4樁腿平臺振動測試及焊縫裂紋產生原因分析

□ 徐菖松 □ 蔣 超 □ 石坤舉 □ 張宏利

上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072

海上平臺是海上石油開采的重大基礎性設施，其投資占海洋石油開采成本的70%左右[1-3]。由于長期處于惡劣的自然環境中，使海洋平臺主結構隨著時間推移出現焊縫裂紋、腐蝕、海洋生物附著等現象，從而導致承載力下降[4]。一旦發生事故，不僅會帶來重大的經濟損失和人員傷亡，還會帶來不良的社會影響，所以，對其進行結構安全性檢測評估顯得尤為重要[5]。目前，現場對平臺結構檢測主要是磁粉檢測和超聲檢測等局部缺陷檢測方法，此類方法具有不損傷檢測部件、檢測準確等優點，因而成為評估的常用方法。但是海洋平臺屬于大型復雜結構，局部缺陷檢測方法耗費時間較長，且難以發現其整體的結構信息。

采用振動檢測方法能夠較好地解決上述問題。將采集到的振動信號用時域及頻域進行分析，發現平臺結構的整體振動信息，對于尋找缺陷產生原因、發現異常區域和后續的模態分析具有一定的指導意義。筆者對某4樁腿平臺進行了同步振動監測，采用時域、頻域分析方法，分析推斷出了平臺焊縫裂紋反復出現的原因。

1 振動測試

1.1 主要儀器設備

振動信號采集設備包括速度傳感器、動態信號采集器、振動信號處理軟件等，具體設備信息、型號及其使用量見表1。

1.2 測點布置

平臺的位置結構如圖1和圖2所示。選取平臺的西向為傳感器的X方向，平臺的北向為傳感器的Y方向，垂直向上是Z方向（圖1和圖2），測點按照由上到下依次編號。

表1 設備清單

（1）吊機將軍柱測點布置。分別在平臺的關鍵部位上選取測點，即在吊機將軍柱、樁腿及平臺上甲板主梁處布置傳感器。

吊機將軍柱局部測點具體傳感器布置情況如下。

①測點1：吊機將軍柱轉臺齒輪下位置；

②測點2：吊機將軍柱上甲板以上4.50 m二層小平臺以下部位；

③測點3：吊機將軍柱上甲板以上3.80 m部位；

④測點4：吊機將軍柱上甲板以上2.80 m部位；

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

⑤測點5：吊機將軍柱上甲板以上1.40 m部位；

⑥ 測點6：EL （+）24 800下甲板吊機基座加強板以上0.4 m處。

傳感器布置情況如圖3所示。

（2）平臺樁腿測點布置。在平臺4根樁腿上共布置8個測點，具體如下。

① 樁腿測點 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 樁腿測點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 樁腿測點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 樁腿測點 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 樁腿測點 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 樁腿測點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 樁腿測點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 平臺位置結構主視圖

▲圖2 平臺位置結構左視圖

▲圖3 將軍柱6測點振動分布位置圖

▲圖4 平臺4根樁腿振動測點分布位置圖

▲圖5 平臺主梁振動測點分布位置圖

⑧ 樁腿測點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。每個測點分別布置X、Y 2個傳感器，共16個傳感器。

具體布置位置如圖4所示。

（3）主梁測點布置。在上甲板主梁上共布置2個測點，具體測點如下。

①測點1：B1樁腿與上甲板連接處的主梁上；

②測點2：A1樁腿與上甲板連接的主梁上。

主梁上總共布置4個傳感器，具體如圖5所示。

2 焊縫裂紋產生原因分析

對測試得到的信號進行時域和頻域分析后，發現平臺振動主要呈現如下特點：在時域中，平臺Y方向振動幅值高于X方向；在頻域中，0.78 Hz高頻成分在焊縫裂紋出現處，幅值較大。

