葛揚(yáng)志

(中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200030)

海洋平臺(tái)是海上石油開采的重大基礎(chǔ)性設(shè)施，長期服役在風(fēng)浪載荷、環(huán)境腐蝕、海洋生物附著等多種因素的交互作用下[1]。隨著平臺(tái)服役時(shí)間的延長，平臺(tái)主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位或低疲勞壽命部位將會(huì)出現(xiàn)裂紋損傷，影響平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。因此，對海洋平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性檢測評(píng)估顯得尤為重要[2-4]。

振動(dòng)檢測方法是一種無損檢測方法，主要利用實(shí)測結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)振動(dòng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別方法判斷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化，得到結(jié)構(gòu)損傷的診斷結(jié)論，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的目標(biāo)[5]。由于振動(dòng)檢測實(shí)施過程不會(huì)影響平臺(tái)其他生產(chǎn)設(shè)備的正常工作，且可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、在線的主結(jié)構(gòu)損傷情況監(jiān)測需求，因此振動(dòng)檢測方法在海洋平臺(tái)安全評(píng)估研究中獲得了廣泛應(yīng)用[6-8]。

基于上述分析，本文以某采油平臺(tái)的振動(dòng)檢測分析為例，分析某采油平臺(tái)的實(shí)測振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)，從時(shí)域和頻域的角度探索平臺(tái)上甲板主梁及將軍柱焊縫裂紋出現(xiàn)的原因，提出了消除平臺(tái)焊縫裂紋的方法。

1 振動(dòng)測試的方案

1.1 主要測試儀器和檢測原理

振動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備包括磁電式振動(dòng)速度傳感器、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)、振動(dòng)分析軟件等[9]。其中，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集器采用32通道，型號(hào)為TST5910，連續(xù)采樣頻率為1 000Hz；磁電式振動(dòng)速度傳感器的型號(hào)為DH610H/V。

該采油平臺(tái)的檢測原理：先綜合分析平臺(tái)的整個(gè)結(jié)構(gòu)，再選擇平臺(tái)上合適的位點(diǎn)進(jìn)行傳感器的布置，從而進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，然后通過分析軟件進(jìn)行分析，最后根據(jù)分析結(jié)果對平臺(tái)作出評(píng)估結(jié)論并提出相應(yīng)建議。此檢測原理的流程如圖1所示。

圖1 某采油平臺(tái)振動(dòng)檢測原理

1.2 測點(diǎn)布置

某采油平臺(tái)是一個(gè)四樁腿導(dǎo)管架井口平臺(tái)，主要由4根樁腿和3層甲板組成的上部模塊及1臺(tái)將軍柱吊機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示[9]。

分別在平臺(tái)的吊機(jī)將軍柱、4根樁腿及上甲板主梁上布置振動(dòng)測點(diǎn)。其中，將軍柱共布置5個(gè)測點(diǎn)，如圖3所示；4根樁腿共布置8個(gè)測點(diǎn)，如圖4所示；上甲板主梁共布置2個(gè)測點(diǎn)，如圖5所示。

1.3 激振方式

1)自然環(huán)境激勵(lì)下吊機(jī)及平臺(tái)同步振動(dòng)測試。在自然工況下分別對吊機(jī)將軍柱、4根樁腿及上甲板主梁進(jìn)行同步振動(dòng)測試。

圖2 某采油平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 將軍柱振動(dòng)測點(diǎn)分布情況

圖4 平臺(tái)4根樁腿振動(dòng)測點(diǎn)分布情況

圖5 平臺(tái)主梁振動(dòng)測點(diǎn)分布情況

2)吊機(jī)工作環(huán)境激勵(lì)下吊機(jī)及平臺(tái)同步振動(dòng)測試。在吊臂抬起、吊臂回轉(zhuǎn)、吊機(jī)加載和吊機(jī)卸載這4種典型工況下分別對吊機(jī)將軍柱、4根樁腿及上甲板主梁進(jìn)行同步振動(dòng)測試。

