某海洋平臺吊機將軍柱的振動檢測及分析

王 炯，張宏利，任中元

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

海洋平臺是海上油氣資源開發的基礎性設施，其結構的安全性至關重要。海洋平臺長時間在惡劣的海洋環境中服役，受到環境侵蝕、材料老化的影響和海浪、臺風、海冰撞擊以及海洋生物等各種荷載的長期作用而使其產生疲勞效應和損傷積累，導致抗力衰減。海洋平臺抵抗自然災害及在正常環境中的工作能力下降，極端情況下極易引發災難性的突發事故。如不能對海洋平臺結構的工作狀態和健康狀況做出及時的檢測和正確的評價，一旦發生事故，將會造成重大的經濟損失和人員傷亡，并污染海洋環境，造成不好的社會政治影響。目前的常規做法是按照《海上固定平臺安全規則》的規定，對平臺結構執行年度檢測、定期檢測和臨時檢測[1-2]。

對海洋平臺的檢測具有檢測環境復雜、測試范圍廣等特點，采用振動檢測方法能夠較好地解決海洋平臺的檢測問題。將采集到的振動信號用時域及頻域進行分析，得到平臺結構的整體振動信息，對于尋找缺陷的產生原因、發現異常區域和后續的模態分析具有一定的指導意義。傳統振動檢測儀器由于傳感器與采集儀之間采用有線傳輸方式，應用在海洋平臺上的線纜總長度達數千米，存在現場布線難度大、人工成本高且線纜保護困難等缺點，尤其是測試系統的跨層布線更是難上加難。近年來，隨著無線傳感網絡技術的迅速發展，用無線通信代替有線傳輸在保證數據可靠傳輸的同時，具有無需布線、簡單方便等優點，實現了振動信息采集的低成本、便攜式、快速化[3-5]。

本文采用振動速度傳感器來檢測海洋平臺，以不同工況下海洋平臺35t吊機將軍柱的振動檢測和分析為例，來說明對振動檢測數據的多角度分析過程，并驗證了無線傳感網絡檢測技術的有效性和可行性。

1 無線傳感器網絡的組成及檢測流程

本次檢測采用的設備是DH5907N型無線數據采集器和通信控制器、DH610H型磁電式振動速度傳感器以及型號為DHDAS和DH5909的動態信號采集分析系統。數據采集器為3通道，采樣頻率為1kHz，頻響范圍是0.17Hz～50.00Hz，振動速度傳感器的頻響范圍是0.17Hz～80.00Hz，數據采集器直接采集振動傳感器的檢測數據。如圖1所示，各振動傳感器通過數據采集器和通信控制器的無線連接組成了一個數據通信網絡，即無線傳感器網絡。數據采集器通過無線傳輸的方式將所采集的數據傳遞給通信控制器，再由通信控制器傳輸給計算機進行存儲和分析。

圖1 無線振動測試系統示意圖

對海洋平臺的檢測，首先在對平臺主體結構進行綜合分析的基礎上選擇適當的振動檢測點，然后由布置在各個檢測點的振動傳感器和數據采集器進行平臺振動信號的采集，最后通過分析得到平臺狀態評估結果。如圖2所示，平臺測試流程有以下幾個步驟:1)振動傳感器的測點布置及安裝;2)振動信號采集;3)數據處理;4)平臺狀態評估[6]。

圖2 海洋平臺振動檢測流程

2 吊機將軍柱振動檢測方案

本文的平臺類型是四樁腿導管架結構的海洋平臺。它海面之上的部分主要包括4根樁腿和3層甲板(上甲板、下甲板和工作甲板)，除此之外還有貫穿于甲板之中的35t和15t 2根吊機將軍柱。本文即是以其中35t的吊機將軍柱為例來對振動檢測分析過程進行說明。本文默認以X方向表示東方，以Y方向表示南方，以Z方向表示海拔高度方向。該平臺的結構如圖3所示。

圖3 某海洋平臺上部模塊結構圖

2.1 振動測試的激勵方式

本次試驗要檢測吊機將軍柱在不同激勵方式下的振動響應，在測試中35t吊機將軍柱及平臺的激勵方式有兩種：

1)自然激勵。在吊機靜止狀態下，平臺按低階固有頻率進行振動，激勵主要為風力和海浪的作用。測試過程中，通過觀察平臺上部模塊4根立柱和35t吊機將軍柱在X及Y方向所產生的振動，來獲取平臺和吊機將軍柱的振動幅值與固有頻率。

