官耀華， 周 雷， 仲 華， 王巍巍， 王樹青

(1．中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

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無線振動(dòng)檢測(cè)與結(jié)構(gòu)損傷診斷在海洋平臺(tái)的工程應(yīng)用

官耀華1， 周 雷2， 仲 華1， 王巍巍2， 王樹青3

(1．中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

首次將結(jié)構(gòu)無線振動(dòng)檢測(cè)及結(jié)構(gòu)損傷診斷的最新研究成果應(yīng)用于東海平湖DPP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)完整性管理工程實(shí)踐中?；谡駝?dòng)檢測(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別、模型修正等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)的快速判斷。此工程示范案例說明了該方法工程應(yīng)用的可行性和可靠性，對(duì)實(shí)現(xiàn)在役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的快速安全巡檢有重要的工程意義。該方法是一種對(duì)常規(guī)無損檢測(cè)和評(píng)估方法的有益補(bǔ)充,在平臺(tái)結(jié)構(gòu)延壽及優(yōu)化水下無損檢測(cè)方案方面具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值和前景。

振動(dòng)檢測(cè)；模態(tài)參數(shù)識(shí)別；損傷診斷；結(jié)構(gòu)完整性管理

0 引言

海洋平臺(tái)是海上油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，其結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)服役期間，長(zhǎng)期受風(fēng)、浪、流及腐蝕等惡劣海洋環(huán)境的作用，抗力將發(fā)生衰減。目前的常規(guī)做法是按照《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》的規(guī)定，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)執(zhí)行年度檢測(cè)、定期檢測(cè)和臨時(shí)檢測(cè)。

這類檢測(cè)通常是使用無損檢測(cè)的方法，主要包括：目視檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉探傷、透水桿件檢測(cè)(FMD)、交流電磁場(chǎng)檢測(cè)法(ACFM)等。這類檢測(cè)方法應(yīng)用于水下時(shí)往往受到檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)與水平的影響導(dǎo)致精確度不高。一旦水深超過50 m還需用飽和潛水資源，費(fèi)用高昂。此外在實(shí)踐過程中受各種因素制約，常規(guī)檢測(cè)一般只能做到抽檢，難以全面反映結(jié)構(gòu)的整體安全健康狀況。

相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)來說，結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅提高了經(jīng)濟(jì)性和安全性，而且消除了各種制約因素造成的局限性，因此是對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)的完善和補(bǔ)充，未來將會(huì)是海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)不可或缺的重要手段。該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代末，近年來隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，在大型結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)實(shí)踐中開始逐步采用無線通訊傳輸技術(shù)和相配套的模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)[1-3]、模型修正技術(shù)[4]及損傷識(shí)別技術(shù)[5，6]?；诖思夹g(shù)發(fā)展而來的便攜式振動(dòng)檢測(cè)具有方法簡(jiǎn)單、操作成本低等特點(diǎn)。工業(yè)界也引入了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，為相關(guān)技術(shù)的工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

1 無線振動(dòng)檢測(cè)及其配套技術(shù)

無線振動(dòng)信號(hào)采集的儀器為便攜式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)儀。該無線振動(dòng)信號(hào)采集儀采用分布式網(wǎng)絡(luò)化的無線傳感器布置，比常規(guī)有線振動(dòng)測(cè)量節(jié)省了大量的布纜工作和輔助設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)振型的實(shí)時(shí)、同步、高精度采集。采用的傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)固態(tài)加速度型傳感器，它具有體積小、重量輕、低功耗、高靈敏度、低噪聲、寬頻帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是該傳感器對(duì)超低頻的振動(dòng)信號(hào)非常靈敏，靜態(tài)噪聲帶內(nèi)有效值約為0.1 mg～0.2 mg，滿足大尺度導(dǎo)管架平臺(tái)超低頻段振動(dòng)振型的測(cè)量要求。

