李洪濤 劉 躍 徐長(zhǎng)航 陳國明 徐戰(zhàn)強(qiáng) 趙立前 樸文龍

1．中國石油天然氣管道工程有限公司市政工程室 2．中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心

海洋平臺(tái)特別是進(jìn)入中后期服役階段海洋平臺(tái)的安全問題越來越成為制約其正常作業(yè)的重要因素。海洋平臺(tái)出現(xiàn)損傷后如何及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)損傷位置，是海洋平臺(tái)安全維護(hù)的重要課題［1－2］。為此，中外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了分析研究。結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)變化，引起其振動(dòng)特性改變，對(duì)比損傷前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可揭示振動(dòng)特性并找到缺陷位置［3－4］。結(jié)構(gòu)響應(yīng)屬于物理性能函數(shù)，響應(yīng)數(shù)據(jù)反映結(jié)構(gòu)物理性能的改變情況，包括頻率、頻率響應(yīng)函數(shù)等［5－6］。頻率易于測(cè)量，并且準(zhǔn)確度高，低阻尼結(jié)構(gòu)的頻率識(shí)別分辨率可達(dá)到0．1%，而振型誤差可達(dá)5%［7－8］。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會(huì)引起頻率響應(yīng)函數(shù)的改變，因?yàn)樵摵瘮?shù)包含的信息豐富，且較易獲得［9－10］。針對(duì)海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選用合適的信號(hào)處理方法同樣能夠進(jìn)行損傷定位，且效果良好。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)能量傳播衰減特點(diǎn)，將定位問題轉(zhuǎn)化為估計(jì)問題，建立能量衰減模型，基于能量比進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷定位［11］。

振動(dòng)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)均適用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，但現(xiàn)階段尚未有效地定位損傷。振動(dòng)技術(shù)對(duì)早期的裂紋故障不敏感，而聲發(fā)射技術(shù)可以起到很好的補(bǔ)充作用；但隨著裂紋的擴(kuò)展，聲發(fā)射特征參數(shù)變化程度變小，表達(dá)缺陷能力降低，這時(shí)振動(dòng)技術(shù)又可起到補(bǔ)充的作用。筆者采用加載系統(tǒng)模擬海洋平臺(tái)實(shí)際受力環(huán)境，經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)中的濾波功能將誤差降至最低。根據(jù)振動(dòng)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，使用細(xì)化FFT變換等信號(hào)處理方法分析了振動(dòng)信號(hào)的幅值變化率與損傷位置的縱向?qū)?yīng)關(guān)系，采用聲發(fā)射法得出其特征參數(shù)與損傷位置的橫向?qū)?yīng)關(guān)系。最后將兩種方法進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)了海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的損傷定位。經(jīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，表明該定位方法可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)損傷有效定位，工程應(yīng)用前景良好。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1．1 加載裝置

激勵(lì)設(shè)備控制臺(tái)為丹麥B＆K加載系統(tǒng)，包括加載控制儀器與觸發(fā)裝置。加載控制儀器用于設(shè)置加載頻率與增益，觸發(fā)裝置產(chǎn)生激振力，作用于模型底部區(qū)域，使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，模擬海洋平臺(tái)實(shí)際受力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)時(shí)打開加載控制裝置，調(diào)節(jié)頻率與增益至合適數(shù)值，觀察振動(dòng)波形，不斷調(diào)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)從而模擬最佳的工程狀態(tài)。

1．2 海洋平臺(tái)模型

圖1 海洋平臺(tái)模型圖

模型為固定式導(dǎo)管架平臺(tái)，依照南海某導(dǎo)管架平臺(tái)以一定比例縮建而成（圖1）。模型高1 980mm，分為4層，頂層甲板為鋼板，厚10mm，其余3層采用鋼制管件焊接而成；樁腿共4個(gè)，所用管件外徑34．05 mm，壁厚3．5mm；除頂層外，每層甲板的管件外徑21．95mm，壁厚2．6mm。在此之前，使用4個(gè)螺栓將海洋平臺(tái)模型4角固定，以防加載時(shí)模型移動(dòng)，產(chǎn)生不必要的噪聲。在模型第3層某桿件處預(yù)制損傷，表征平臺(tái)的完好與損傷兩種狀態(tài)。

2 振動(dòng)定位法實(shí)驗(yàn)

