張錫斌 王 薇 李伯群

（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司 海洋采油廠，東營(yíng) 257000）

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聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺(tái)安全評(píng)估中的應(yīng)用

張錫斌 王 薇 李伯群

（中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司 海洋采油廠，東營(yíng) 257000）

摘 要：海洋平臺(tái)造價(jià)極高，所處環(huán)境又極度惡劣，其安全評(píng)估是海上平臺(tái)日常管理工作中的重要部分。傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)及評(píng)估方法不具有實(shí)時(shí)性，而聲發(fā)射技術(shù)的特點(diǎn)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的不足，為海上平臺(tái)安全評(píng)估工作開(kāi)辟新的方向。本文將結(jié)合實(shí)際進(jìn)行聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺(tái)安全評(píng)估中應(yīng)用的研究。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 海上平臺(tái) 安全評(píng)估

引言

隨著人類科技的進(jìn)步，石油以及石油制品在人類生活中扮演著不可或缺的角色。海上平臺(tái)作為海洋石油生產(chǎn)的重要設(shè)施與生活區(qū)域，其安全性對(duì)海上石油開(kāi)采、運(yùn)輸具有極其重要的意義。海洋平臺(tái)的生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)境存在多種不利因素，如風(fēng)浪、載荷、海水腐蝕、北方海域的海冰撞擊等。在如此環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備等容易產(chǎn)生內(nèi)部、外部損傷。這不僅會(huì)影響平臺(tái)的安全性，也將影響平臺(tái)的使用壽命。海洋平臺(tái)一旦發(fā)生坍塌，將會(huì)造成大量人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失。

安全生產(chǎn)不應(yīng)是以犧牲經(jīng)濟(jì)利益為基礎(chǔ)的。調(diào)節(jié)好安全與利益的平衡，是海上平臺(tái)安全評(píng)估的重點(diǎn)問(wèn)題。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，作為一種被動(dòng)的檢測(cè)手段，可以做到對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)、主要設(shè)備進(jìn)行在線檢測(cè)，不需停產(chǎn)，進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)。

聲發(fā)射技術(shù)可以應(yīng)用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、海冰撞擊監(jiān)測(cè)、吊機(jī)監(jiān)測(cè)以及整體安全評(píng)估中，可使企業(yè)在有限的時(shí)間、資金范圍內(nèi)對(duì)危險(xiǎn)實(shí)施最有針對(duì)性的措施，以保證安全的前提下最大限度地保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

盡管用無(wú)損技術(shù)進(jìn)行定期檢查已經(jīng)被規(guī)定到生產(chǎn)程序中，但仍然不足以發(fā)現(xiàn)全部潛在的結(jié)構(gòu)缺陷及這些缺陷在生產(chǎn)過(guò)程中的發(fā)展趨勢(shì)。究其原因，在于定期檢查是被安排在一個(gè)特定的時(shí)間間隔內(nèi)。因此，有限的技術(shù)并不能檢測(cè)到活躍的缺陷和它們真正在生產(chǎn)過(guò)程中的發(fā)展。因此，需要用在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤其是聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，保障生產(chǎn)和使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)完整性。

1 聲發(fā)射技術(shù)

1.1 聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射（AE），即材料中某局域中聲發(fā)射源釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是一種被動(dòng)檢測(cè)技術(shù)。它是通過(guò)“聽(tīng)”被檢測(cè)對(duì)象所發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)，來(lái)判斷這些信號(hào)所載有的聲發(fā)射源的信息。在聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，由于內(nèi)部壓力、應(yīng)力等原因，被檢測(cè)材料誘發(fā)瞬態(tài)彈性波，并沿材料傳播到表面，再通過(guò)聲發(fā)射傳感器利用壓電效應(yīng)將材料表面的微位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)放大、傳輸后顯示和處理，再通過(guò)分析載有聲發(fā)射源特征信息的AE信號(hào)來(lái)解析缺陷部位的情況［1］。

基于以上原理，聲發(fā)射技術(shù)可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)出材料、結(jié)構(gòu)的微觀變形、裂紋開(kāi)裂、腐蝕發(fā)展等情況。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)特征

聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)應(yīng)用于海上平臺(tái)安全評(píng)估的主要優(yōu)點(diǎn)［2］：