2 自然工況及吊機(jī)工作工況下振動(dòng)信號(hào)分析

為了探索上甲板主梁及將軍柱焊縫裂紋反復(fù)出現(xiàn)的原因，本節(jié)分別從時(shí)域分析和頻域分析的角度，對自然工況和吊機(jī)工作工況下的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析[9]。

對于上甲板主梁的焊縫裂紋，重點(diǎn)分析下甲板4根樁腿和上甲板主梁的6個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)；對于將軍柱的焊縫裂紋，重點(diǎn)分析吊機(jī)將軍柱的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

2.1 時(shí)域分析

在自然工況下，對下甲板4根樁腿及上甲板主梁的6個(gè)測點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，計(jì)算6個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)的均方根值，見表1。

表1 樁腿及主梁6個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)均方根值

由表1可知，下甲板4根樁腿及上甲板主梁的6個(gè)測點(diǎn)在X方向和Y方向的最大速度響應(yīng)均方根值分別為0.93mm/s和1.12mm/s，遠(yuǎn)小于《ISO 6954:2000》標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)嚴(yán)重振動(dòng)下限值4mm/s，且平臺(tái)Y方向振動(dòng)幅值均高于X方向振動(dòng)幅值。

在自然工況下，對吊機(jī)將軍柱上的5個(gè)測點(diǎn)采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行去均值處理，計(jì)算這5個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)均方根值，見表2。

表2 吊機(jī)將軍柱5個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)均方根值

由表2可知，吊機(jī)將軍柱5個(gè)測點(diǎn)在X方向和Y方向的最大速度響應(yīng)均方根值分別為1.08mm/s和1.50mm/s，遠(yuǎn)小于《ISO 6954:2000》標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)嚴(yán)重振動(dòng)下限值4mm/s。

2.2 頻域分析

在自然工況下，對下甲板4根樁腿及上甲板主梁的6個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，得到其X方向和Y方向的功率譜圖，如圖6所示。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)：

1)X方向振動(dòng)情況在頻域方面具有較好的一致性，各測點(diǎn)X方向固有頻率值均為0.58Hz；

2)Y方向振動(dòng)情況在頻域方面出現(xiàn)不一致性情況，B1、A1兩根樁腿和主梁的固有頻率分別為0.54Hz和0.78Hz；而B2、A2兩根樁腿的固有頻率為0.54Hz。

由于在吊臂抬起、吊臂回轉(zhuǎn)、吊機(jī)加載和吊機(jī)卸載這4種典型工況中，吊機(jī)加載工況的振動(dòng)幅值變化最大，所以本節(jié)重點(diǎn)選取吊機(jī)加載工況下測點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖6 下甲板樁腿及主梁6個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)功率譜圖

在吊機(jī)加載工況下，對吊機(jī)及平臺(tái)的8個(gè)主要測點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，得到其X方向和Y方向的功率譜圖如圖7所示。經(jīng)分析可以發(fā)現(xiàn)：

1)X方向吊機(jī)及平臺(tái)均被激勵(lì)起0.58Hz和0.78Hz的頻率成分；

2)Y方向吊機(jī)及平臺(tái)整體均被激勵(lì)出0.54Hz的頻率成分，而在主梁的兩個(gè)測點(diǎn)上，0.78Hz的高頻成分對應(yīng)的能量較大。

圖7 吊機(jī)加載工況部分測點(diǎn)的振動(dòng)功率譜圖

3 焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析

通過對平臺(tái)現(xiàn)場情況的了解，某采油平臺(tái)的焊縫裂紋主要集中于3處：吊機(jī)將軍柱上甲板以上第二道焊縫處，下甲板吊機(jī)將軍柱根部焊縫處，以及A1、B1樁腿與上甲板主梁連接焊縫處。