發(fā)現(xiàn)平臺(tái)出現(xiàn)損傷以后，通過使用少量振動(dòng)傳感器，快速判定損傷所處的大致范圍，是振動(dòng)定位法研究的內(nèi)容。通過在海洋平臺(tái)模型的不同高度處布置振動(dòng)傳感器，不斷改變外界加載狀態(tài)，找出使用振動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行損傷定位的方法。傳感器布置如圖2所示，1號(hào)位于第一層，2號(hào)位于1號(hào)下部315mm的第二層，3號(hào)與5號(hào)位于平臺(tái)模型第三層，即預(yù)制損傷所在層。第三層距離第二層502mm，再往下590mm是第四層，布置4號(hào)傳感器，第四層距離底部573mm。

圖2 振動(dòng)傳感器布置示意圖

海洋平臺(tái)模型處于完好狀態(tài)時(shí)，調(diào)整激振臺(tái)加載平臺(tái)模型，加載頻率定為5Hz，增益為大，針對(duì)振動(dòng)傳感器垂直于加載方向（X方向）的加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后分析5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個(gè)位置的細(xì)化快速傅里葉變化（細(xì)化FFT）后的幅值。

如圖3，對(duì)比1號(hào)與2號(hào)可知，平臺(tái)第一層與第二層產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍集中于19．78Hz，幅值分別為0．91mV與0．81mV。對(duì)比同為第三層的3號(hào)與5號(hào)，其頻率范圍同樣集中于19．78Hz，幅值分別約為0．72mV與0．74mV。觀察布置于平臺(tái)模型第四層的4號(hào)傳感器可知，該層所測(cè)信號(hào)的頻率范圍也集中于19．78Hz，幅值為0．48mV。

圖3 振動(dòng)傳感器1號(hào)與2號(hào)處理結(jié)果圖

加載條件不變，海洋平臺(tái)模型處于損傷狀態(tài)時(shí)，經(jīng)濾波后分析各傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個(gè)位置的細(xì)化FFT幅值。分析結(jié)果為平臺(tái)第一層與第二層所得信號(hào)的頻率范圍集中于19．29Hz，幅值分別約為0．71 mV與0．57mV。對(duì)比同為第三層的3號(hào)與5號(hào)，其頻率范圍同樣集中于19．29Hz，幅值均約為0．44 mV。觀察布置于平臺(tái)模型第四層的5號(hào)傳感器可知，該層所測(cè)信號(hào)的頻率范圍也集中于19．29Hz，幅值約為0．36mV。完好與損傷狀態(tài)下不同位置的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)細(xì)化FFT處理后的幅值及變化率見表1。

表1 幅值對(duì)比表

分析表1數(shù)據(jù)可知，高度相同的兩傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理后的幅值基本相同，說明振動(dòng)傳感器所得數(shù)據(jù)與布置的高度有關(guān)，高度相等時(shí)，橫向改變位置不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置距損傷位置的垂直距離越遠(yuǎn)，幅值的變化率越小。

平臺(tái)模型第三層出現(xiàn)損傷，布置在該層3號(hào)與5號(hào)的變化率約40%，位于第二層2號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的25%，位于第一層1號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的40%，位于第四層4號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的30%，說明假如平臺(tái)高度為H，那么幅值變化率超過40%，損傷大致發(fā)生在測(cè)點(diǎn)高度相同的位置；變化率在30%～40%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為0～25%H之間的位置；變化率在25%～30%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為25%H～30%H之間的位置；變化率在20%～25%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為30%H～40%H之間的位置；變化率小于20%，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為40%H以外的位置。

3 聲發(fā)射定位法實(shí)驗(yàn)

聲發(fā)射信號(hào)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的傳播特性是進(jìn)行科學(xué)合理利用該技術(shù)進(jìn)行損傷定位以及確定傳感器布設(shè)方案的重要參考依據(jù)。在平臺(tái)模型樁腿、橫梁等位置進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，模擬聲發(fā)射源，記錄各傳感器所測(cè)得的能量計(jì)數(shù)，從而找出其中規(guī)律，確定聲發(fā)射定位法。

3．1 樁腿實(shí)驗(yàn)

