□ 徐菖松 □ 蔣 超 □ 石坤舉 □ 張宏利

上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

海上平臺(tái)是海上石油開采的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，其投資占海洋石油開采成本的70%左右[1-3]。由于長(zhǎng)期處于惡劣的自然環(huán)境中，使海洋平臺(tái)主結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間推移出現(xiàn)焊縫裂紋、腐蝕、海洋生物附著等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致承載力下降[4]。一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，還會(huì)帶來不良的社會(huì)影響，所以，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)評(píng)估顯得尤為重要[5]。目前，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要是磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)等局部缺陷檢測(cè)方法，此類方法具有不損傷檢測(cè)部件、檢測(cè)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，因而成為評(píng)估的常用方法。但是海洋平臺(tái)屬于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，局部缺陷檢測(cè)方法耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且難以發(fā)現(xiàn)其整體的結(jié)構(gòu)信息。

采用振動(dòng)檢測(cè)方法能夠較好地解決上述問題。將采集到的振動(dòng)信號(hào)用時(shí)域及頻域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體振動(dòng)信息，對(duì)于尋找缺陷產(chǎn)生原因、發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域和后續(xù)的模態(tài)分析具有一定的指導(dǎo)意義。筆者對(duì)某4樁腿平臺(tái)進(jìn)行了同步振動(dòng)監(jiān)測(cè)，采用時(shí)域、頻域分析方法，分析推斷出了平臺(tái)焊縫裂紋反復(fù)出現(xiàn)的原因。

1 振動(dòng)測(cè)試

1.1 主要儀器設(shè)備

振動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備包括速度傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器、振動(dòng)信號(hào)處理軟件等，具體設(shè)備信息、型號(hào)及其使用量見表1。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

平臺(tái)的位置結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。選取平臺(tái)的西向?yàn)閭鞲衅鞯腦方向，平臺(tái)的北向?yàn)閭鞲衅鞯腨方向，垂直向上是Z方向（圖1和圖2），測(cè)點(diǎn)按照由上到下依次編號(hào)。

表1 設(shè)備清單

（1）吊機(jī)將軍柱測(cè)點(diǎn)布置。分別在平臺(tái)的關(guān)鍵部位上選取測(cè)點(diǎn)，即在吊機(jī)將軍柱、樁腿及平臺(tái)上甲板主梁處布置傳感器。

吊機(jī)將軍柱局部測(cè)點(diǎn)具體傳感器布置情況如下。

①測(cè)點(diǎn)1：吊機(jī)將軍柱轉(zhuǎn)臺(tái)齒輪下位置；

②測(cè)點(diǎn)2：吊機(jī)將軍柱上甲板以上4.50 m二層小平臺(tái)以下部位；

③測(cè)點(diǎn)3：吊機(jī)將軍柱上甲板以上3.80 m部位；

④測(cè)點(diǎn)4：吊機(jī)將軍柱上甲板以上2.80 m部位；

10年前，我曾來過這個(gè)博物館。這次再來，最大的感受，就是魯迅還活著，活在跳動(dòng)的文字里，活在人們的心目中。

⑤測(cè)點(diǎn)5：吊機(jī)將軍柱上甲板以上1.40 m部位；

⑥ 測(cè)點(diǎn)6：EL （+）24 800下甲板吊機(jī)基座加強(qiáng)板以上0.4 m處。

傳感器布置情況如圖3所示。

（2）平臺(tái)樁腿測(cè)點(diǎn)布置。在平臺(tái)4根樁腿上共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體如下。

① 樁腿測(cè)點(diǎn) 1：B1樁腿EL （+）33 800上甲板與EL（+）24 800下甲板之間段，樁腿下部；

② 樁腿測(cè)點(diǎn)2：A1樁腿EL （+）33 800上甲板與EL（+）24 800下甲板之間段，樁腿下部；

③ 樁腿測(cè)點(diǎn)3：A2樁腿EL （+）33 800上甲板與EL（+）24 800下甲板之間段，樁腿下部；

④ 樁腿測(cè)點(diǎn) 4：B2樁腿EL （+）33 800上甲板與EL（+）24 800下甲板之間段，樁腿下部；

⑤ 樁腿測(cè)點(diǎn) 5：B1樁腿EL （+）24 800下甲板與EL（+）19 800工作甲板之間段，樁腿下部；

⑥ 樁腿測(cè)點(diǎn)6：A1樁腿EL （+）24 800下甲板與EL（+）19 800工作甲板之間段，樁腿下部；

⑦ 樁腿測(cè)點(diǎn)7：A2樁腿EL （+）24 800下甲板與EL（+）19 800工作甲板之間段，樁腿下部；

▲圖1 平臺(tái)位置結(jié)構(gòu)主視圖

▲圖2 平臺(tái)位置結(jié)構(gòu)左視圖

▲圖3 將軍柱6測(cè)點(diǎn)振動(dòng)分布位置圖

▲圖4 平臺(tái)4根樁腿振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布位置圖

▲圖5 平臺(tái)主梁振動(dòng)測(cè)點(diǎn)分布位置圖

⑧ 樁腿測(cè)點(diǎn)8：B2樁腿EL （+）24 800下甲板與EL（+）19 800工作甲板之間段，樁腿下部。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置X、Y 2個(gè)傳感器，共16個(gè)傳感器。

具體布置位置如圖4所示。

（3）主梁測(cè)點(diǎn)布置。在上甲板主梁上共布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體測(cè)點(diǎn)如下。