為了對吊機(jī)將軍柱在上甲板以上部位的焊縫裂紋進(jìn)一步細(xì)化定位和找出裂紋反復(fù)的原因，在后續(xù)的測試中對此部分將軍柱增加了2個(gè)測點(diǎn)，所以除吊機(jī)測點(diǎn)0之外將軍柱上現(xiàn)共有6個(gè)測點(diǎn)。因限于篇幅，第2節(jié)的時(shí)域分析和頻域分析僅重點(diǎn)分析了部分測試數(shù)據(jù)，而在分析了所有測試數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)該平臺(tái)主要存在以下3個(gè)方面的問題：1)平臺(tái)Y方向存在振動(dòng)偏大現(xiàn)象；2)0.78Hz固有振動(dòng)頻率長期存在，對將軍柱和A1、B1樁腿振動(dòng)影響較大；3)吊機(jī)工作狀況下會(huì)產(chǎn)生0.93Hz、1.13Hz的高階振動(dòng)頻率。

3.1 平臺(tái)Y方向的振動(dòng)幅值高于X方向的振動(dòng)幅值

選取將軍柱振動(dòng)幅值明顯加劇的吊臂抬起、吊機(jī)加載、吊機(jī)卸載3種吊機(jī)工作狀況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出4根樁腿的8個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)速度響應(yīng)最大值，并將其與自然工況下振動(dòng)速度的最大幅值進(jìn)行對比，繪制柱狀圖如圖8所示。由圖8可以看出，在這4種工況下平臺(tái)振動(dòng)均存在著Y方向振動(dòng)速度幅值高于X方向振動(dòng)速度幅值的現(xiàn)象。

從這種現(xiàn)象可以推測出，平臺(tái)在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)力大于平臺(tái)在X方向振動(dòng)帶來的交變應(yīng)力，因此平臺(tái)在Y方向的振動(dòng)更容易導(dǎo)致其主結(jié)構(gòu)的疲勞，使焊縫出現(xiàn)裂紋。

近兩年通過對該采油平臺(tái)焊縫超聲檢測發(fā)現(xiàn)，在將軍柱主要焊縫和A1、B1樁腿與上甲板主梁連接焊縫的Y方向上發(fā)現(xiàn)了較多裂紋，這一結(jié)果與平臺(tái)Y方向振動(dòng)速度高于X方向振動(dòng)速度有關(guān)[9]。

圖8 自然工況和吊機(jī)各工況下4根樁腿振動(dòng)最大幅值

平臺(tái)出現(xiàn)Y方向振動(dòng)幅值高于X方向振動(dòng)幅值的現(xiàn)象，其主要原因在于[9]:1)平臺(tái)Y方向的剛度小于X方向的剛度；2)平臺(tái)Y方向承受的風(fēng)載較X方向大。

3.2 0.78Hz頻率對吊機(jī)及主梁焊縫的影響分析

選取吊機(jī)靜止、吊機(jī)放置、吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)X方向和吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)Y方向這4種不同工況下平臺(tái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，將各測點(diǎn)0.78Hz頻率的功率譜幅值進(jìn)行對比，繪制柱狀圖如圖9～12所示。

圖9 吊機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下0.78Hz的功率譜幅值

圖10 吊機(jī)放置工況下0.78Hz功率譜幅值

圖11 吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)X方向時(shí)0.78Hz功率譜幅值

從圖中可以看出，該海洋平臺(tái)存在0.78Hz這一固有振動(dòng)頻率，并且在吊機(jī)將軍柱上該頻率振動(dòng)能量主要集中于X方向，在A1、B1樁腿與上甲板主梁連接處該頻率主要振動(dòng)能量集中于Y方向。

圖12 吊機(jī)變速旋轉(zhuǎn)到平臺(tái)Y方向時(shí)0.78Hz功率譜幅值

通過對上述4種工況下吊機(jī)將軍柱和平臺(tái)主梁的振動(dòng)情況進(jìn)行綜合分析，可以得出該吊機(jī)在平臺(tái)X方向進(jìn)行變速旋轉(zhuǎn)時(shí)，0.78Hz頻率成分的振幅會(huì)對平臺(tái)主梁結(jié)構(gòu)造成較大沖擊，尤其是吊機(jī)在X方向變速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主梁測點(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)沖擊作用下，吊機(jī)將軍柱和A1、B1樁腿之間的主梁會(huì)產(chǎn)生過大應(yīng)力及形變，并導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生焊縫開裂等現(xiàn)象。同時(shí)，多次重復(fù)性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疲勞破壞。