（1）聲發(fā)射動(dòng)態(tài)的檢驗(yàn)方法。它檢測(cè)到的能量是由被測(cè)物體所發(fā)出，而非由無(wú)損檢測(cè)儀器提供。

（2）聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)線性缺陷較為敏感。進(jìn)行海上平臺(tái)安全評(píng)估時(shí)，它可以有效提供缺陷信息。

①聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)線性缺陷較為敏感，能探測(cè)到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動(dòng)情況。

②在一次檢測(cè)過(guò)程中，聲發(fā)射能夠?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，并且評(píng)價(jià)整個(gè)結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)。

③聲發(fā)射檢測(cè)可提供被測(cè)材料中，缺陷隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，有助于了解在當(dāng)前環(huán)境中設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使海上平臺(tái)安全評(píng)估更加貼近設(shè)備所在環(huán)境。

（3）聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)于被測(cè)物體的接近要求不高。進(jìn)行海上平臺(tái)安全評(píng)估時(shí)，它可用于難于或不能接近的環(huán)境下檢測(cè)。

（4）在進(jìn)行海上平臺(tái)安全評(píng)估時(shí)，聲發(fā)射技術(shù)對(duì)壓力容器、常壓容器等檢測(cè)方便有效。對(duì)于壓力容器的耐壓試驗(yàn)，聲發(fā)射檢驗(yàn)方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力。

（5）被檢測(cè)對(duì)象的幾何形狀對(duì)聲發(fā)射檢測(cè)的影響不明顯。由于這種對(duì)構(gòu)件的幾何形狀的不敏感，故而在進(jìn)行海上平臺(tái)安全評(píng)估時(shí)，它適用于檢測(cè)形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

（6）聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)設(shè)備完整性不產(chǎn)生任何影響，不需拆卸，通過(guò)在被測(cè)設(shè)備材料表面布置高靈敏度的AE傳感器，判定內(nèi)部是否存在缺陷，檢測(cè)方便、結(jié)果直觀。在開(kāi)車前進(jìn)行的海上平臺(tái)安全評(píng)估不可能將設(shè)備再次拆卸下來(lái)檢測(cè)，故而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在此時(shí)的優(yōu)勢(shì)顯得格外明顯。

2 聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺(tái)海冰撞擊安全評(píng)估監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 海冰撞擊安全評(píng)估監(jiān)測(cè)的意義

渤海海域隨著冬季冰期的到來(lái)，海面上會(huì)逐漸生成海冰，而浮冰受到風(fēng)浪、潮汐等作用，會(huì)對(duì)海上平臺(tái)形成周期性的沖擊，這就將給平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康帶來(lái)安全隱患。海冰撞擊這類時(shí)常發(fā)生的持續(xù)性影響，將會(huì)在潛移默化中影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全。為了獲取海冰撞擊帶來(lái)的影響，我們采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行海冰撞擊的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

2.2 海冰撞擊安全評(píng)估監(jiān)測(cè)的目的

對(duì)于冰期海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，主要從以下幾個(gè)方面循序進(jìn)行。

（1）監(jiān)測(cè)、記錄海洋流動(dòng)浮冰對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的撞擊強(qiáng)度、頻率，結(jié)合其他外參數(shù)，如風(fēng)向、風(fēng)速、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)記錄等，綜合評(píng)估海冰撞擊對(duì)于平臺(tái)的影響。

（2）經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的監(jiān)測(cè)分析，對(duì)發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)加大監(jiān)測(cè)密度，更合理地布置傳感器位置，從而捕捉平臺(tái)結(jié)構(gòu)的裂紋發(fā)生及擴(kuò)展。

（3）將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向與縱向的對(duì)比。具體來(lái)說(shuō)，就是進(jìn)行冰期與非冰期的數(shù)據(jù)對(duì)比，同時(shí)與海況水紋記錄、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等進(jìn)行對(duì)比，從而建立海冰撞擊信號(hào)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）研究聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)與實(shí)際海冰撞擊之間的關(guān)系。

