張 華, 呂 濤， 徐長(zhǎng)航， 陳國(guó)明

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200030；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 山東 青島 266580)

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基于聲發(fā)射的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究

張 華1, 呂 濤2， 徐長(zhǎng)航2， 陳國(guó)明2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200030；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 山東 青島 266580)

海洋平臺(tái)在長(zhǎng)期服役過程中受環(huán)境載荷及各種作業(yè)的影響，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生不同種類的損傷，因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)保障平臺(tái)作業(yè)安全具有重要的工程意義。該文將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)管架海洋平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，以CEP導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象，研究適合工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)方案，提出基于檢測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)健康評(píng)定方法，通過對(duì)比存在不同程度缺陷的救生艇支架驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的適用性。研究表明，聲發(fā)射檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)活動(dòng)性損傷進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，可對(duì)關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

導(dǎo)管架平臺(tái); 聲發(fā)射技術(shù); 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè); 結(jié)構(gòu)健康評(píng)定

0 引言

近年來，由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效而引起的事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響平臺(tái)的正常作業(yè)，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大威脅，而且國(guó)內(nèi)大多數(shù)現(xiàn)役平臺(tái)已經(jīng)步入老齡期[1]，結(jié)構(gòu)缺陷和損傷情況嚴(yán)重，大大縮短了平臺(tái)服役期，因此，進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控勢(shì)在必行[2]。

海洋平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)綜合信息監(jiān)測(cè)分析技術(shù)，現(xiàn)有的平臺(tái)監(jiān)測(cè)僅僅是對(duì)某些獨(dú)立信號(hào)或參數(shù)的離散收集，而不是對(duì)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析以及結(jié)構(gòu)健康預(yù)警。聲發(fā)射檢測(cè)作為動(dòng)態(tài)、被動(dòng)的無損檢測(cè)技術(shù)，具有高靈敏性的特點(diǎn)，聲發(fā)射不僅能夠?qū)Ρ粰z測(cè)構(gòu)件的幾何形狀、整體結(jié)構(gòu)的活動(dòng)性缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且可以對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行全天候不停工監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到橋梁、管道、壓力容器等的損傷檢測(cè)方面[3，4]。

聲源定位可以確定損傷聲源檢測(cè)位置與實(shí)際損傷位置的符合程度，它是結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的重要前提，其準(zhǔn)確程度反映了聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用的可行性[5]。目前，聲發(fā)射技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)異常變化的監(jiān)測(cè)中，但是對(duì)聲發(fā)射源定位技術(shù)的研究主要集中在一維管道、二維罐體監(jiān)測(cè)方面[6、7]，尚未出現(xiàn)從工程應(yīng)用角度上對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行聲發(fā)射源定位研究。該文將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)管架海洋平臺(tái)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并以CEP導(dǎo)管架平臺(tái)為對(duì)象，開展海洋平臺(tái)損傷聲發(fā)射源定位方法研究，基于檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)。

1 監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化

海洋平臺(tái)傳感器優(yōu)化布置是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)施前的重要準(zhǔn)備工作，良好的傳感器布置方式可以達(dá)到較好的損傷監(jiān)測(cè)效果，并能實(shí)現(xiàn)損傷定位。受平臺(tái)構(gòu)件尺寸、上部運(yùn)行設(shè)備及人為操作限制，傳感器的布置必須根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整。聲發(fā)射是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料具有一定的參考性和對(duì)比性。根據(jù)平臺(tái)自身服役資料、檢維修歷史記錄以及有限元力學(xué)分析結(jié)果，選擇特定區(qū)域進(jìn)行同條件定期監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)跟蹤平臺(tái)結(jié)構(gòu)變化特征。

