振動(dòng)監(jiān)測(cè)在導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全保障方面的幾種應(yīng)用

王火平,王德洋,彭怡錦,王巍巍

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000; 2. 中海石油深海開(kāi)發(fā)有限公司,廣東 深圳 518000; 3. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300451; 4. 清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院,廣東 深圳 518000)

0 引 言

從20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)海上導(dǎo)管架平臺(tái)開(kāi)發(fā)以來(lái),我國(guó)海域存在超過(guò)3百座導(dǎo)管架平臺(tái),隨著時(shí)間推移這些平臺(tái)逐漸進(jìn)入后期,平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全保障問(wèn)題成為作業(yè)者的重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)一般會(huì)根據(jù)儲(chǔ)量、經(jīng)濟(jì)情況確定設(shè)計(jì)年限,但一般平臺(tái)的服役期都會(huì)超過(guò)原有的設(shè)計(jì)年限。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范,超期服役需要相應(yīng)的檢測(cè)、評(píng)估。由于導(dǎo)管架平臺(tái)永久固定于海上,檢測(cè)、評(píng)估都會(huì)有一定的盲點(diǎn),特別是深水導(dǎo)管架平臺(tái),由于檢測(cè)費(fèi)用昂貴,不可能做到全面的檢測(cè)評(píng)估。因此,平臺(tái)結(jié)構(gòu)的完整性管理規(guī)范都推薦進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)[1、 2],通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)整體安全情況進(jìn)行預(yù)警并指導(dǎo)評(píng)估。常規(guī)的振動(dòng)檢測(cè)處理技術(shù)不能直接用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理,本文通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用,介紹幾種適用于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)安全保障的振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用方法。

1 常見(jiàn)幾種平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用及處理方法

隨著振動(dòng)理論及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,利用振動(dòng)特性分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)成為一種重要手段。其中,模態(tài)分析是振動(dòng)工程理論的一個(gè)重要分支,是研究動(dòng)力特性的一種近代方法。通過(guò)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析可以得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)應(yīng)用。得到模態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為模態(tài)參數(shù)識(shí)別。對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用主要包括3方面:直接用于結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、損傷診斷和狀態(tài)檢測(cè)。過(guò)去的50年中,至少發(fā)展了一百種不同的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法。作為很多時(shí)域方法基礎(chǔ)的復(fù)指數(shù)法,是一種單輸入單輸出(SISO)方法,是從Prony方法發(fā)展而來(lái)的。后來(lái),該方法發(fā)展到最小二乘復(fù)指數(shù)法,可以同時(shí)處理多個(gè)脈沖響應(yīng),是一種單輸入多輸出(SIMO)的方法。在19世紀(jì)80年代早期,多輸入多輸出(MIMO)測(cè)試技術(shù)得到很好的發(fā)展,最小二乘法又發(fā)展到可以處理多參考點(diǎn)的情況,這種方法稱(chēng)為多參考點(diǎn)復(fù)指數(shù)法。1984年,NASA所屬的研究中心發(fā)展了一種特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA)法,該方法也是典型的MIMO方法,可用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前,ERA方法已成為土木工程領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)模態(tài)分析中非常重要的一個(gè)方法。另外一種常見(jiàn)測(cè)算法是隨機(jī)子空間算法(stochastic subspace identification algorithm,SSI)。SSI算法分為兩種:數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間算法(Data-Drive stochastic subspace identification algorithm,Data/SSI)和協(xié)方差驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間算法(Covariance-Driven stochastic subspace identification algorithm,Covariance/SSI)。由于SSI算法優(yōu)秀的性能,在橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別中得到了廣泛的應(yīng)用。該方法已經(jīng)運(yùn)用到了海上風(fēng)力機(jī)的模態(tài)識(shí)別中。根據(jù)以上情況,本文選定ERA方法和SSI算法作為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法[3]。

在工程應(yīng)用方面,20世紀(jì)60～80年代開(kāi)始有相當(dāng)多的研究機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)展針對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究和工程實(shí)踐[4],主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)和疲勞監(jiān)測(cè)。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別判斷,通過(guò)局部桿件充水、剛度變化造成局部結(jié)構(gòu)頻率變化識(shí)別,也可以通過(guò)整體動(dòng)力特性識(shí)別,來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究。同時(shí)代,有監(jiān)測(cè)公司針對(duì)具體的平臺(tái)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)固有頻率與結(jié)構(gòu)損傷之間聯(lián)系的相關(guān)研究,有意將該技術(shù)推向工程應(yīng)用。但由于實(shí)際工程需求和方法、技術(shù)的效果有一定差距,導(dǎo)致相關(guān)應(yīng)用不多。到90年代,開(kāi)始隨著深水浮式平臺(tái)的盛行,監(jiān)測(cè)逐漸轉(zhuǎn)向系泊、立管、鉆井等方面。對(duì)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)相對(duì)較少,主要應(yīng)用于3個(gè)方面[5～7]:基于監(jiān)測(cè)的診斷、預(yù)警;對(duì)于低冗余度平臺(tái),通過(guò)頻率監(jiān)測(cè)可以對(duì)安全進(jìn)行預(yù)警;通過(guò)平臺(tái)固有頻率變化直接預(yù)警。另外,也有將極限強(qiáng)度分析(儲(chǔ)備強(qiáng)度比RSR)結(jié)果與頻率聯(lián)系進(jìn)行預(yù)測(cè)的案例。另外一部分是通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理,經(jīng)過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別、損傷診斷來(lái)預(yù)警。針對(duì)特殊工況的監(jiān)測(cè),在平臺(tái)鉆井或浮托過(guò)程中對(duì)導(dǎo)管架進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

