李洪濤 劉 躍 徐長航 陳國明 徐戰(zhàn)強 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

海洋平臺特別是進入中后期服役階段海洋平臺的安全問題越來越成為制約其正常作業(yè)的重要因素。海洋平臺出現(xiàn)損傷后如何及時有效地發(fā)現(xiàn)損傷位置，是海洋平臺安全維護的重要課題［1－2］。為此，中外學(xué)者對此進行了分析研究。結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致海洋平臺結(jié)構(gòu)變化，引起其振動特性改變，對比損傷前后的振動數(shù)據(jù)，可揭示振動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］。頻率易于測量，并且準確度高，低阻尼結(jié)構(gòu)的頻率識別分辨率可達到0．1%，而振型誤差可達5%［7－8］。海洋平臺結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會引起頻率響應(yīng)函數(shù)的改變，因為該函數(shù)包含的信息豐富，且較易獲得［9－10］。針對海洋平臺振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，選用合適的信號處理方法同樣能夠進行損傷定位，且效果良好。根據(jù)聲發(fā)射信號能量傳播衰減特點，將定位問題轉(zhuǎn)化為估計問題，建立能量衰減模型，基于能量比進行海洋平臺結(jié)構(gòu)損傷定位［11］。

振動與聲發(fā)射檢測技術(shù)均適用于海洋平臺結(jié)構(gòu)損傷識別，但現(xiàn)階段尚未有效地定位損傷。振動技術(shù)對早期的裂紋故障不敏感，而聲發(fā)射技術(shù)可以起到很好的補充作用；但隨著裂紋的擴展，聲發(fā)射特征參數(shù)變化程度變小，表達缺陷能力降低，這時振動技術(shù)又可起到補充的作用。筆者采用加載系統(tǒng)模擬海洋平臺實際受力環(huán)境，經(jīng)信號采集系統(tǒng)中的濾波功能將誤差降至最低。根據(jù)振動與聲發(fā)射檢測技術(shù)特點，使用細化FFT變換等信號處理方法分析了振動信號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。最后將兩種方法進行信息融合，實現(xiàn)了海洋平臺整體結(jié)構(gòu)的損傷定位。經(jīng)驗證性實驗，表明該定位方法可以實現(xiàn)平臺損傷有效定位，工程應(yīng)用前景良好。

1 實驗設(shè)備

1．1 加載裝置

激勵設(shè)備控制臺為丹麥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)生強迫振動，模擬海洋平臺實際受力環(huán)境。實驗時打開加載控制裝置，調(diào)節(jié)頻率與增益至合適數(shù)值，觀察振動波形，不斷調(diào)試實驗參數(shù)從而模擬最佳的工程狀態(tài)。

1．2 海洋平臺模型

圖1 海洋平臺模型圖

模型為固定式導(dǎo)管架平臺，依照南海某導(dǎo)管架平臺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，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個螺栓將海洋平臺模型4角固定，以防加載時模型移動，產(chǎn)生不必要的噪聲。在模型第3層某桿件處預(yù)制損傷，表征平臺的完好與損傷兩種狀態(tài)。

2 振動定位法實驗

發(fā)現(xiàn)平臺出現(xiàn)損傷以后，通過使用少量振動傳感器，快速判定損傷所處的大致范圍，是振動定位法研究的內(nèi)容。通過在海洋平臺模型的不同高度處布置振動傳感器，不斷改變外界加載狀態(tài)，找出使用振動檢測進行損傷定位的方法。傳感器布置如圖2所示，1號位于第一層，2號位于1號下部315mm的第二層，3號與5號位于平臺模型第三層，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號傳感器，第四層距離底部573mm。

圖2 振動傳感器布置示意圖

海洋平臺模型處于完好狀態(tài)時，調(diào)整激振臺加載平臺模型，加載頻率定為5Hz，增益為大，針對振動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個傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個位置的細化快速傅里葉變化（細化FFT）后的幅值。

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

圖3 振動傳感器1號與2號處理結(jié)果圖

加載條件不變，海洋平臺模型處于損傷狀態(tài)時，經(jīng)濾波后分析各傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個位置的細化FFT幅值。分析結(jié)果為平臺第一層與第二層所得信號的頻率范圍集中于19．29Hz，幅值分別約為0．71 mV與0．57mV。對比同為第三層的3號與5號，其頻率范圍同樣集中于19．29Hz，幅值均約為0．44 mV。觀察布置于平臺模型第四層的5號傳感器可知，該層所測信號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)細化FFT處理后的幅值及變化率見表1。