選擇的檢測(cè)區(qū)域應(yīng)該包括高應(yīng)力區(qū)域點(diǎn)和低疲勞壽命區(qū)域點(diǎn)。通過力學(xué)分析可知，結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)一般為節(jié)點(diǎn)位置，特別是樁腿與甲板間的焊接位置。應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，可檢測(cè)較長(zhǎng)距離的結(jié)構(gòu)變化，傳感器無需放置在結(jié)構(gòu)變化點(diǎn)上，但為保證檢測(cè)效果良好，傳感器應(yīng)當(dāng)盡量靠近結(jié)構(gòu)變化點(diǎn)布置。因此，聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)包括關(guān)鍵桿件的管節(jié)點(diǎn)，尤其是承受動(dòng)態(tài)應(yīng)力的主要管件。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，盡量用傳感器直接采用一維線定位得到最佳檢測(cè)結(jié)果；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要在檢測(cè)到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和盡量不影響工程生產(chǎn)的前提下，檢測(cè)到最高強(qiáng)度的信號(hào)。

在甲板開闊區(qū)域上，傳感器采用菱形方式(如圖1所示)或三角形方式(如圖2所示)布置，依靠傳感器組成的幾何關(guān)系和聲發(fā)射源到時(shí)的時(shí)間，進(jìn)行聲發(fā)射源面定位；當(dāng)定位出現(xiàn)多個(gè)聲源時(shí)，傳感器個(gè)數(shù)的增加會(huì)增加約束條件，去掉不合理結(jié)果。

在管節(jié)點(diǎn)焊接的部位，傳感器要多點(diǎn)布置(如圖3所示)實(shí)現(xiàn)各段線定位。這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，信號(hào)傳播過程容易發(fā)生信號(hào)折射、反射現(xiàn)象，為了保證檢測(cè)的有效性，采用多傳感器進(jìn)行檢測(cè)，傳感器數(shù)量選擇和布置方式根據(jù)平臺(tái)架構(gòu)調(diào)整，當(dāng)傳感器數(shù)量不足時(shí)，需要分段檢測(cè)。

圖1 傳感器菱形布置 圖2 傳感器三角形布置 圖3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)多傳感器布置

在聲發(fā)射定位技術(shù)中，最傳統(tǒng)、最有效的是時(shí)差定位算法。對(duì)于特定的待測(cè)結(jié)構(gòu)，當(dāng)傳感器數(shù)量足夠且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通道數(shù)滿足測(cè)試要求時(shí)，傳感器采用常規(guī)的線定位或面定位方法進(jìn)行布置即可。但是對(duì)于海洋平臺(tái)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有條件很難獲得具有足夠數(shù)量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和足夠多的傳感器。這就需要提出新的聲發(fā)射傳感器布置方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在傳感器數(shù)量一定的前提下，盡可能地達(dá)到最佳監(jiān)測(cè)效果，既能監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生發(fā)展，又能進(jìn)行損傷的可靠定位。

聲發(fā)射檢測(cè)以結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別為基礎(chǔ)，以損傷定位為目的，為保證檢測(cè)效果，需要考慮的聲發(fā)射傳感器布置影響因素為：(1) 結(jié)構(gòu)部件的重要性及失效概率；(2) 聲發(fā)射傳感器的監(jiān)測(cè)范圍。通過平臺(tái)缺陷失效統(tǒng)計(jì)，確定各類缺陷最有可能發(fā)生的概率及后果嚴(yán)重度，進(jìn)而確定失效風(fēng)險(xiǎn)，為監(jiān)測(cè)傳感器布置提供一定支持。具體參見公式(1)：

(1)

式中：R為結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)；P為缺陷發(fā)生概率；C為失效后果嚴(yán)重程度。

2 結(jié)構(gòu)健康評(píng)定方法

平臺(tái)主承載立柱及斜撐、相關(guān)焊縫及關(guān)鍵構(gòu)件的表面及內(nèi)部缺陷會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射在線檢測(cè)技術(shù)，提取信號(hào)特征判定平臺(tái)損傷的有無，并對(duì)損傷源進(jìn)行定位，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行損傷綜合分級(jí)。聲發(fā)射的實(shí)際檢測(cè)效果通過信號(hào)特征提取效果表現(xiàn)，具體要從信號(hào)的產(chǎn)生頻率和信號(hào)幅值兩個(gè)角度考慮。

2.1 聲發(fā)射活性分級(jí)

