中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 喬勝勇

船體應(yīng)力風(fēng)險是船東風(fēng)險管理的一部分。如果沒有船體監(jiān)測，就不知道船舶正在經(jīng)歷的實際應(yīng)變。在現(xiàn)代航運業(yè)中，船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)為船長提供實時的預(yù)警、輔助和預(yù)報。監(jiān)船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)是專門用于預(yù)警保護(hù)船體，將船體故障的風(fēng)險降到最低，避免由于惡劣天氣下不適當(dāng)?shù)难b載或高速行駛而造成船體結(jié)構(gòu)或貨物損壞。船體應(yīng)力檢測系統(tǒng)可以提高海上運輸?shù)陌踩?，通過船體應(yīng)力系統(tǒng)預(yù)警可以避免許多溢漏和更嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難。它能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示船舶受力的情況，并為LNG運輸船的結(jié)構(gòu)的安全性提供必要預(yù)警信息，以便及時采取應(yīng)對措施。

整體介紹

PU液化天然氣船造船項目的船體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)是通過測量船體在本身負(fù)荷和波浪的相互作用下而產(chǎn)生的相對變形，來感知船體結(jié)構(gòu)所受到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)而分析船體應(yīng)力的變化，從而達(dá)到監(jiān)測船體結(jié)構(gòu)受力情況的目的。通過分布方式布置的傳感器來測量并分析船體結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力。所采用的分析方法是從信號中識別出靜態(tài)、動態(tài)和緩慢變化的溫度分量，并計算出不同的信號特征。結(jié)果會傳送到駕駛臺的中央裝置，以便進(jìn)一步分析、記錄數(shù)據(jù)并顯示給駕駛臺人員，以協(xié)助導(dǎo)航。全光纖探頭技術(shù)的船體應(yīng)力監(jiān)測，采用分布式光柵反射，在生活區(qū)A甲板EER的主控制盤向每路光纖探頭發(fā)出周期變化的光束，當(dāng)現(xiàn)場探頭發(fā)生線性位移時折光率就會相應(yīng)變化從而通過測量反饋波長和溫度補(bǔ)償段就可以反映出現(xiàn)場安裝在龍骨上的4套LBSG(Long Base Strain Gauge,1700mm，Bandwidth 0-10Hz)，船首水手長儲藏間橫隔梁上的Accelerometer橫搖縱擺加速度探頭（0-20Hz, ±2g）和船首浪壓傳感器。同時系統(tǒng)與DGS,VDR, IAS 及裝載計算機(jī)通訊，用于補(bǔ)償計算、報警監(jiān)測記錄。

安裝、校驗及特點

PU（Pan-Union）液化天然氣船造船項目是中海油集團(tuán)聯(lián)合英國British Gas集團(tuán)所建造的4艘LNG船造船項目。在此LNG船造船項目中，考慮到LNG船本身價值高且對船舶的安全性有較高要求，需要對船體結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行有效監(jiān)控，以確保LNG船的船體結(jié)構(gòu)安全。PU項目LNG船的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)有監(jiān)控應(yīng)變和疲勞的兩種傳感器，一種是SBSG (Short Base Strain Gauge短基應(yīng)變儀, 100毫米) ，另一種 是LBSG (Long Base Strain Gauge,長基應(yīng)變儀,1700毫米) ，用這兩種標(biāo)準(zhǔn)型號的傳感器來測量運動和加速度，監(jiān)控系統(tǒng)的整體組成如圖1。

圖1 系統(tǒng)圖

1、 現(xiàn)場安裝

現(xiàn)場布置：典型的安裝傳感器的位置是在船甲板上和艙壁上。

應(yīng)變傳感器安裝的位置, 應(yīng)該使其能夠很好地測量主要船體的變形，一般而言，安裝結(jié)果應(yīng)該排除諸如材料的非連續(xù)性、焊接和噴沙等局部應(yīng)力集中的影響，安裝傳感器時可以運用造船廠進(jìn)行精確安裝的普通工作標(biāo)準(zhǔn)。

LBSG傳感器：LBSG傳感器和傳感器蓋通過螺栓固定在支架上，支架焊接在甲板上。使用安裝工具進(jìn)行焊接。傳感器座和蓋座在焊接前用螺栓固定在工具上。應(yīng)變計按船級社要求用鋼制作桿長1500～2300mm。應(yīng)變計的線性范圍為±2000微應(yīng)變，精度至少為5微應(yīng)變。測量帶寬為0～5Hz。

圖2 LBSG安裝

圖3 LBSG探頭安裝位置

相關(guān)規(guī)范要求：

A.僅受縱向整體船桁載荷影響的應(yīng)變計（例如，油輪中的甲板量規(guī)）應(yīng)設(shè)置為船舶裝載儀器指示的載荷和實際船舶尺寸所產(chǎn)生的應(yīng)力水平，或使用其他適當(dāng)?shù)膽?yīng)力分析方法。在可行的范圍內(nèi)，應(yīng)在船舶載荷不變、海氣溫差較低以及船舶處于中等或重型壓載狀態(tài)的條件下進(jìn)行設(shè)置。

B.局部應(yīng)力。如果應(yīng)變計安裝在除整體船桁體加載應(yīng)力外具有其他重要應(yīng)力分量的結(jié)構(gòu)上，則應(yīng)對其設(shè)置的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析，并提交審查。