利用振動(dòng)檢測(cè)儀采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過濾波去噪、去均值、去趨勢(shì)項(xiàng)等預(yù)處理步驟，然后進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到加速度時(shí)間歷程圖(時(shí)域圖)和頻譜圖(PSD圖)。通過分析可以實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理效果，為模態(tài)參數(shù)識(shí)別做準(zhǔn)備。該文采用的具體的識(shí)別方法是“基于模型定階和信號(hào)消噪的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)”[2]，其基本原理為利用環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用自然激勵(lì)技術(shù)獲取其脈沖響應(yīng)，然后通過hankel矩陣秩估計(jì)法來合理確定識(shí)別模型的階次，并進(jìn)行信號(hào)消噪處理，最后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。通過模型定階和信號(hào)消噪，極大地提高了模態(tài)參數(shù)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確性，消除了虛假模態(tài)對(duì)模型修正和損傷識(shí)別的影響，提高了海洋平臺(tái)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的實(shí)用性。在得到實(shí)測(cè)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)特征參數(shù)后，可以通過修正平臺(tái)模型的質(zhì)量和剛度，如海生物厚度、上部質(zhì)量、邊界條件等來修正原始的結(jié)構(gòu)有限元模型，通過修正使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)識(shí)別出模態(tài)趨于一致，該方法利用結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)的振動(dòng)信息修正結(jié)構(gòu)的有限元，彌補(bǔ)了建立模型過程中產(chǎn)生的誤差和不確定性，使修正后的模型更好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2 無線振動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用

2.1 無線傳感器實(shí)測(cè)布置

結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用工程為東海平湖DPP平臺(tái)。首次振動(dòng)測(cè)量依據(jù)布點(diǎn)原則，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況共布設(shè)20個(gè)無線振動(dòng)傳感器，分別是帶纜走道層6個(gè)，工作甲板7個(gè)，下層甲板4個(gè)，上層甲板2個(gè)以及直升機(jī)甲板1個(gè)，每個(gè)傳感器可測(cè)量三個(gè)方向的加速度，具體布置如圖1所示。

由于測(cè)點(diǎn)較多，為方便數(shù)據(jù)對(duì)比和處理分析。將數(shù)據(jù)分為四組進(jìn)行分析(如圖2所示)，分別為：

(1)第一組包括各層?xùn)|南角點(diǎn)，共五個(gè)，從上到下組成一“串”，此選擇方式是常規(guī)選點(diǎn)方式，更利于水平方向振型顯示。

(2)第二組包括位于帶纜走道層的六個(gè)點(diǎn)。

(3)第三組包括位于工作甲板的七個(gè)點(diǎn)。

(4)第四組包括位于下層甲板的四個(gè)點(diǎn)。

圖1 無線傳感器布設(shè)圖

圖2 傳感器數(shù)據(jù)處理分組圖

2.2 典型測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)域和頻域分析

首次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試共采集有效數(shù)據(jù)2 730段。該文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件選取10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的180段典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測(cè)量期間平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)海況條件為：瞬時(shí)風(fēng)速為4 m/s ～10 m/s，表層流速10 cm/s ～50 cm/s，有效波高為0.77 m～1.29 m。

綜合考慮，選擇現(xiàn)場(chǎng)海況最惡劣的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行處理分析?，F(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、去均值、去趨勢(shì)項(xiàng)等預(yù)處理，然后再進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到時(shí)域圖、PSD圖。圖3為時(shí)域圖，分別給出了第1組、第2組測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，時(shí)域圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)表示加速度/(m/s2)。圖4為測(cè)點(diǎn)的PSD圖，其橫坐標(biāo)表示頻率/Hz，縱坐標(biāo)表示功率譜密度/(m2/s3)，其中通道標(biāo)號(hào)、方向等信息見表1、表2。

表1 第一組測(cè)點(diǎn)基本信息

表2 第二組測(cè)點(diǎn)基本信息

圖3 典型惡劣海況下兩組測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖

圖4 典型惡劣海況下兩組測(cè)點(diǎn)PSD圖

從圖3和圖4可以看出，該段加速度明顯比其他時(shí)段大，此次測(cè)量的最大加速度出現(xiàn)在此段，為3.17 gal。對(duì)初步處理的加速度信號(hào)進(jìn)行頻域分析得到加速度譜圖。采用改進(jìn)的快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻域分析，得出兩個(gè)明顯特征頻率，分別是一階頻率0.412 Hz和二階頻率0.549 Hz，分別代表平臺(tái)結(jié)構(gòu)在南北方向及東西方向上的平動(dòng)固有頻率，為下一步ERA識(shí)別方法提供對(duì)比依據(jù)。