2)人為激勵。在自然狀態下，雖然能夠激勵起平臺及吊機將軍柱的固有頻率振動，但所激勵起的振動階次較低。為了更充分地激勵起吊機將軍柱高階頻率的振動，采用吊機突然加載或卸載一定質量重物的方式，產生對平臺和吊機的階躍激勵。測試過程中，重點觀察相應工況下吊機主要工作的Y方向所產生的階躍響應，以此來獲取吊機將軍柱的振動幅值和固有頻率。

2.2 傳感器測量點布置

在35t吊機將軍柱上以分段形式間隔地設定測量點，每個測量位點布置一個Y方向的振動傳感器，共設4個測量點，如圖4所示。具體來說，35t吊機將軍柱上的4個測點分別位于：

1)測點E35t-1在將軍柱頂部平臺上部焊縫之上28cm處；

2)測點E35t-2在將軍柱二層平臺變徑位置上緣焊縫之上10cm處；

3)測點E35t-3在上甲板之上145cm處；

4)測點E35t-4在下甲板之上50cm處。

圖4 35t吊機將軍柱傳感器布置位點示意圖

3 振動檢測結果及分析

為準確、全面評估35t吊機將軍柱的健康狀況，采用多種振動信號分析方法分別對不同工況下的振動響應進行分析。工況分別為靜止工況(即自然激勵)和工作工況(即人為激勵)，其中工作工況又分為加載、旋轉、卸載3種典型工況。對不同工況下的激勵響應從時域、相關性和頻域3個不同角度進行計算、歸納與分析，從而得出吊機將軍柱的固有特性與評估結論。

3.1 從時域角度評估吊機將軍柱的狀態

時域角度主要是按將軍柱的振動幅值進行評估，采用的計算指標是振動速度響應的均方根值。首先進行去均值處理，然后分別計算每一次4個傳感器處振動響應的均方根值，最后與GB/T 7452—2007/ISO 6954:2000中給出的下限值進行比較，小于標準規定的值即為符合要求。經查，標準中規定的A級嚴重振動的下限值為4mm/s。靜止工況和工作工況下對吊機將軍柱振動幅值進行計算的數據結果見表1。

表1 振動速度響應均方根值 mm/s

由表1可知，靜止工況和工作工況下吊機將軍柱振動速度響應均方根值的最大值分別為0.48mm/s和0.58mm/s，均遠小于標準值4mm/s。也就是說振動幅值是正常的，將軍柱上不存在局部的損傷等異常狀況。這說明從時域角度未發現35t吊機將軍柱的狀態有明顯異常。

3.2 從相關性角度評估吊機將軍柱的狀態

相關性角度分析所采用的計算指標是相關系數。通過計算在Y方向上各傳感器所測得的信號波形兩兩之間的相關系數，即可判斷吊機將軍柱上4個檢測位點的振動同步性。如果平臺上存在局部的損傷，那就會破壞測點振動的同步性，使各測點的振動變得不一致。靜止工況和工作工況下對將軍柱上各測點振動響應的相關系數r進行計算的數據結果見表2和表3。

表2 靜止工況下各測點Y方向的相關系數表

相關系數r的取值范圍為[-1，1]，其值越接近±1，相關性越大；|r|≥0. 8 時為高度相關; 0. 3<|r|<0. 8時為中度相關；|r|≤0. 3時為低度相關[7]。

表3 工作工況下各測點Y方向的相關系數表

由表2可知，在靜止工況下吊機將軍柱每兩個測點振動響應的相關系數的最小值為0.91，即總的來看，各測點的振動都是高度相關的，即這4個測點的振動響應具有同步性。這說明在靜止工況下，吊機將軍柱上各測點的振動情況具有高度的一致性，因此吊機將軍柱上不存在局部損傷等異常狀況。

