在傳感器安裝位置，中間留出大約3mm的寬度的細槽，目的是為了傳感器安裝的準直；然后在這個細槽中等間距滴2-3滴502膠；最后將光纖光柵置于細槽中，同時給予一定的預(yù)應(yīng)力，此時502膠液會自動沿著光纖軸向流動充滿整個光柵區(qū)域。待膠固化后即可松手。
3. 傳感器保護。由于海洋環(huán)境比較惡劣，所以傳感器的保護非常重要。如何很好的保護光纖光柵免受施工過程導(dǎo)致的沖擊損壞以及海洋環(huán)境的腐蝕影響是光纖光柵成功應(yīng)用于海洋工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。我們使用環(huán)氧樹脂涂敷于光纖光柵的表面，環(huán)氧樹脂層不僅能夠起到保護光纖光柵免受沖擊的影響，而且能夠達到使傳感器防潮防腐的目的。
4. 光纖與接頭保護。為了避免傳輸光纖受到施工過程的損壞，我們使用環(huán)氧樹脂膠將傳輸光纜固定在立柱表面；并在立柱一側(cè)焊接了一根直徑8cm的鋼管，光纜通過鋼管直通平臺頂部。
采用上述的布設(shè)工藝，在安裝過程結(jié)束后，及時檢查光纖光柵的存活情況，光纖光柵傳感器全部存活。10個月后，平臺竣工，我們對該平臺進行了健康檢測，光纖光柵傳感器信號依舊良好，由此說明該工藝過程很適于光纖光柵的安裝與保護。
1． 船撞擊對平臺主立柱的影響
運輸船對平臺的撞擊是影響海洋石油平臺結(jié)構(gòu)健康和設(shè)施安全性的重要因素。因此，實時的監(jiān)測船撞擊平臺后平臺主立柱的應(yīng)變變化有著很重要的意義。在對平臺主立柱的健康檢測中，我們成功監(jiān)測到了運輸艇撞擊平臺時，平臺主立柱的應(yīng)變變化情況。
圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 30 平臺及其模型和傳感器位置
光纖光柵傳感器成功的監(jiān)測到了一艘約一百噸的交通艇撞擊平臺時主立柱的應(yīng)變變化過程。 REF _Ref175389832 \h \* MERGEFORMAT 圖8.30給出了撞擊點的位置。 REF _Ref180839080 \h \* MERGEFORMAT 表8.4為安裝在不同方向上光纖光柵傳感器所監(jiān)測到的最大應(yīng)變值。因為這些傳感器安裝的位置為撞擊點的背部，所以所監(jiān)測到的最大應(yīng)變皆為負應(yīng)變。由于船撞擊的位置主要受力方向為垂直方向，所以處于垂直方向的3#傳感器所監(jiān)測到的最大應(yīng)變要大于水平方向的1#傳感器。在監(jiān)測過程中，如4#溫度傳感器所示，溫度變化很小，可以忽略不計。
表8. SEQ 表8. \* ARABIC 4 傳感器規(guī)格
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傳感器序號 |
測量量 |
位置 |
波長(nm) |
應(yīng)變極值(με) |
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1# |
應(yīng)變 |
0° |
1530nm |
6.7 |
-19.1 |
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2# |
應(yīng)變 |
45° |
1540nm |
9.1 |
-25.8 |
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3# |
應(yīng)變 |
90° |
1550nm |
9.2 |
-26.7 |
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4# |
溫度 |
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1555nm |
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圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 31 埋入式FBG傳感器測得的在船撞擊下的應(yīng)變變化過程
圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 32 3#光纖光柵傳感器在船撞擊作用下的功率譜圖
REF _Ref175399007 \h \* MERGEFORMAT 圖8.32為 3#光纖光柵傳感器在船撞擊作用下的功率譜圖，所測得的平臺基頻為1.85Hz，與加速度傳感器所測得的值(1.8 Hz)一致。
3個光纖光柵傳感器的布置方向分別為α1=0°，α2=45°， α3=90°。通過計算可以得到x軸、y軸的應(yīng)變?yōu)?/span>εx=-19.1με，εy=-26.7με，剪應(yīng)變?yōu)?/span>γxy=-5.8με。最大的主應(yīng)變?yōu)?/span>-27.7με，方向為251.3°。
2． 海浪荷載
海浪荷載是影響海洋石油平臺的另一大因素。我們利用光纖光柵傳感器成功監(jiān)測到了海浪荷載作用于平臺主立柱時的應(yīng)變變化趨勢。 REF _Ref177961818 \h \* MERGEFORMAT 表8.5為光纖光柵傳感器監(jiān)測到的最大應(yīng)變。3#傳感器測量到的功率譜圖如 REF _Ref175399655 \h \* MERGEFORMAT 圖8.34所示。從圖中可以看出，存在有兩個低頻的信號，分別為0.32Hz和0.54Hz，很顯然它們都是由海浪引起的。
表8. SEQ 表8. \* ARABIC 5 光纖光柵傳感器最大應(yīng)變
圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 33 船撞擊下的應(yīng)變變化過程
圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 34 3#FBG傳感器的功率譜密度函數(shù)
3． 異常海流荷載
在平臺的應(yīng)變監(jiān)測過程中，傳感器還監(jiān)測到了異常海流的沖擊，如 REF _Ref180837678 \h \* MERGEFORMAT 圖8.35所示大約持續(xù)了20秒左右。 REF _Ref177961785 \h \* MERGEFORMAT 8.6為3個光纖光柵傳感器監(jiān)測到的最大應(yīng)變以及溫度傳感器監(jiān)測到的海水溫度變化情況。從應(yīng)變信息可以看出，這股海流的沖擊強度明顯大于一般的海浪影響。
8. SEQ 表8. \* ARABIC 6 光纖光柵傳感器最大應(yīng)變
圖8. SEQ 圖8. \* ARABIC 35 海浪作用下的20秒異常過程
我們將裸光纖光柵以及自行開發(fā)的光纖光柵溫度傳感器應(yīng)用于單立柱海洋石油平臺的健康監(jiān)測中，探索了光纖光柵傳感器在海洋石油平臺上的安裝工藝；并在平臺竣工一年后對該平臺進行了實時的健康監(jiān)測。
光纖光柵傳感器靈敏地監(jiān)測到了船撞擊甚至海浪沖擊平臺主立柱底部的應(yīng)變變化。光纖光柵傳感器所測到的基頻值與加速度傳感器的結(jié)果一致；根據(jù)所布置的光纖光柵應(yīng)變花，我們可以精確得出船撞擊的主方向。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，光纖光柵具有靈敏度高、抗腐蝕能力強、耐久性好的優(yōu)點，非常適合于海洋工程結(jié)構(gòu)的長期健康監(jiān)測。
