安子良，肖立中，孔令超

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海201400） ①

·開發(fā)應(yīng)用·

基于可靠性理論的井架承載能力評定系統(tǒng)

安子良，肖立中，孔令超

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海201400）①

基于可靠性理論的一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計方法，采用分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)測量井架多點應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)，由根據(jù)JC法編制的Matlab程序計算井架承載能力。試驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果均寫入Access后臺數(shù)據(jù)庫，自動生成Word格式的評定報告。通過ADO、VBA和MatrixVB組件技術(shù)，實現(xiàn)了VB、Access、Word與Matlab軟件的混合編程，構(gòu)成了基于井架承載能力檢測技術(shù)的評估系統(tǒng)。

井架；可靠性；評定

由于井架的空間桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多樣化的特性，目前還無法定量計算其承載能力。通常采用靜載試驗測量在役石油井架的應(yīng)力、位移及結(jié)構(gòu)動態(tài)特征數(shù)據(jù)，通過強度與穩(wěn)定性、剛度、可靠性等理論評定井架的承載能力和安全性［1－9］?？煽啃岳碚撛谕聊尽⒔ㄖ退呀ńY(jié)構(gòu)的損傷評估、模式識別和可靠性評價方面有著非常廣泛與成功的應(yīng)用。目前國家和國際標準都采用可靠性指標β來度量石油井架的安全性，因此，定量分析井架的可靠性指標β能較好地反映出井架的承載能力。在井架現(xiàn)場承載試驗中常用的電阻應(yīng)變片法易受貼片方法、應(yīng)變儀零漂和電磁干擾等影響，而且現(xiàn)場大量的連接導(dǎo)線增加了海洋石油井架高空作業(yè)的難度和危險系數(shù)。因此，研發(fā)一種適合于海洋石油井架靜態(tài)應(yīng)力測量的現(xiàn)場操作方法，并應(yīng)用大量的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)來對井架承載能力進行評估顯得尤為重要和迫切。

本文采用分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測海洋石油鉆井井架靜態(tài)應(yīng)力，極大提高了數(shù)據(jù)的數(shù)量與精度，同時也減少了導(dǎo)線數(shù)量且便于現(xiàn)場安裝和調(diào)試［10－11］。計算機測量系統(tǒng)采用Modbus RTU通訊協(xié)議讀取光纖光柵解調(diào)儀各個通道中的應(yīng)力與位移數(shù)據(jù)，采用JC法編制的Matlab程序處理測試數(shù)據(jù)并計算井架的可靠性指標β?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)與計算結(jié)果存儲在Access后臺數(shù)據(jù)庫中，并自動生成Word格式的井架承載能力評定報告。本文的井架承載能力評定系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)采集、存儲、分析與形成報告完全由計算機完成，減少了試驗過程和評估報告中的人為干預(yù)和失誤。

1 可靠性相關(guān)理論

GB 50153—1992《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》和GB 50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》所采用的近似概率設(shè)計法簡化了基本變量隨時間的變化，將復(fù)雜的非線性極限狀態(tài)方程線性化，對工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面設(shè)計的“可靠概率”做出近似估算［12－13］。對在役井架結(jié)構(gòu)進行可靠性評定時，僅以大鉤載荷為特定計量工況，按極限狀態(tài)法的SR干涉模型計算井架結(jié)構(gòu)的可靠性指標β。井架工作載荷引起的效應(yīng)S和井架構(gòu)件抗力R均服從正態(tài)分布，其極限狀態(tài)方程為

可靠度指標β表示為

式中，μR、σR為材料抗力R的均值與標準偏差；μS、σS為應(yīng)力S的均值與標準偏差。

只要知道材料強度和應(yīng)力分布的均值和標準差，由式（1）可計算出井架的失效概率及可靠度。

由于失效概率很難通過數(shù)值積分方法求解，因此工程中引入了可靠性指標β的概念，應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法獲得工程結(jié)構(gòu)的可靠度。目前在可靠度評定的工程應(yīng)用中，國際標準《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》以及國家相關(guān)標準都推薦以概率理論為基礎(chǔ)的一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計方法。實踐證明：在眾多的一次二階矩法計算模型中，JC法原理簡便、利用迭代求解計算收斂快，因此將JC法作為求解井架可靠性指標β的方法。

2 井架應(yīng)力采集

2.1 應(yīng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

用于石油井架應(yīng)力檢測的分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由隔離器、耦合器、光纖光柵應(yīng)變傳感器、光纖光柵溫度傳感器、單模傳輸光纜、光纖光柵解調(diào)儀、RS485通訊模塊與工控機組成，如圖1。計算機數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)由工控機通過ADAM4520與光纖光柵解調(diào)儀串口相連構(gòu)成RS－485總線通訊系統(tǒng)［14－15］，采用8字節(jié)的Modbus RTU通訊協(xié)議讀取光纖光柵解調(diào)儀中6個通道100個測試點的應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過ADO控件、MatrixVB組件和VBA技術(shù)，將VB、Access、Word和Matlab等編程軟件各自的優(yōu)勢融入到用戶應(yīng)用程序中，用戶軟件主要包括數(shù)據(jù)自動采集、存儲及實時曲線顯示、試驗數(shù)據(jù)的后處理，還包括井架承載能力可靠性評定與歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.2 現(xiàn)場應(yīng)力數(shù)據(jù)的計算機讀取及存儲