從表3可知，工作工況下E35t-2測點、E35t-3測點及E35t-4測點的相關系數大于0.9，各測點的振動為高度相關；而E35t-1測點與其他3點之間的相關系數均小于0.8，為中度相關，但是仍遠高于低度相關的水平。因此可知，E35t-2測點、E35t-3測點和E35t-4測點3處的振動響應具有同步性；測點E35t-1的振動響應與其他3處相關性相對較低，并且其值與兩測點的間距成負相關，該結果表明這不是由缺陷或損傷引起的，而是另有原因。經分析發現主要原因是：由于上甲板上的將軍柱屬于懸臂梁結構，振動約束條件少，自由度高，因此在吊機的激勵作用下，上甲板上的將軍柱除了保留平臺振動頻率外，還存在自身振動頻率，因此出現振動加劇；而上甲板下方的將軍柱，由于與平臺的3層甲板焊接在一起，振動受到約束，吊機工作激勵很快被平臺吸收，振動形式與平臺整體振動基本一致。因此，是由于振動約束不同的緣故導致了吊機在工作工況時出現了以上甲板為分界線的將軍柱振動情況不一致的現象。

綜上所述，各測點之間的相關性指標都是正常的，將軍柱上不存在局部的損傷等異常狀況。這說明從相關性角度未發現35t吊機將軍柱的狀態有明顯異常。

3.3 從頻域角度評估吊機將軍柱的狀態

頻域角度分析所選用的指標是固有頻率，在10次檢測結果中選取1次有代表性的數據進行頻譜分析。吊機靜止工況下的頻譜圖如圖5所示，吊機在工作工況(加載、旋轉、卸載)下的頻譜圖如圖6～圖8所示。

圖5 靜止工況下將軍柱Y向振動信號頻譜圖

由圖5可知，在靜止工況下吊機將軍柱上4個測點在同方向上的頻率成分相同，且Y方向的主要固有頻率成分為0.50Hz、0.30Hz、0.17Hz。在允許的誤差范圍內，這3個頻率成分與此前在靜止工況下測得的平臺固有頻率成分中的0.488Hz、0.342Hz、0.146Hz的頻率相同(這3個數據的獲取不在本文論述范圍之內)，為平臺固有振動頻率，即靜止工況下，吊機將軍柱各測點振動的固有頻率成分也體現出一致性，也就是說各測點的固有頻率指標都是正常的。

圖6 加載工況下將軍柱Y向振動信號頻譜圖

由圖6可知，在加載工況下吊機將軍柱各測點頻率成分除包含平臺固有頻率成分0.55Hz、0.31Hz之外，還包含有0.70Hz的頻率成分，此為將軍柱的固有頻率。

由圖7可知，在旋轉工況下吊機將軍柱各測點存在0.16Hz、0.47Hz的平臺固有頻率成分，此外還被激勵出0.70Hz、1.41 Hz、1.56 Hz及3.91 Hz的高頻振動頻率成分。由于在圖中從頂部測點往底部測點方向，這4個高階頻率成分對應的振幅依次衰減變小，因此這4個頻率成分也是將軍柱自身的固有頻率。

圖7 旋轉工況下將軍柱Y向振動信號頻譜圖

圖8 卸載工況下將軍柱Y向振動信號頻譜圖

由圖8可知，在卸載工況下吊機將軍柱各測點的頻率成分中既存在0.16Hz、0.47Hz的平臺固有頻率成分，也有被激勵出與旋轉工況相同的高階固有頻率成分0.70Hz、1.41Hz、1.56 Hz及3.91Hz，這些為將軍柱的固有頻率。

因此可以得出結論，在工作工況下，吊機將軍柱Y方向的振動為吊機激勵引起的將軍柱固有振動和平臺整體振動的疊加。

綜上所述，各測點的固有頻率指標都是正常的，將軍柱上不存在局部損傷等異常狀況。這說明從頻域角度未發現35t吊機將軍柱的狀態有明顯異常。

4 結束語

通過對35t吊機將軍柱的檢測和分析可知，該將軍柱上甲板以上部分的振動是由吊機激勵引起的將軍柱固有振動和平臺整體固有振動的疊加，上甲板以下部分的振動與平臺整體固有振動一致，并無異常。

時域角度的分析結果表明，吊機將軍柱的振動幅值正常，表現優良；相關性角度的分析結果表明，吊機將軍柱各測點振動情況的一致性和同步性在正常的限度之內；頻域角度的分析結果表明，吊機將軍柱各測點的主要頻率成分皆為平臺或自身的固有頻率，無異常頻率成分。說明該海洋平臺35t吊機將軍柱的各項振動檢測指標均是正常的，沒有出現由于個別部位的缺陷和損傷而產生的異常振動情況。檢測結果也驗證了無線傳感網絡檢測技術的有效性和可行性。