在平臺(tái)4根支架（A、B、C、D）頂部分別布置一個(gè)傳感器，對(duì)應(yīng)記為a、b、c、d，如圖4所示。

在每根樁腿的第三層與第四層之間進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，采集4組聲發(fā)射信號(hào)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。通過觀察表2中數(shù)據(jù)，斷鉛位置所在桿件上的傳感器所測(cè)得能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)大于其他桿件。所以某樁腿出現(xiàn)損傷，其上的傳感器所測(cè)得的能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)高于同等高度下其他樁腿的傳感器。

對(duì)于4根樁腿，改變斷鉛位置，選擇在第一層與第二層之間分別斷鉛，其他條件不變，能量計(jì)數(shù)見表3。通過觀察表3中數(shù)據(jù)，盡管高度發(fā)生改變，斷鉛位置對(duì)用桿件上的傳感器所測(cè)能量計(jì)數(shù)仍遠(yuǎn)大于其他桿件，與前一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

圖4 聲發(fā)射傳感器布置示意圖

表2 每根樁腿第三、四層之間斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表3 每根樁腿第一、二層之間斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3．2 橫梁實(shí)驗(yàn)

選擇平臺(tái)模型的第三層橫梁處斷鉛，A、B之間橫梁記為AB3，同理其他3根分別記為 AC3、BC3、BD3。分別在4處進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)見表4。觀察表4中數(shù)據(jù)可知，AB3處斷鉛，a、b所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于c、d；AD3處斷鉛，a、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于b、c；CD3處斷鉛，c、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、b；BC3處斷鉛，b、c所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、d。可見斷鉛一側(cè)兩傳感器所測(cè)信號(hào)的能量計(jì)數(shù)基本相同，均遠(yuǎn)大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計(jì)數(shù)也大致相等。

改變斷鉛實(shí)驗(yàn)位置的高度，選擇平臺(tái)模型的第四層橫梁處斷鉛，橫梁標(biāo)記方法不變，分別在4處進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)見表5。觀察表5中數(shù)據(jù)可知，AB4處斷鉛，a、b所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于c、d；AD4處斷鉛，a、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于b、c；CD4處斷鉛，c、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、b；BC4處斷鉛，b、c所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、d。兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同：斷鉛一側(cè)兩傳感器所測(cè)信號(hào)的能量計(jì)數(shù)基本相同，均遠(yuǎn)大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計(jì)數(shù)也大致相等。

表4 第三層橫梁處斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表5 第三層橫梁處斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3．3 其他位置實(shí)驗(yàn)

選擇平臺(tái)模型每層中間位置斷鉛，傳感器位置不變，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)見表6。對(duì)比每層4個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量計(jì)數(shù)，結(jié)果為能量計(jì)數(shù)大致相等。

表6 每層中間位置斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

在平臺(tái)4根樁腿頂端各布設(shè)一個(gè)聲發(fā)射傳感器，如果某處測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)大于其他3處，表明該測(cè)點(diǎn)所在的樁腿出現(xiàn)損傷；如果某兩處測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)大致相等，且遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)數(shù)據(jù)大致相等的測(cè)點(diǎn)，表明這兩個(gè)點(diǎn)所在一側(cè)的某一層橫梁出現(xiàn)損傷；如果4個(gè)測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)差別不明顯，說明某層中間位置，即非樁腿與橫梁部分出現(xiàn)損傷。

綜上分析可知，聲發(fā)射定位法可以在海洋平臺(tái)水平方向上定位損傷，與能夠進(jìn)行垂直方向定位的振動(dòng)定位技術(shù)結(jié)合起來可以對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體損傷定位。

4 基于信息融合的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

布置振動(dòng)傳感器于平臺(tái)模型甲板處，聲發(fā)射傳感器布置與圖4相同。針對(duì)海洋平臺(tái)完好與損傷兩種狀態(tài)，調(diào)整加載設(shè)備使其0°角加載，頻率定為30Hz。

第一步，記錄a、b、c、d 4個(gè)位置上各傳感器在平臺(tái)模型損傷后的能量計(jì)數(shù)，分別為401、392、280、267。可以判斷，損傷發(fā)生在a、b傳感器一側(cè)的橫梁上。

第二步，針對(duì)振動(dòng)傳感器X方向的加速度數(shù)據(jù)，采用巴特沃斯濾波器低通濾波方式對(duì)其進(jìn)行處理，所得數(shù)據(jù)經(jīng)細(xì)化FFT變換后結(jié)果見圖5。完好與損傷狀態(tài)經(jīng)處理后的幅值分別為6．62mV與5．20mV，變化率為21．5%，說明損傷發(fā)生在距傳感器垂直高度為30%H～40%H之間的位置，并接近40%H，即位于傳感器下方800mm附近，也就是位于第三層橫梁處，與實(shí)際情況相符。