在串口數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中，工控機作為主機將光纖光柵解調(diào)儀地址設(shè)置為02，波特率為9 600bps，數(shù)據(jù)位為8位，無奇偶校驗位，1位停止位。為了保持和光纖光柵解調(diào)儀通訊參數(shù)的一致，將MSComm控件的Settings屬性設(shè)置為“9 600，n，8，1”。為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率和安全性，選用了高效簡潔的Modbus RTU通訊規(guī)約，需要將MSComm控件的InputMode屬性設(shè)置為二進制模式。當光纖光柵解調(diào)儀通過串口返回數(shù)據(jù)時，將觸發(fā)MSComm控件的OnComm事件在ComEvReceive中調(diào)用Input屬性讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。由于采用VB6.0作為編程軟件，因此選擇了與VB兼容性良好且具有嚴格數(shù)學(xué)概念的Microsoft Access 2003關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中。采用人工代碼獲得ADO數(shù)據(jù)對象的控制句柄，通過調(diào)用Connection與Recordset對象的屬性、方法來完成VB與Access數(shù)據(jù)庫的連接與操作，調(diào)用Recordset對象的AddNew和Update方法向已經(jīng)打開的數(shù)據(jù)表追加數(shù)據(jù)記錄。由于數(shù)據(jù)采集程序與存儲程序的相關(guān)實例或論述非常詳盡，本文不再贅述，僅給出具體的編程思路［16－17］。

圖1 分布式光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)井架應(yīng)力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3 可靠性評價系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 JC法計算井架可靠性指標

采用JC法迭代求解井架構(gòu)件截面的可靠度指標β和驗算點值，收斂準則為驗算點收斂。在VB中使用MatrixVB數(shù)學(xué)工具包可降低開發(fā)人員實現(xiàn)井架載荷與可靠性算法編程難度，程序代碼安全、簡潔且用戶界面友好。由于Matlab程序只處理矩陣格式的數(shù)據(jù)，因此需將數(shù)據(jù)庫中的實驗數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換為文本文件，由CreateMatrix函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為矩陣格式后才能進行計算。井架承載能力可靠性分析結(jié)果由VB用戶程序?qū)懭氲皆摼軞v史檔案數(shù)據(jù)中，以便查詢和對比歷史曲線和數(shù)據(jù)［18－19］。

給出的JC法函數(shù)的計算程序為

3.2 自動生成Word格式井架承載能力報告

Visual Basic for Applications（簡稱VBA）是基于Visual Basic發(fā)展而來的新一代標準宏語言，提供了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，通過VBA程序代碼可實現(xiàn)Office家族各應(yīng)用程序的自動化操作［20－21］。本文利用OLE和VBA技術(shù)自動創(chuàng)建一個Word文檔，將井架應(yīng)力計算結(jié)果和可靠性結(jié)果插入Word文本和表格中，從而減少了實驗人員的工作量和形成報告時的人為失誤。在VB工具欄中引用“Microsoft word 11.0object library”對象庫，通過對Application、Document、Pagesetup、Paragraph和FontTable對象屬性和方法的調(diào)用，來規(guī)范報告的文檔、段落和表格的文本格式和布局。部分程序：

4 結(jié)論

1） 通過對傳感器、信號傳輸方式、數(shù)據(jù)存儲與處理等方面的改進，形成了1套完整的且適用現(xiàn)場操作的石油井架承載能力安全檢測技術(shù)和評估系統(tǒng)軟件。

2） 利用ModBus RTU通訊協(xié)議和MSComm通信控件，自動采集井架靜態(tài)載荷試驗數(shù)據(jù)，通過ADO、VBA和MatrixVB組件技術(shù)，實現(xiàn)了VB、Access、Word與Matlab軟件的混合編程。井架應(yīng)力試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、報告等工作均由計算機自動完成，既減輕了現(xiàn)場安裝與記錄試驗數(shù)據(jù)的工作量，又極大減少了試驗過程和評估報告中的人為干預(yù)和失誤。

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Evaluation System for Carrying Capacity of Drilling Derrick Based on Reliability Theory

AN Zi－liang，XIAO Li－zhong，KONG Ling－chao
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201400，China）

Based on the first－order second－moment method of reliability theory，stress and displacement of oil rig derrick were measured by distributed fiber bragg grating sensor network，carrying capacity of oil rig derrick was calculated by JC method programmed by Matlab，the experimental data and the results were saved into Access background database，the word style evaluation report was automatically generated by using program.Multi－language program of VB，Access，Word and Matlab were implemented by the techniques of ADO，VBA and MatrixVB component，safety investigation technology and evaluation system for carrying capacity of oil rig derrick were implemented.

drilling derrick；reliability；evaluation

1001－3482（2012）01－0068－04

TE923

A

2011－07－30

上海市教育委員會重點學(xué)科建設(shè)項目資助（J51501）

安子良（1972－），男，河北唐山人，講師，博士，主要從事高溫高壓設(shè)備結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測與使用壽命預(yù)測研究，E－mail：anziliang123＠163.com