海上石油鉆井平臺(tái)是復(fù)雜且關(guān)鍵的海洋工程結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期承受著海浪沖擊、風(fēng)暴載荷、海水腐蝕等惡劣海洋環(huán)境以及機(jī)械振動(dòng)、設(shè)備運(yùn)行等極端載荷條件。一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境災(zāi)難，如石油泄漏對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞。因此，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM），及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在結(jié)構(gòu)問題并采取干預(yù)措施，對(duì)于確保平臺(tái)的安全性、可靠性，防止故障發(fā)生，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本具有至關(guān)重要的意義。光纖應(yīng)變傳感器作為一種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)工具，正逐漸在海洋石油鉆井平臺(tái)的 SHM 中發(fā)揮重要作用。

一、海洋石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)需求分析

1. 惡劣環(huán)境與極端載荷

海上石油鉆井平臺(tái)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

海水腐蝕：長(zhǎng)期暴露于海水中會(huì)導(dǎo)致材料腐蝕，降低其機(jī)械性能。

風(fēng)浪沖擊：強(qiáng)風(fēng)和巨浪會(huì)對(duì)平臺(tái)產(chǎn)生持續(xù)的動(dòng)態(tài)載荷，導(dǎo)致疲勞損傷。

溫度變化：海洋環(huán)境中的溫度波動(dòng)會(huì)影響材料的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

老化問題：隨著時(shí)間推移，材料的老化會(huì)進(jìn)一步削弱平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2. SHM的重要性

早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題是防止災(zāi)難性故障、減少停機(jī)時(shí)間和降低維修成本的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)不僅可以提供潛在問題的預(yù)警，還可以提高海上石油鉆井作業(yè)的效率和生產(chǎn)率。

二、海上石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要性

（一）保障安全性和可靠性

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的疲勞、腐蝕等損傷跡象，避免災(zāi)難性故障的發(fā)生。例如，通過監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化，可以判斷是否存在過載或異常受力情況，及時(shí)調(diào)整作業(yè)負(fù)荷，確保平臺(tái)在安全的狀態(tài)下運(yùn)行。

（二）降低維修成本

早期發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題可以避免問題的擴(kuò)大化，使維修工作能夠在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行，降低維修成本。同時(shí)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可以制定合理的維修計(jì)劃，避免不必要的維修和保養(yǎng)，提高維修效率。

（三）提高作業(yè)效率和生產(chǎn)率

穩(wěn)定可靠的平臺(tái)結(jié)構(gòu)是海上石油鉆井作業(yè)順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。SHM 可以減少因結(jié)構(gòu)故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，保證作業(yè)的連續(xù)性，從而提高作業(yè)效率和生產(chǎn)率。
光纖應(yīng)變傳感器作為 SHM 的重要工具，能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏的應(yīng)變監(jiān)測(cè)，并且適用于各種惡劣環(huán)境，為平臺(tái)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了有力支持。

三、加拿大 FISO 光纖應(yīng)變傳感器 - FOS-N 的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

加拿大FISO 光纖應(yīng)變傳感器 - FOS-N是一種光纖應(yīng)力傳感器，具備尺寸小、精度高、不受EMI/RFI干擾、耐腐蝕和耐高溫的特點(diǎn)是復(fù)合材料工程研究和工業(yè)應(yīng)用如建筑物、橋梁、隧道襯砌、支承結(jié)構(gòu)、船舶和電源變壓器等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的理想產(chǎn)品。

基于公認(rèn)的Fabry-Perot干涉技術(shù)，F(xiàn)ISO的光纖應(yīng)變傳感器是進(jìn)行高性能應(yīng)變測(cè)量的好的選擇。FOS-N所基于的產(chǎn)品技術(shù)和配套的兼容監(jiān)控系統(tǒng)，使用戶能在長(zhǎng)距離且不影響讀數(shù)可靠性的前提下測(cè)量應(yīng)變。

另一方面FOS-N應(yīng)變傳感器對(duì)任何即將使用的纖維的拉伸和處理都不敏感，若將傳感器嵌入復(fù)合材料中，則上述特點(diǎn)可以成為非常有利的優(yōu)點(diǎn)。其次FOS-N光纖應(yīng)變傳感器可在惡劣的化學(xué)環(huán)境下正常工作，同時(shí)它的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，使用靈活性高，能夠滿足當(dāng)前高性能復(fù)合材料研究和土建結(jié)構(gòu)監(jiān)控的要求，適用于海上石油鉆井平臺(tái)復(fù)雜多樣的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)需求。