信號(hào)的發(fā)生頻率代表著聲發(fā)射的活性和損傷變化活動(dòng)的多少，信號(hào)頻率越高表明損傷變化越大。如果聲發(fā)射定位源區(qū)的事件數(shù)在平臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下快速增加時(shí)，則認(rèn)為該部位的聲發(fā)射定位源具有超強(qiáng)活性。如果聲發(fā)射定位源區(qū)的事件數(shù)在平臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)增加時(shí)，則認(rèn)為該部位的聲發(fā)射定位源具有強(qiáng)活性。平臺(tái)聲發(fā)射源活動(dòng)度主要表示平臺(tái)結(jié)構(gòu)被損壞或腐蝕后受載荷作用引起變形的聲發(fā)射信號(hào)頻度，聲源活動(dòng)度等級(jí)[8，9]劃分見表1。

表1 聲發(fā)射活動(dòng)度等級(jí)

以1 s為一個(gè)計(jì)算周期，設(shè)定信號(hào)門檻Th，統(tǒng)計(jì)一個(gè)周期內(nèi)，超過門檻的信號(hào)(即有效信號(hào))個(gè)數(shù)N1和信號(hào)總數(shù)N2，計(jì)算有效信號(hào)頻率Pr，如式(2)所示。

(2)

2.2 聲發(fā)射強(qiáng)度分級(jí)

聲發(fā)射信號(hào)的幅值代表信號(hào)的強(qiáng)度和損傷變化的劇烈程度，幅值越高表明結(jié)構(gòu)變化越劇烈[10]。聲發(fā)射源的強(qiáng)度可用能量、幅度及計(jì)數(shù)參數(shù)來表示，強(qiáng)度量化值可以采用一定時(shí)段內(nèi)幾個(gè)最大的能量、幅度或計(jì)數(shù)參數(shù)的均值表示[8]。

以1 s為一個(gè)計(jì)算周期，設(shè)定信號(hào)門檻Th，統(tǒng)計(jì)一個(gè)周期內(nèi)，超過門檻的信號(hào)(即有效信號(hào))的幅值均值A(chǔ)m1和所有信號(hào)幅值均值A(chǔ)m2，計(jì)算有效信號(hào)強(qiáng)度比例Ar，如式(3)所示。

(3)

2.3 聲發(fā)射綜合分級(jí)

聲發(fā)射的結(jié)構(gòu)完整性綜合分級(jí)見表2[7]。

表2 聲發(fā)射的綜合評(píng)判矩陣

表2中，風(fēng)險(xiǎn)矩陣分級(jí)如下：

(1) 不可接受風(fēng)險(xiǎn)：包括E和F，代表結(jié)構(gòu)完整性受到嚴(yán)重破壞，需要結(jié)合其它檢測(cè)方法進(jìn)行損傷復(fù)檢并對(duì)損傷部位進(jìn)行立即修復(fù)。

(2) 中度可接受風(fēng)險(xiǎn)：包括C和D，代表結(jié)構(gòu)完整性受到部分破壞，條件允許時(shí)可以結(jié)合其它檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行復(fù)檢并對(duì)損傷擇時(shí)修復(fù)。

(3) 低度風(fēng)險(xiǎn)：包括A和B，代表結(jié)構(gòu)完整性較好，不需要復(fù)檢和損傷修復(fù)。

3 監(jiān)測(cè)技術(shù)適用性驗(yàn)證

以東海某氣田CEP導(dǎo)管架平臺(tái)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在其上部組塊開展結(jié)構(gòu)活動(dòng)缺陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。監(jiān)測(cè)設(shè)備采用美國(guó)Sensor Highway II-16聲發(fā)射儀。經(jīng)超聲檢測(cè)，CEP平臺(tái)1號(hào)救生艇左側(cè)支架有三處結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)損傷，為驗(yàn)證聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)的適用性，分別以1號(hào)、2號(hào)救生艇支架為監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)實(shí)時(shí)采集與分析，并對(duì)兩救生艇支架的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行判定。

3.1 監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域橫向分析

采集同一時(shí)刻兩支架的聲發(fā)射信號(hào)(保證兩支架所處工程環(huán)境噪聲相同)，通過對(duì)信號(hào)強(qiáng)度、密集度的對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者的不同從而判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的可能性大小。