3 模態(tài)參數(shù)識(shí)別與模型修正

3.1 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

綜合比較測(cè)量數(shù)據(jù)，選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中激勵(lì)最大，信號(hào)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段，采用ERA法開展時(shí)域分析，識(shí)別結(jié)果見表3。

表3 基于第一次實(shí)測(cè)的ERA模態(tài)識(shí)別結(jié)果

由表3可以看出，MAC、MPC、CMI為衡量模態(tài)參數(shù)識(shí)別質(zhì)量的三個(gè)指標(biāo)參數(shù)，越接近階次1，表明識(shí)別越接近實(shí)際值。表中MAC(Modal Assurance Criteria)為模態(tài)幅值相干系數(shù)，表示兩個(gè)向量夾角的余弦，在此處用來表示理論振型和識(shí)別振型的符合程度；MPC(Mode Phase Collinearity)為模態(tài)相位共線性，對(duì)小阻尼系統(tǒng)，MPC用來表示模態(tài)空間一致性，用來計(jì)算模態(tài)振型系數(shù)的實(shí)、虛部之間的函數(shù)線性關(guān)系；CMI(Consistent Mode Indicator)為一致模態(tài)指標(biāo)，表示空間和時(shí)間信息要同時(shí)保持一致[8，9]。

從多段數(shù)據(jù)的識(shí)別結(jié)果來看，可以識(shí)別得到穩(wěn)定的前三階模態(tài)參數(shù)包括頻率、阻尼比及振型，且前二階固有頻率與采用頻域方法得到的結(jié)果相近。圖5是識(shí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的前三階振型，由圖5可以看出，第1階振型為南北方向的平動(dòng)振型，第2階為東西方向上的平動(dòng)振型，第3階為平臺(tái)三階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

圖5 識(shí)別得到的平臺(tái)前三階振型

第二次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和第一次測(cè)量時(shí)隔三個(gè)月左右。期間連續(xù)經(jīng)歷兩次臺(tái)風(fēng)，中心風(fēng)力分別為10級(jí)和11級(jí)。第二次測(cè)量傳感器的布置方案和測(cè)點(diǎn)分組和第一次測(cè)量基本一致，測(cè)量期間海況條件明顯惡劣，瞬時(shí)風(fēng)速為8 m/s ～18 m/s，表層流速9 cm/s ～51 cm/s，有效波高為0.94 m ～2.9 m。

綜合比較測(cè)量數(shù)據(jù)，選取激勵(lì)最大、信號(hào)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段，采用基于模型定階和信號(hào)消噪的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA方法)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果見表4。

表4 基于第二次實(shí)測(cè)的ERA模態(tài)識(shí)別結(jié)果

3.2 基于振動(dòng)檢測(cè)的模型修正

平湖DPP平臺(tái)以往采用的評(píng)估模型是在詳細(xì)設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上考慮了平臺(tái)服役期間的歷次改造和歷年的無損檢測(cè)結(jié)果。由于設(shè)計(jì)的保守性和無損檢測(cè)的一些缺陷造成原先的評(píng)估模型和實(shí)際平臺(tái)現(xiàn)狀有一定的差距，可靠性較低，該文依據(jù)2011年評(píng)估模型并基于實(shí)測(cè)模態(tài)信息進(jìn)行模型修正。結(jié)合兩次實(shí)測(cè)，在2011年模型基礎(chǔ)上對(duì)模型質(zhì)量和P-y曲線(剛度)進(jìn)行修正，以實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)為依據(jù)，通過參數(shù)的調(diào)整使得所修正模型和實(shí)際模態(tài)的振型相關(guān)性達(dá)到0.98以上，可認(rèn)為修正模型已與實(shí)際平臺(tái)動(dòng)力特性基本一致。表5列出詳細(xì)設(shè)計(jì)、2011年評(píng)估模型及該文兩次實(shí)測(cè)的頻率。由表5可以看出，詳細(xì)設(shè)計(jì)和2011年版模型的各階頻率均小于實(shí)測(cè)值。這主要是設(shè)計(jì)考慮的平臺(tái)質(zhì)量比實(shí)際偏大，因而造成計(jì)算頻率偏小。