另外，英國(guó)和美國(guó)之間還有一些明面上的文化差異，比如“floor”一詞在雖然在書寫上沒(méi)有差異，但在兩國(guó)之間的發(fā)音和意思卻截然不同，在英國(guó)“the ground floor”為“一樓”的意思，“the first floor”為“二樓”；而在美國(guó)，“一樓”的表達(dá)為“the first floor”，“二樓”則表示“the second floor”與英國(guó)的表達(dá)正好差一層。這些基本的知識(shí)細(xì)節(jié)，在教學(xué)中筆者都曾告知學(xué)生注意。

（5）實(shí)踐在海洋平臺(tái)上開(kāi)展遠(yuǎn)程全天候結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。

2.3 海冰撞擊安全評(píng)估監(jiān)測(cè)的實(shí)施及發(fā)現(xiàn)

聲發(fā)射傳感器均勻布置于平臺(tái)的樁腿及立管上，且在平臺(tái)上設(shè)置氣象、位移、振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖1 海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)

圖1為冰期一段時(shí)間內(nèi)海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測(cè)信號(hào)情況，得出以下初步結(jié)論。

（1）在非冰期，聲發(fā)射信號(hào)基本處于26dB以下，而海冰撞擊作用下信號(hào)幅度明顯高于26dB。所以，聲發(fā)射能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)映海冰撞擊對(duì)于平臺(tái)的影響，即通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，可得到海冰撞擊的頻次與能量程度。

（2）在海洋的結(jié)冰期，海冰對(duì)于平臺(tái)的撞擊與潮汐存在比較緊密的聯(lián)系。在漲、落潮期間，海冰撞擊的相對(duì)作用越強(qiáng)；在穩(wěn)定期間，海冰撞擊作用相對(duì)作用較弱。

（3）聲發(fā)射信號(hào)往往受到噪聲的干擾，在平臺(tái)上常見(jiàn)的為機(jī)械、泊船、風(fēng)浪、下雨等。監(jiān)測(cè)過(guò)程中通過(guò)特征識(shí)別、數(shù)據(jù)過(guò)濾、輔助分析等手段，可以基本將影響控制在可接受范圍內(nèi)。

3 聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺(tái)裂紋安全評(píng)估中的應(yīng)用

3.1 平臺(tái)裂紋安全評(píng)估意義

在一些高應(yīng)力點(diǎn)的近海平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，如樁靴，缺陷的尺寸太小很難通過(guò)常規(guī)的設(shè)備與定期檢測(cè)來(lái)有效觀察缺陷及其發(fā)展過(guò)程。為了保證使用的安全，對(duì)缺陷萌生的監(jiān)測(cè)被視為安全情況保障的最關(guān)鍵部分。許多時(shí)候，當(dāng)停工檢查期間，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件可能在特殊部位已經(jīng)產(chǎn)生裂紋。而這些裂紋產(chǎn)生的原因卻無(wú)法解釋。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)能夠用來(lái)確定當(dāng)斷裂發(fā)生時(shí)的情況，從而確定斷裂發(fā)生的原因。

3.2 平臺(tái)裂紋監(jiān)測(cè)實(shí)施

聲發(fā)射是一項(xiàng)全局性的監(jiān)測(cè)技術(shù)。例如，傳感器可以布置在想要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，并探測(cè)到離傳感器一定距離的缺陷。理論上，想要監(jiān)測(cè)的區(qū)域放置的傳感器越多越好。盡管如此，實(shí)際使用中，考慮到成本問(wèn)題，要在滿足衰減和需要的情況下用最少的傳感器覆蓋到最大的范圍。考慮到無(wú)齒條板的結(jié)構(gòu)，只有很少的布局方式可以考慮。

圖2 裂紋定位圖

圖2為裂紋定位圖?？梢悦黠@看出，在6、7、8號(hào)傳感器之間形成的陣列中存在明顯的定位點(diǎn)。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理與波形分析后，確定為結(jié)構(gòu)缺陷信號(hào)［3］。經(jīng)超聲檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比，在實(shí)際的檢測(cè)區(qū)域位置上確實(shí)存在此裂紋，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)后，可以觀測(cè)出裂紋是否存在發(fā)展的趨勢(shì)。

4 海上平臺(tái)吊機(jī)監(jiān)測(cè)