四、海洋石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)難點(diǎn)

（一）偏遠(yuǎn)惡劣環(huán)境帶來的維護(hù)挑戰(zhàn)
海上石油鉆井平臺(tái)通常位于偏遠(yuǎn)的海洋區(qū)域，環(huán)境條件惡劣，如狂風(fēng)、巨浪、高鹽霧等。這使得平臺(tái)的維護(hù)和維修工作變得困難且昂貴。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)傳感器在這種環(huán)境下容易出現(xiàn)故障，需要頻繁的維護(hù)和更換，增加了運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，偏遠(yuǎn)的地理位置也導(dǎo)致維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)，可能錯(cuò)過最佳的維修時(shí)機(jī)。

（二）復(fù)雜載荷條件引發(fā)的損壞模式不可預(yù)測(cè)

平臺(tái)在服役過程中，受到多種載荷條件的影響，包括海浪載荷、風(fēng)載荷、地震載荷、機(jī)械振動(dòng)載荷以及設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的載荷等。這些載荷的組合和變化具有復(fù)雜性和不確定性，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)的損壞模式。例如，疲勞損傷可能在多個(gè)載荷的交替作用下逐漸發(fā)展，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法難以準(zhǔn)確捕捉到這些復(fù)雜的損傷信號(hào)。

（三）龐大復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的系統(tǒng)安裝集成挑戰(zhàn)

海上石油鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜，包含大量的結(jié)構(gòu)部件和連接節(jié)點(diǎn)。在這樣的結(jié)構(gòu)中安裝和集成 SHM 系統(tǒng)具有很大的挑戰(zhàn)性。需要考慮傳感器的布置位置、信號(hào)傳輸方式、系統(tǒng)的兼容性和可靠性等問題。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能由于傳感器數(shù)量多、布線復(fù)雜等原因，導(dǎo)致安裝難度大、成本高，且容易出現(xiàn)信號(hào)干擾和傳輸故障。

五、光纖應(yīng)變傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)難點(diǎn)的解決

（一）應(yīng)對(duì)偏遠(yuǎn)惡劣環(huán)境

FISO 光纖應(yīng)變傳感器的耐腐蝕、耐高溫、不受電磁干擾等特點(diǎn)，使其能夠在海洋偏遠(yuǎn)惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。無需頻繁的維護(hù)和更換，降低了運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，其長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)能力減少了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的依賴，即使在偏遠(yuǎn)區(qū)域，也能通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題。

（二）捕捉復(fù)雜載荷下的損傷信號(hào)

光纖應(yīng)變傳感器具有高靈敏度和高精度的特點(diǎn)，能夠監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷條件下的細(xì)微應(yīng)變變化。通過在平臺(tái)結(jié)構(gòu)的多個(gè)關(guān)鍵部位安裝傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取各個(gè)部位的應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等參數(shù)。即使是復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)的損壞模式，如疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，傳感器也能檢測(cè)到參數(shù)的微小偏差或變化，為結(jié)構(gòu)損傷的早期識(shí)別和評(píng)估提供依據(jù)。

（三）解決龐大復(fù)雜結(jié)構(gòu)的安裝集成問題

傳感器尺寸小、安裝靈活的特點(diǎn)，使其能夠方便地布置在平臺(tái)龐大復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和部件上。無需復(fù)雜的布線和大量的信號(hào)傳輸設(shè)備，通過光纖傳輸信號(hào)，減少了信號(hào)干擾的可能性，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，配套的監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的全面監(jiān)測(cè)和評(píng)估，降低了系統(tǒng)安裝和集成的難度和成本。

（四）實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)

光纖應(yīng)變傳感器可以提供連續(xù)的數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和處理，能夠預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能退化趨勢(shì)和可能出現(xiàn)的故障。維護(hù)人員可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，在最佳時(shí)間安排維護(hù)活動(dòng)，避免了傳統(tǒng)的定期維護(hù)帶來的盲目性和過度維護(hù)，減少了停機(jī)時(shí)間和與計(jì)劃外維護(hù)相關(guān)的成本，提高了平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)性。

光纖應(yīng)變傳感器在海上石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。它能夠滿足平臺(tái)在惡劣海洋環(huán)境下對(duì)高精度、高可靠性監(jiān)測(cè)的需求，有效解決了監(jiān)測(cè)過程中的難點(diǎn)問題。通過實(shí)時(shí)、全面地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的早期預(yù)警和預(yù)測(cè)性維護(hù)，為平臺(tái)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性提供了有力保障。隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在海洋石油鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

審核編輯 黃宇