表1 幅值對比表

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

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

3 聲發(fā)射定位法實驗

聲發(fā)射信號在海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的傳播特性是進行科學(xué)合理利用該技術(shù)進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)。在平臺模型樁腿、橫梁等位置進行斷鉛實驗，模擬聲發(fā)射源，記錄各傳感器所測得的能量計數(shù)，從而找出其中規(guī)律，確定聲發(fā)射定位法。

3．1 樁腿實驗

在平臺4根支架（A、B、C、D）頂部分別布置一個傳感器，對應(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行斷鉛實驗，采集4組聲發(fā)射信號，實驗數(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得能量計數(shù)遠大于其他桿件。所以某樁腿出現(xiàn)損傷，其上的傳感器所測得的能量計數(shù)遠高于同等高度下其他樁腿的傳感器。

對于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，斷鉛位置對用桿件上的傳感器所測能量計數(shù)仍遠大于其他桿件，與前一次實驗結(jié)果相同，驗證結(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、四層之間斷鉛實驗結(jié)果表

表3 每根樁腿第一、二層之間斷鉛實驗結(jié)果表

3．2 橫梁實驗

選擇平臺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處進行斷鉛實驗，對比所得的能量計數(shù)見表4。觀察表4中數(shù)據(jù)可知，AB3處斷鉛，a、b所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于c、d；AD3處斷鉛，a、d所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于b、c；CD3處斷鉛，c、d所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于a、b；BC3處斷鉛，b、c所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于a、d?？梢姅嚆U一側(cè)兩傳感器所測信號的能量計數(shù)基本相同，均遠大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計數(shù)也大致相等。

改變斷鉛實驗位置的高度，選擇平臺模型的第四層橫梁處斷鉛，橫梁標記方法不變，分別在4處進行斷鉛實驗，對比所得的能量計數(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所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于c、d；AD4處斷鉛，a、d所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于b、c；CD4處斷鉛，c、d所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于a、b；BC4處斷鉛，b、c所測信號能量計數(shù)大致相等并遠高于a、d。兩組實驗現(xiàn)象相同：斷鉛一側(cè)兩傳感器所測信號的能量計數(shù)基本相同，均遠大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計數(shù)也大致相等。

表4 第三層橫梁處斷鉛實驗結(jié)果表

表5 第三層橫梁處斷鉛實驗結(jié)果表

3．3 其他位置實驗

選擇平臺模型每層中間位置斷鉛，傳感器位置不變，對比所得的能量計數(shù)，數(shù)據(jù)見表6。對比每層4個測點的能量計數(shù)，結(jié)果為能量計數(shù)大致相等。

表6 每層中間位置斷鉛實驗結(jié)果表

在平臺4根樁腿頂端各布設(shè)一個聲發(fā)射傳感器，如果某處測點所得能量計數(shù)遠大于其他3處，表明該測點所在的樁腿出現(xiàn)損傷；如果某兩處測點所得能量計數(shù)大致相等，且遠大于另外兩個數(shù)據(jù)大致相等的測點，表明這兩個點所在一側(cè)的某一層橫梁出現(xiàn)損傷；如果4個測點所得能量計數(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水平方向上定位損傷，與能夠進行垂直方向定位的振動定位技術(shù)結(jié)合起來可以對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行整體損傷定位。

4 基于信息融合的實驗驗證

布置振動傳感器于平臺模型甲板處，聲發(fā)射傳感器布置與圖4相同。針對海洋平臺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個位置上各傳感器在平臺模型損傷后的能量計數(shù)，分別為401、392、280、267?？梢耘袛?，損傷發(fā)生在a、b傳感器一側(cè)的橫梁上。

第二步，針對振動傳感器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其進行處理，所得數(shù)據(jù)經(jīng)細化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，與實際情況相符。

圖5 完好與損傷狀態(tài)幅值對比圖

5 結(jié)論

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

1）針對海洋平臺模型完好與損傷狀態(tài)下的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后采用細化FFT法進行信號處理。對處理結(jié)果進行分析，分析幅值變化率與損傷位置之間量化的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)在海洋平臺的垂直方向上對損傷位置進行損傷定位。

2）設(shè)計樁腿實驗、橫梁實驗及其他位置實驗，針對海洋平臺模型完好與損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析能量計數(shù)與損傷位置的對應(yīng)關(guān)系，從而實現(xiàn)在海洋平臺水平方向上對損傷進行定位。

將聲發(fā)射與振動技術(shù)進行信息融合，從而實現(xiàn)了對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行整體損傷定位。

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