井架是石油钻机的重要组成部分,在使用过程中经常面临拆卸、组装、移动、锈蚀和偶然冲撞等外部作用,使得井架不同程度地存在着各种各样的缺陷,其安全性对整台钻机的工作性能、可靠性及使用寿命影响很大,因此,对钻机井架进行安全监测意义重大。 光纤光栅传感技术是一种新兴的传感技术。光纤光栅传感器具有诸如抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外,还对应力、应变等重要测量参量具有极高的测量精度,特别适合在钻井现场(井场)这种环境恶劣的场合中进行非电监测。 本文研究的课题是武汉理工大学光纤传感技术研究中心与南阳二机石油装备(集团)有限公司的合作项目。通过光纤光栅传感技术与石油钻机井架的安全监测相结合,设计出一套基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统,并在河南油田ZJ40K钻机井架上得到了应用。 本文所做的主要工作包括: 1.概括地介绍了光纤光栅的分类、制备方法、光学特性、传感原理以及解调方法。着重阐述了光纤光栅的应力传感特性、温度传感特性以及应力和温度的交叉敏感现象,并讨论了消除应力和温度交叉敏感的方法。 2.分析了基于可调谐法布里—珀罗(Fabry-Perot)滤波器的光纤光栅Bragg波长解调原理,进而提出了基于最小二乘法的光纤光栅Bragg波长直线拟合算法和二次曲线修正的光纤光栅Bragg波长算法,以提高系统的解调精度,并做了实验研究。 3.介绍了有限元方法的基本思想,并用有限元方法对钻机井架进行了结构静力分析、结构动力分析和稳定性分析。介绍了对钻机井架进行安全评定的主要方法。 4.研究了基于钻机井架的光纤光栅安全监测系统的设计原则、系统功能以及系统结构,着重探讨了系统软件的设计以及程序的实现过程。通过系统在钻机井架上的加载试验,证明了系统的有效性,符合实际应用的要求。