2、校驗

LBSG傳感器：每個應(yīng)變計最初設(shè)置為在商定的加載條件下計算的應(yīng)力值。該計算應(yīng)力與加載儀器的輸出一致。傳感器的初始讀數(shù)與隨后在靜水中商定的加載條件進(jìn)行定期檢查。如果出現(xiàn)的差值大于批準(zhǔn)值的5%或10 N/mm2（以較大者為準(zhǔn)），則重復(fù)設(shè)置和隨后的檢查程序。通過將底座移動到底座支架上，在電子設(shè)備箱中預(yù)先設(shè)置傳感器讀數(shù)。傳感器的微調(diào)是基于HULLMOS系統(tǒng)的軟件。通過在傳感器的儀表彈簧之間插入精確的校準(zhǔn)板來檢查刻度。

相關(guān)規(guī)范要求：

壓力計的設(shè)置應(yīng)在初始設(shè)置后的三個月到六個月之間進(jìn)行評估。船舶操作人員應(yīng)按照驗證程序從裝載儀器和船體狀況監(jiān)測器中獲取相關(guān)值，并提交給ABS。如果變化太大，則需要重復(fù)設(shè)置程序。

3、傳感器

PU項目的光纖傳感器均基于光纖應(yīng)變計。對于光纖傳感元件和電子傳感元件，傳感器在機(jī)械上是相同的。LBSG（F）是基于長鋼桿對船體變形的累積。桿彎曲傳感器電子單元內(nèi)的儀表彈簧。一個彈簧一個應(yīng)變計感測相對于船體變形的待處理量，另一個用于溫度補(bǔ)償ACC（F）基于加速度下的彈簧彎曲。彈簧固定在另一端，自由端上有一個小砝碼。彈簧浸沒在油中減震。一個彈簧一個應(yīng)變計感測相對于加速度的待處理量，另一個用于溫度補(bǔ)償壓力（F）是基于儀器探頭管，其中水壓作用導(dǎo)致相對于壓力的變形。一個探針管一個應(yīng)變計感測相對于壓力的變形量，另一個用于溫度補(bǔ)償除電纜連接細(xì)節(jié)外，兩種類型（電子和光纖）的安裝手冊相同。在光纖傳感器中，焊接的電纜直接連接到傳感器上，以保證最小的衰減和對環(huán)境危害的最大抵抗力。

表 ABS對該類傳感器的要求

光纖應(yīng)變計適合于分布式應(yīng)變傳感，因為大量的傳感器元件可以包含在單個光纖（多路復(fù)用）中，如下所述。光纖布拉格光柵加速度計通?；跈C(jī)械振蕩器彈簧中的應(yīng)變測量，可以使用用于布拉格光柵應(yīng)變測量的相同詢問系統(tǒng)進(jìn)行詢問。光纖布拉格光柵是對光纖芯中折射率的周期性調(diào)制。包含調(diào)制的區(qū)域，其長度通常限制在厘米或更小，當(dāng)被寬帶光源（通常集中在1300或1550nm左右）照明時，其充當(dāng)選擇性濾光片，除了窄帶之外，其它所有波段都能通過。窄帶被反射，中心波長Bragg波長由調(diào)制周期決定。由于在調(diào)制區(qū)域軸向拉伸光纖會影響周期性，因此當(dāng)Bragg波長隨所施加的軸向應(yīng)變線性移動時，光纖光柵自然適合于應(yīng)變傳感。通過用寬帶光源照亮傳感器光纖，我們可以處理多個光柵，每個光柵的調(diào)制周期略有不同，因此可以執(zhí)行準(zhǔn)同步 在一根光纖上使用多個點傳感器的分布式應(yīng)變傳感。

傳感器功能

傳感器里配備有永久內(nèi)存能力，以便于進(jìn)行以下分析：

● 信號平均值計算；

● 信號標(biāo)準(zhǔn)偏差計算；

● 信號峰值探測；

● 平均零點交叉期探測；

● rainflow方法分析/FFT信號。

應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點

● 更現(xiàn)代和方便的顯示、策略顯示、運行高級分析的可能性；

● 早期預(yù)警避免不可恢復(fù)的結(jié)構(gòu)性損傷，盡量減少船舶價值的貶值；

● 降低船只的維修和維護(hù)費用，以更好的質(zhì)量提高租船費率；

● 提高船只的日程和優(yōu)化航行日期；

● 降低在船只全生命周期的保險費用；

● 為操船公司的安全運營提供技術(shù)支持，船舶調(diào)度與調(diào)度的改進(jìn)航次優(yōu)化。

PU項目4艘LNG運輸船的船舶應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)旨在防止超過設(shè)計應(yīng)力。它可以監(jiān)控船舶裝載、卸載或航行時的所有靜態(tài)和動態(tài)力，保持實時、連續(xù)和持久記錄船體結(jié)構(gòu)的受力情況，有助于確定運輸船的操作限制，警告操船人員應(yīng)力正接近設(shè)計許可的最大值，需及時對船舶的操縱或裝卸進(jìn)行調(diào)整，使操作人員能更安全的操作船只，并且對船舶的控制、航行、操縱和船體反應(yīng)等信息進(jìn)行記錄，以便日后進(jìn)行海事分析。