圖5 完好與損傷狀態(tài)幅值對(duì)比圖

5 結(jié)論

為發(fā)現(xiàn)海洋平臺(tái)損傷位置，進(jìn)行了基于振動(dòng)與聲發(fā)射信息融合的損傷定位研究。結(jié)論如下：

1）針對(duì)海洋平臺(tái)模型完好與損傷狀態(tài)下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后采用細(xì)化FFT法進(jìn)行信號(hào)處理。對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析，分析幅值變化率與損傷位置之間量化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在海洋平臺(tái)的垂直方向上對(duì)損傷位置進(jìn)行損傷定位。

2）設(shè)計(jì)樁腿實(shí)驗(yàn)、橫梁實(shí)驗(yàn)及其他位置實(shí)驗(yàn)，針對(duì)海洋平臺(tái)模型完好與損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析能量計(jì)數(shù)與損傷位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在海洋平臺(tái)水平方向上對(duì)損傷進(jìn)行定位。

將聲發(fā)射與振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行信息融合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體損傷定位。

［1］FRANCOIS，ALERTS．The case of the 1999storm in France，a treacherous risk［J］．Sociologie du Travail，2010，52（1）：1－21．

［2］LOUTAS T H，SOTIRIADES G，KALAITZOGLOU I，et al．Condition monitoring of a single－stage gearbox with artificially induced gear cracks utilizing on－line vibration and acoustic emission measurements［J］．Applied Acoustics，2009，70（9）：1148－1159．

［3］BRINEKER R，KIREGAARD P H，ANDERSEN P．Damage detection methods for offshore platforms based on wavelet packet transform［J］．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2006，19（5）：463－477．

［4］HOI WAI SHIH．Damage assessment in structures using vibration characteristics［D］．Queensland：Queensland University of Technology，2009．

［5］徐長(zhǎng)航，劉吉飛，陳國明，等．經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和魏格納—維利分布在往復(fù)泵泵閥振動(dòng)信號(hào)特征提取中的應(yīng)用［J］．中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，34（3）：99－103．XU Changhang，LIU Jifei，CHEN Guoming，et al．Application of EMD and WVD to feature extraction from vibration signal of reciprocating pump valves［J］．Journal of China University of Petroleum：Natural Science Edition，2010，34（3）：99－103．

［6］KHAN F I，ABBASI S A．Domiffect：User－friendly software for domino effect analysis［J］．Environmental Modeling ＆ Software，1998，13（2）：163－177．

［7］李洪濤，史玉峰，翟建習(xí)，等．海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（12）：46－50．LI Hongtao，SHI Yufeng，ZHAI Jianxi，et al．Experimental study on vibration monitoring technology for offshore platform［J］．China Safety Science Journal，2012，22（12）：46－50．

［8］VERVLOET D，NIJENHUIS J，VAN OMMEN J R．Monitoring a lab－scale uidized bed dryer：A comparison between pressure transducers，passive acoustic emissions and vibration measurements［J］．Powder Technology，2010，197（1）：36－48．

［9］LI Xiang，LI Gang，YANG Qianjin，et al．Acceleration－oriented design optimization of ice－resistant jacket platforms in the Bohai Gulf［J］．Ocean Engineering，2009，36（17）：1295－1302．

［10］王建軍，林凱，宮少濤，等．海洋深水鉆井隔水管材料性能標(biāo)準(zhǔn)研究［J］．天然氣工業(yè)，2010，30（4）：84－86．WANG Jianjun，LIN Kai，GONG Shaotao，et al．A study of material properties standards for deepwater marine drilling risers［J］．Natural Gas Industry，2010，30（4）：84－86．

［11］李洪濤，徐長(zhǎng)航，陳國明，等．海洋平臺(tái)預(yù)警信號(hào)處理系統(tǒng)研發(fā)［J］．中國造船，2011，52（2）：495－501．LI Hongtao，XU Changhang，CHEN Guoming，et al．Research and development on warning signal processing system of offshore platform［J］．Ship Building of China，2011，52（2）：495－501．