對(duì)兩次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前三階的固有頻率變化均在2.5%以內(nèi)，也說明兩次實(shí)測(cè)之間平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體未出現(xiàn)明顯變化。

表5 模型修正前后平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有頻率比較

4 結(jié)論

(1) 首次將無線結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的三維、高精度、同步測(cè)量。與常規(guī)有線測(cè)量技術(shù)相比，該方法避免了大規(guī)模布置電纜、輔助設(shè)備應(yīng)用及系統(tǒng)集成調(diào)試的工作，縮短了工期，可用于異常情況或極端海況之后的快速巡檢和整體評(píng)估。

(2) 首次將基于模型定階與信號(hào)消噪的模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了工程應(yīng)用。該技術(shù)通過hankel矩陣秩估計(jì)法來合理確定識(shí)別模型的階次，并進(jìn)行信號(hào)消噪處理，最后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。通過模型定階和信號(hào)消噪，極大提高了模態(tài)參數(shù)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確性，消除了虛假模態(tài)對(duì)模型修正和損傷識(shí)別的影響，提高了海洋平臺(tái)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的實(shí)用性。

(3) 基于振動(dòng)實(shí)測(cè)模態(tài)識(shí)別結(jié)果對(duì)平臺(tái)估模型進(jìn)行了修正，使得修正后的有限元模型的動(dòng)力特性與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，為后續(xù)該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和完整性管理提供了基礎(chǔ)。

鑒于該文方法的可行性，可在新建平臺(tái)運(yùn)營(yíng)初期開展無線振動(dòng)檢測(cè)，建立結(jié)構(gòu)完整性管理的動(dòng)力基準(zhǔn)模型，為后期運(yùn)維提供參考。此方法可作為常規(guī)無損檢測(cè)的有益補(bǔ)充，納入到平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理計(jì)劃中。通過基于振動(dòng)檢測(cè)的損傷識(shí)別判斷水下結(jié)構(gòu)是否異常，可輔助制定和優(yōu)化水下NDT檢測(cè)，節(jié)省資源和費(fèi)用，對(duì)于通過結(jié)構(gòu)預(yù)評(píng)估制定檢測(cè)計(jì)劃的方案提供了一種補(bǔ)充手段。通過修正后的模型比理論模型更客觀，可在修正模型的基礎(chǔ)上根據(jù)常規(guī)無損檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。利用修正的評(píng)估模型，還可以在平臺(tái)升級(jí)改造評(píng)估、延壽評(píng)估中提供更有參考價(jià)值的結(jié)論，同時(shí)，對(duì)年檢和特檢計(jì)劃的制定以及清除海生物作業(yè)具有重要的指導(dǎo)作用。

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An Application of Wireless Vibration Test and Structural Damage Detection to Offshore Platform

GUAN Yao-hua1, ZHOU Lei2, ZHONG Hua1, WANG Wei-wei2, WANG Shu-qing3

(1. CNOOC (China) Co., Ltd， Shanghai Branch, Shanghai 201648， China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300452, China; 3. College of Engineering, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China)

This paper presents the first engineering application of wireless vibration test and structural damage detection to the structural integrity management (SIM) engineering practice of a platform in East China Sea. Base on the measured data of vibration test, the structural modal detection and structural modal updating have been utilized to achieve a fast structural safety prediction for offshore fixed platform. The engineering case showed in this paper demonstrates the feasibility and reliability of the presented method. It creates a sort of possibility of using wireless vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structure. The presented method can be regarded as a useful supplement to the traditional NDT method and it has brilliant application future in structure life-extension and NDT scheme optimization.

vibration test; modal parameter identification； damage detection; structural integrity management

2016-04-25

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51379196)。

官耀華(1958-)，男，高級(jí)工程師。

1001-4500(2016)05-0027-07

P75

A