對比吊機(jī)靜止及各種工況下的吊機(jī)將軍柱根部測點(diǎn)6與同側(cè)A2、B2兩根樁腿測點(diǎn)3和4在X方向上的0.78Hz振動(dòng)能量可知：吊機(jī)將軍柱根部X方向0.78Hz頻率的振動(dòng)能量在所有狀況下都偏大。因此，將軍柱根部會(huì)長期承受更多的沖擊能量，容易在將軍柱根部出現(xiàn)焊縫裂紋[9-10]。

3.3 高頻成分對吊機(jī)將軍柱焊縫裂紋的影響

在吊機(jī)工作工況下，將軍柱往往被激勵(lì)出0.93Hz和1.13Hz的振動(dòng)頻率，為分析其對吊機(jī)將軍柱焊縫的影響，實(shí)際中在5種不同工況下對吊機(jī)將軍柱與平臺(tái)各測點(diǎn)進(jìn)行了振動(dòng)幅值分析和這兩種頻率的振動(dòng)能量變化分析，即吊臂抬起工況、吊機(jī)加載工況、吊臂空載低速回轉(zhuǎn)工況、吊臂空載變速回轉(zhuǎn)工況(X方向存在沖擊)和吊臂空載變速回轉(zhuǎn)工況(Y方向存在沖擊)。各工況下的分析過程相似，故重點(diǎn)以吊臂抬起工況為例進(jìn)行論述。

在吊臂抬起工況下，吊機(jī)將軍柱與平臺(tái)各測點(diǎn)在X方向的振動(dòng)幅值曲線如圖13(a)所示，將軍柱測點(diǎn)1的振幅達(dá)到19.18mm/s，并且將軍柱測點(diǎn)5較測點(diǎn)1的振幅大幅下降(下降14.4mm/s)，將軍柱測點(diǎn)6則較測點(diǎn)5的振幅有小幅下降(下降0.91mm/s)，其余平臺(tái)各測點(diǎn)的振幅差別不大，大約在3mm/s左右波動(dòng)。

在Y方向的振動(dòng)幅值曲線如圖13(b)所示。從圖中可以看出，吊機(jī)將軍柱上各測點(diǎn)的振幅總體上呈現(xiàn)出從上至下依次遞減的趨勢，將軍柱測點(diǎn)2,3,4的振幅近似相等。

圖13 吊臂抬起時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)幅值變化曲線

對吊機(jī)吊臂抬起過程中吊機(jī)將軍柱及平臺(tái)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，并將各測點(diǎn)0.93Hz頻率的振動(dòng)能量作曲線對比。

吊機(jī)X方向0.93Hz頻率的振動(dòng)能量曲線如圖14(a)所示，從圖中可以看出，在吊機(jī)吊臂抬起過程中，除將軍柱測點(diǎn)1能量較高(對應(yīng)的功率譜密度幅值為19.23(mm/s)2/Hz)外，其余測點(diǎn)的振動(dòng)能量都接近于0，且能看出將軍柱測點(diǎn)6的振動(dòng)能量和下甲板測點(diǎn)的振動(dòng)能量都大于測點(diǎn)5。

吊機(jī)吊臂抬起過程中Y方向0.93Hz頻率的振動(dòng)能量曲線如圖14(b)所示。其中A1、B1樁腿測點(diǎn)及主梁測點(diǎn)的能量較大，其余各測點(diǎn)的能量很小(對應(yīng)的功率譜密度幅值小于0.1(mm/s)2/Hz)。