吊機(jī)作為海上平臺(tái)重要的作業(yè)動(dòng)設(shè)備，其安全性尤為重要。結(jié)合國(guó)外聲發(fā)射在動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、評(píng)估方面的優(yōu)秀成果，對(duì)吊機(jī)基座進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，有助于我們了解吊機(jī)在進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中缺陷的發(fā)生和發(fā)展［4］。

由圖3可以看出，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的監(jiān)測(cè)后，吊機(jī)基座部門出現(xiàn)部分聲發(fā)射信號(hào)。經(jīng)過(guò)信號(hào)分析，并結(jié)合作業(yè)工況以及信號(hào)特征，可以初步分析出：定位圖中，信號(hào)并沒(méi)有呈現(xiàn)聚類的情況，所以判定并沒(méi)有新生裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，也并沒(méi)有舊的缺陷發(fā)展生長(zhǎng)的情況。結(jié)合天氣及作業(yè)情況報(bào)告，確定信號(hào)來(lái)源主要為作業(yè)噪聲及天氣影響。

圖3 信號(hào)定位圖

5 聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺(tái)容器安全評(píng)估中的應(yīng)用

對(duì)于海上平臺(tái)的容器類設(shè)備，聲發(fā)射技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是可以進(jìn)行不開(kāi)罐、不停產(chǎn)的在線檢測(cè)安全評(píng)估，可以為我們的安全工作節(jié)約大量的時(shí)間和資金資源。

目前，海上平臺(tái)已經(jīng)成功運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行壓力容器、常壓方罐、沉箱等的檢測(cè)、安全評(píng)估工作，并取得了寶貴的工作成果。

罐體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，是通過(guò)安裝在罐體上的聲發(fā)射傳感器陣列，來(lái)探測(cè)罐體母材和焊縫的表面與內(nèi)部缺陷開(kāi)裂及擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射源。

對(duì)罐體進(jìn)行的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)能探測(cè)到加壓過(guò)程中由應(yīng)力增加導(dǎo)致的缺陷開(kāi)裂部位。這些部位包括壁板、罐壁與墊板和接管相連接的角焊縫、罐壁與加強(qiáng)板相連接的環(huán)焊縫等。這種部位可能出現(xiàn)潛在的聲發(fā)射源［5］。

6 結(jié)論

聲發(fā)射技術(shù)于近些年快速發(fā)展。相較于海洋石油，它在陸地的應(yīng)用更加廣泛。聲發(fā)射技術(shù)的整體監(jiān)測(cè)、被動(dòng)檢測(cè)等特性是其他無(wú)損檢測(cè)手段所不具備的，而這些特性也決定了其在海洋石油特別是海上平臺(tái)安全評(píng)估中應(yīng)用的可能性與重要意義。

本文通過(guò)理論研究并結(jié)合相關(guān)的實(shí)際工程應(yīng)用案例，分析聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺(tái)安全評(píng)估中的應(yīng)用。從各項(xiàng)應(yīng)用情況來(lái)講，聲發(fā)射技術(shù)可以為我們?cè)诤Ｉ掀脚_(tái)的安全評(píng)估、安全管理工作提供高效的幫助。但在應(yīng)用過(guò)程中也伴隨著一些需要在今后進(jìn)一步解決和發(fā)展的問(wèn)題：（1）對(duì)于噪聲干擾，應(yīng)從信號(hào)分析、現(xiàn)場(chǎng)排除等角度進(jìn)一步研究海上平臺(tái)聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)。（2）建立聲發(fā)射結(jié)合其他相關(guān)技術(shù)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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Application of Acoustic Emission Technique in the Safety Assessment of Offshore Platforms

ZHANG Xibin，WANG Wei，LI Boqun
（China Petroleum & Chemical Corporation Shengli Oilfield Company Marine Oil Production Plant， Dongying 257000）

Abstract:Because the high cost of offshore platforms， and the working environment is extremely harsh， so the safety assessment of offshore platforms is an important part of its daily management. Traditional nondestructive testing and evaluation method is not real-time， and the characteristics of acoustic emission technique can well make up for the shortcomings of the traditional method，open up a new direction for the s afety assessment of offshore platforms work.This article will combine the actual case to study the acoustic emission technique in the application of the safety assessment of offshore platforms.

Key words:Acoustic Emission，Offshore platforms，Safety assessment