①測(cè)點(diǎn)1：B1樁腿與上甲板連接處的主梁上；

②測(cè)點(diǎn)2：A1樁腿與上甲板連接的主梁上。

主梁上總共布置4個(gè)傳感器，具體如圖5所示。

2 焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析

對(duì)測(cè)試得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析后，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)振動(dòng)主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：在時(shí)域中，平臺(tái)Y方向振動(dòng)幅值高于X方向；在頻域中，0.78 Hz高頻成分在焊縫裂紋出現(xiàn)處，幅值較大。

2.1 平臺(tái)Y方向振動(dòng)幅值高于X方向

選取吊機(jī)將軍柱振動(dòng)幅值明顯加劇的吊臂抬起、加載、卸載三種工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其時(shí)域信號(hào)的最大振動(dòng)情況，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。綜合分析這3種工況下平臺(tái)Y方向振動(dòng)最大幅值高于X方向振動(dòng)最大幅值這一現(xiàn)象。

在任意工況下，出現(xiàn)平臺(tái)Y方向振動(dòng)速度最大幅值高于X方向振動(dòng)速度最大幅值現(xiàn)象，可以推測(cè)平臺(tái)Y方向振動(dòng)使平臺(tái)主結(jié)構(gòu)連接處受到的交變應(yīng)力強(qiáng)于平臺(tái)X方向的交變應(yīng)力，因此，在Y方向上，更容易使平臺(tái)的主結(jié)構(gòu)疲勞，出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。近兩年通過對(duì)平臺(tái)焊縫超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在吊機(jī)將軍柱 主 要 焊 縫 、A1、B1 樁腿與主梁連接焊縫的Y方向上發(fā)現(xiàn)了較多的裂紋，這一結(jié)果可能與Y方向振動(dòng)速度高于X方向振動(dòng)速度有關(guān)。

▲圖6 自然工況和吊臂抬起工況下4根樁腿振動(dòng)速度最大幅值

▲圖8 自然工況和吊機(jī)卸載工況下4根樁腿振動(dòng)速度最大幅值

平臺(tái)出現(xiàn)Y方向振動(dòng)最大幅值高于X方向振動(dòng)最大幅值現(xiàn)象，其主要原因在于：①平臺(tái)Y方向的剛度小于X方向的剛度；②由于平臺(tái)的長(zhǎng)度方向?yàn)閄方向，其Y方向承受的風(fēng)載較X方向大。

▲圖9 吊機(jī)靜止X方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖10 吊機(jī)靜止Y方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖7 自然工況和吊機(jī)加載工況下4根樁腿振動(dòng)速度最大幅值

2.2 0.78 Hz頻率長(zhǎng)期存在對(duì)吊機(jī)及主梁焊縫影響

圖9到圖16是吊機(jī)典型工況下，0.78 Hz頻率成分的功率譜幅值分布情況?？梢钥闯觯脚_(tái)上存在0.78 Hz的振動(dòng)頻率，并且吊機(jī)將軍柱上其主要振動(dòng)能量在X方向，A1、B1樁腿與主梁連接處測(cè)點(diǎn)其主要振動(dòng)能量在Y方向，這種振動(dòng)作用的長(zhǎng)期存在會(huì)對(duì)平臺(tái)主梁焊縫造成較大影響。

通過對(duì)以上吊機(jī)工作過程中的吊機(jī)將軍柱及平臺(tái)主梁振動(dòng)情況進(jìn)行綜合分析，可以得出，當(dāng)?shù)鯔C(jī)在平臺(tái)X方向進(jìn)行非平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，0.78 Hz左右頻率成分的振幅會(huì)對(duì)平臺(tái)主梁結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊，尤其是吊機(jī)在X方向變速旋轉(zhuǎn)時(shí)刻，主梁測(cè)點(diǎn)Y方向的振動(dòng)能量會(huì)有非常大的增加。因此，在這種瞬態(tài)撞擊作用下，吊機(jī)將軍柱及A1、B1樁腿之間的主梁會(huì)產(chǎn)生過大應(yīng)力及形變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生焊縫開裂等現(xiàn)象。同時(shí)，多次重復(fù)的沖擊載荷也易使平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)疲勞，造成A1、B1樁腿之間主梁焊縫的破壞。

▲圖11 吊機(jī)放置物體過程X方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖12 吊機(jī)放置物體過程Y方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖13 吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)X方向X方向0.78 Hz功率譜

▲圖15 吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)Y方向X方向0.78 Hz功率譜

▲圖16 吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)Y方向X方向0.78 Hz功率譜

對(duì)比吊機(jī)在靜止和各種工況下，吊機(jī)將軍柱根部測(cè)點(diǎn)6與同側(cè)A2、B2兩根樁腿測(cè)點(diǎn)3、4的X方向傳感器0.78 Hz振動(dòng)能量可知：吊機(jī)將軍柱根部X方向0.78 Hz頻率的振動(dòng)能量在所有狀況下都會(huì)偏大。因此，吊機(jī)將軍柱根部會(huì)長(zhǎng)期承受更多的沖擊能量，容易在吊機(jī)將軍柱根部出現(xiàn)焊縫裂紋。

3 結(jié)論

通過對(duì)吊機(jī)將軍柱、平臺(tái)4根樁腿及上甲板主梁上共18個(gè)關(guān)鍵部位測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）平臺(tái)整體振動(dòng)Y方向幅值高于X方向，因此，Y方向更容易出現(xiàn)焊縫裂紋。

（2）吊機(jī)將軍柱X方向和A1、B1樁腿與上甲板主梁焊縫處Y方向存在0.78 Hz的高頻局部振動(dòng)，并且振動(dòng)能量較大，導(dǎo)致以上3處更容易出現(xiàn)焊縫裂紋，這與現(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷檢測(cè)以上部位多次出現(xiàn)焊縫裂紋的結(jié)果一致。

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