圖14 吊臂抬起時(shí)各測點(diǎn)在0.93Hz處振動(dòng)能量變化曲線

通過先前頻域分析階段對吊臂抬起工況的功率譜分析得知，在所有測點(diǎn)X,Y方向的功率譜圖中，1.13Hz都不是極值點(diǎn)，因此在吊臂抬起工況下平臺(tái)的主要振動(dòng)頻率中不包含該頻率成分。

在分析吊臂抬起工況后，實(shí)際測試中按照同樣的方法，分析了另外4種工況下的振動(dòng)幅值和振動(dòng)能量的變化曲線，分析過程相似,不再一一贅述。通過對吊機(jī)各種工況下0.93Hz及1.13Hz頻率的綜合分析，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)?shù)鯔C(jī)非平穩(wěn)工作時(shí)，將軍柱測點(diǎn)1的振幅大幅增加，除平臺(tái)固有頻率成分0.58Hz和0.78Hz以外，吊機(jī)將軍柱新增了主要振動(dòng)頻率0.93Hz與1.13Hz，并且這些頻率的能量在將軍柱測點(diǎn)1至測點(diǎn)2大幅衰減，而將軍柱測點(diǎn)2,3,4的能量變化不大，甚至保持一致，在測點(diǎn)4與測點(diǎn)5之間能量又有所下降。因此，可以推測將軍柱測點(diǎn)2以上部位的焊縫以及測點(diǎn)5以上部位的焊縫受到了0.93Hz與1.13Hz振動(dòng)能量的影響，因而容易造成焊縫疲勞裂紋。

2)通過振動(dòng)測試獲得的所有振幅變化曲線和0.93Hz與1.13Hz的振動(dòng)能量變化曲線中可以得知，將軍柱測點(diǎn)6與下甲板測點(diǎn)的振幅與能量通常大于測點(diǎn)5，這與將軍柱上其余測點(diǎn)自上而下振幅與能量減小的趨勢相反。雖然0.93Hz與1.13Hz的能量在此處已經(jīng)衰減得較弱，但由于高頻振動(dòng)對焊縫的疲勞影響較大，因此這也是造成將軍柱根部與下甲板焊縫出現(xiàn)裂縫的原因之一。

4 結(jié)論與建議

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

1)平臺(tái)X方向振動(dòng)固有頻率為0.58Hz，Y方向振動(dòng)固有頻率為0.54Hz。

2)此海洋平臺(tái)整體振動(dòng)Y方向的振動(dòng)幅值高于X方向的振動(dòng)幅值，因此平臺(tái)在Y方向更容易出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象。

3)平臺(tái)在將軍柱X方向及A1、B1樁腿與上甲板主梁連接焊縫的Y方向存在0.78Hz高頻局部振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致以上3處更容易出現(xiàn)焊縫裂紋。這一結(jié)果與現(xiàn)場超聲波探傷檢測焊縫裂紋結(jié)果一致。

針對以上結(jié)論，建議平臺(tái)運(yùn)行過程中采取以下措施：

1)平臺(tái)上動(dòng)設(shè)備工作頻率需遠(yuǎn)離平臺(tái)振動(dòng)固有頻率0.58Hz及0.54Hz，避免引起平臺(tái)的共振現(xiàn)象。

2)針對0.78Hz頻率導(dǎo)致將軍柱和主梁產(chǎn)生焊縫裂紋的原因進(jìn)行查找，建議采用模態(tài)分析法對平臺(tái)整體振動(dòng)做進(jìn)一步分析，提出消除高階固有振動(dòng)措施。

3)建議對將軍柱整體進(jìn)行模態(tài)分析，針對將軍柱不同工作狀態(tài)下產(chǎn)生的振型進(jìn)行研究，結(jié)合0.93Hz和1.13Hz等高階頻率出現(xiàn)的特點(diǎn)，制定加強(qiáng)吊機(jī)將軍柱上甲板以上部位剛度的具體實(shí)施方案，以達(dá)到減小將軍柱振動(dòng)的目的。

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