2.1 平臺Y方向振動幅值高于X方向

選取吊機將軍柱振動幅值明顯加劇的吊臂抬起、加載、卸載三種工況下的振動數據，統計其時域信號的最大振動情況，其結果如圖6、圖7和圖8所示。綜合分析這3種工況下平臺Y方向振動最大幅值高于X方向振動最大幅值這一現象。

在任意工況下，出現平臺Y方向振動速度最大幅值高于X方向振動速度最大幅值現象，可以推測平臺Y方向振動使平臺主結構連接處受到的交變應力強于平臺X方向的交變應力，因此，在Y方向上，更容易使平臺的主結構疲勞，出現裂紋現象。近兩年通過對平臺焊縫超聲檢測發現，在吊機將軍柱 主 要 焊 縫 、A1、B1 樁腿與主梁連接焊縫的Y方向上發現了較多的裂紋，這一結果可能與Y方向振動速度高于X方向振動速度有關。

▲圖6 自然工況和吊臂抬起工況下4根樁腿振動速度最大幅值

▲圖8 自然工況和吊機卸載工況下4根樁腿振動速度最大幅值

平臺出現Y方向振動最大幅值高于X方向振動最大幅值現象，其主要原因在于：①平臺Y方向的剛度小于X方向的剛度；②由于平臺的長度方向為X方向，其Y方向承受的風載較X方向大。

▲圖9 吊機靜止X方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖10 吊機靜止Y方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖7 自然工況和吊機加載工況下4根樁腿振動速度最大幅值

2.2 0.78 Hz頻率長期存在對吊機及主梁焊縫影響

圖9到圖16是吊機典型工況下，0.78 Hz頻率成分的功率譜幅值分布情況。可以看出，平臺上存在0.78 Hz的振動頻率，并且吊機將軍柱上其主要振動能量在X方向，A1、B1樁腿與主梁連接處測點其主要振動能量在Y方向，這種振動作用的長期存在會對平臺主梁焊縫造成較大影響。

通過對以上吊機工作過程中的吊機將軍柱及平臺主梁振動情況進行綜合分析，可以得出，當吊機在平臺X方向進行非平穩旋轉時，0.78 Hz左右頻率成分的振幅會對平臺主梁結構造成較大的沖擊，尤其是吊機在X方向變速旋轉時刻，主梁測點Y方向的振動能量會有非常大的增加。因此，在這種瞬態撞擊作用下，吊機將軍柱及A1、B1樁腿之間的主梁會產生過大應力及形變，導致結構發生焊縫開裂等現象。同時，多次重復的沖擊載荷也易使平臺結構發生動態疲勞，造成A1、B1樁腿之間主梁焊縫的破壞。

▲圖11 吊機放置物體過程X方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖12 吊機放置物體過程Y方向0.78 Hz功率譜幅值

▲圖13 吊機變速旋轉到平臺X方向X方向0.78 Hz功率譜

▲圖15 吊機變速旋轉到平臺Y方向X方向0.78 Hz功率譜

▲圖16 吊機變速旋轉到平臺Y方向X方向0.78 Hz功率譜

對比吊機在靜止和各種工況下，吊機將軍柱根部測點6與同側A2、B2兩根樁腿測點3、4的X方向傳感器0.78 Hz振動能量可知：吊機將軍柱根部X方向0.78 Hz頻率的振動能量在所有狀況下都會偏大。因此，吊機將軍柱根部會長期承受更多的沖擊能量，容易在吊機將軍柱根部出現焊縫裂紋。

3 結論

通過對吊機將軍柱、平臺4根樁腿及上甲板主梁上共18個關鍵部位測得的振動數據進行分析，得出如下結論。

（1）平臺整體振動Y方向幅值高于X方向，因此，Y方向更容易出現焊縫裂紋。

（2）吊機將軍柱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，并且振動能量較大，導致以上3處更容易出現焊縫裂紋，這與現場超聲波探傷檢測以上部位多次出現焊縫裂紋的結果一致。

[1]林近山，趙東，王均剛，等.W12-1海洋平臺振動測試及振源分析[J].濟南大學學報（自然科學版）， 2006，20（1）：70-74.

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