圖4 聲發(fā)射信號(hào)撞擊數(shù)時(shí)域圖

圖4中橫坐標(biāo)為信號(hào)上升時(shí)間，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅值，每個(gè)點(diǎn)代表一次撞擊事件發(fā)生，方框中為排除環(huán)境影響后識(shí)別出的有效信號(hào)(上升時(shí)間短，幅值大的信號(hào)是復(fù)雜信號(hào)中的有效部分)。對(duì)比兩救生艇支架結(jié)構(gòu)，1號(hào)艇多個(gè)通道有效信號(hào)多于2號(hào)艇信號(hào)，且2號(hào)艇偶爾會(huì)出現(xiàn)個(gè)別信號(hào)。

3.2 監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域縱向?qū)Ρ?/p>

對(duì)1號(hào)與2號(hào)救生艇支架進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，觀察信號(hào)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，主要觀察信號(hào)的幅值及能量的變化，查看是否有奇異點(diǎn)的出現(xiàn)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷進(jìn)行判斷，監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)域波形圖如圖5所示。

圖5 救生艇支架聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形圖

由圖5可知，在相同測(cè)試條件下，時(shí)域信號(hào)同比例顯示，在某時(shí)刻1號(hào)艇6個(gè)AE通道均出現(xiàn)較大幅值信號(hào)，而2號(hào)艇的6個(gè)AE通道并未出現(xiàn)大幅值信號(hào)，并且信號(hào)波動(dòng)較小。由此可判定，1號(hào)艇支架存在較多的結(jié)構(gòu)損傷，整體結(jié)構(gòu)狀態(tài)比2號(hào)艇差。

通過兩種信號(hào)分析方法可知，1號(hào)救生艇支架健康狀態(tài)要差于2號(hào)救生艇支架。通過金屬磁記憶檢測(cè)，1號(hào)救生艇支架焊縫應(yīng)力集中水平較2號(hào)艇支架嚴(yán)重，超聲檢測(cè)1號(hào)救生艇支架存在3處較明顯的焊接缺陷，且3種技術(shù)檢測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證。

4 結(jié)論

該文將聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到導(dǎo)管架平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，以CEP導(dǎo)管架平臺(tái)為對(duì)象，從方案制定、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、技術(shù)適用性驗(yàn)證三個(gè)方面開展研究，結(jié)論如下：

(1) 綜合考慮聲發(fā)射檢測(cè)機(jī)理及導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，形成一套集監(jiān)測(cè)方案制定、工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評(píng)定于一體的綜合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

(2) 基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)室內(nèi)試驗(yàn)研究及工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出聲發(fā)射信號(hào)分析方法，結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)活性分級(jí)和強(qiáng)度分級(jí)，形成考慮結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)的綜合分級(jí)方法。

(3) 通過對(duì)不同損傷程度的救生梯支架結(jié)構(gòu)聲發(fā)射信號(hào)分析對(duì)比，可對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行定性判斷，聲發(fā)射技術(shù)可以對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)測(cè)，及早發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)對(duì)象中存在的損傷，為實(shí)施結(jié)構(gòu)預(yù)警提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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Research on Structural Health Real-time Monitoring of Jacket Platforms Based on Acoustic Emission Technique

(1.Shanghai Branch of CNOOC China Ltd., Shanghai 200030， China; 2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266580， China)

Affected by the environmental load and kinds of operation, offshore platforms in long-term service will produce various damage, therefore structural health monitoring has important engineering significance to the operation safety of platforms. The paper applies acoustic emission technique to the real time monitoring of structural damage for upper block of jacket platform, studies monitoring scheme suitable to engineering site, and puts forward structure health assessment method based on testing data. It proves the applicability of acoustic emission technique in the offshore platform structure health monitoring by comparing different degrees defects of lifeboat stents. Study shows that the acoustic emission detection can realize qualitative evaluation for active damage, and make long-term monitoring for the health status of key bearing structure.

jacket platform; acoustic emission technique; real time monitoring; structure health assessment

2014-09-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下大型導(dǎo)管架平臺(tái)動(dòng)力災(zāi)變模擬及損傷控制(51079159), 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“深水自升式平臺(tái)升降作業(yè)時(shí)變動(dòng)力學(xué)特性研究”(15CX06056A)。

張 華(1968-)，男，工程師。

1001-4500(2016)01-0086-05

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