國(guó)內(nèi)外案例、規(guī)范都表明導(dǎo)管架平臺(tái)監(jiān)測(cè)是完整性管理的重要環(huán)節(jié),主要監(jiān)測(cè)目的包括實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和輔助評(píng)估。實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)包括通過(guò)基頻實(shí)時(shí)變化、位移變化結(jié)合波浪大小實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警。輔助評(píng)估包括通過(guò)基頻長(zhǎng)期測(cè)量?jī)?yōu)化模型后評(píng)估。

2 實(shí)時(shí)預(yù)警

2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警

基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)的預(yù)警一般包括兩種方式:基頻變化預(yù)警和位移變化預(yù)警。基于加速度監(jiān)測(cè)時(shí)域變化數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)處理可以得到實(shí)時(shí)的基頻變化和位移變化。在預(yù)警中閾值的選擇尤為重要,基頻變化預(yù)警的閾值可以以大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)設(shè)定。位移變化的閾值選擇辦法包括兩種,一是根據(jù)一年一遇設(shè)計(jì)海況計(jì)算測(cè)點(diǎn)位移作為預(yù)警值;二是預(yù)先計(jì)算出多個(gè)環(huán)境載荷作用下的位移值,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)時(shí)海況自動(dòng)選擇對(duì)應(yīng)的預(yù)警值[8、 9]。

2.2 基頻變化預(yù)警

2.2.1 預(yù)警閾值選擇

基于長(zhǎng)期的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分析對(duì)象可以是加速度信號(hào),也可以是頻域分析得到的模態(tài)、振型信息。用統(tǒng)計(jì)學(xué)辦法篩選數(shù)據(jù)為后續(xù)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。首先,收集大量的模態(tài)頻率值,進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,得到某一置信區(qū)間對(duì)應(yīng)的頻率值,替代百年一遇工況對(duì)應(yīng)的固有頻率,來(lái)修正模型進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)頻率的變化,判定結(jié)構(gòu)是否存在異常,這是結(jié)構(gòu)損傷判定最常用的方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,實(shí)測(cè)的頻率變化率超過(guò)2%,結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)異常。

2.2.2 短時(shí)傅里葉變換方法

振動(dòng)信號(hào)處理中常用傅里葉變換實(shí)現(xiàn)時(shí)頻轉(zhuǎn)換,但振動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警需要實(shí)現(xiàn)視頻聯(lián)合分布。最常見(jiàn)的方法是采用短時(shí)傅里葉變換,給信號(hào)加上一個(gè)窗函數(shù),再進(jìn)行傅里葉變換,得到時(shí)間附件很短時(shí)間的局部譜;然后,窗函數(shù)根據(jù)時(shí)間的位置變化在整個(gè)時(shí)間軸上平移,得到任意位置附近的時(shí)間段頻譜。這樣就實(shí)現(xiàn)了時(shí)間-頻率分析。該分析需要固定一個(gè)窗函數(shù),這就限制了分辨率,也就是只能處理平穩(wěn)信號(hào),海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率基本上不變或者極其緩慢變化,因此適合于這種方法。

對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅氏變換,結(jié)果如圖1所示,0.45Hz處的能量成分基本上全時(shí)可見(jiàn);而0.7Hz處的能量成分則斷斷續(xù)續(xù),與數(shù)據(jù)的取時(shí)有關(guān)。其他頻率成分基本不可見(jiàn)。

圖1 短時(shí)傅里葉變換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.2.3 小波譜分析方法

對(duì)于分析和處理平穩(wěn)信號(hào),傅里葉分析具有良好的適用性。然而,現(xiàn)實(shí)中信號(hào)大都以非平穩(wěn)形式出現(xiàn),為了分析和處理該類(lèi)信號(hào),人們加以改進(jìn),提出并發(fā)展了一系列全新的信號(hào)分析理論,其中,最為典型的是小波分析方法。小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間-尺度或時(shí)間-頻率的分析方法,即在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行離散變換,在頻域進(jìn)行譜分析的方法。它具有高分辨率的特點(diǎn),且在時(shí)域、頻域都具有表征信號(hào)局部特征的能力。在低頻部分,它具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率;在高頻部分,具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率,特別適合于探測(cè)正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象,故被譽(yù)為分析信號(hào)的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。

圖2所示是對(duì)上節(jié)信號(hào)的小波譜分析的結(jié)果,可以明顯看到,該信號(hào)中主要包含兩階頻率成分,識(shí)別結(jié)果比短時(shí)傅里葉編號(hào)效果更好,在實(shí)測(cè)中效果更好。

圖2 小波分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.3 位移預(yù)警

1. 位移值的獲取

一般結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)選取加速度傳感器,而平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警的最直接的判斷條件是位移,因此,需要將加速度轉(zhuǎn)換為位移。一般通過(guò)將加速度兩次積分的方法獲取位移,可以采用時(shí)域積分或者頻域積分方法。當(dāng)信號(hào)中包含多個(gè)頻域信息時(shí),兩種方法都不可避免遇到二次趨勢(shì)問(wèn)題。這里推薦分別提取前兩階主頻對(duì)應(yīng)的加速度信號(hào),應(yīng)用濾波方法去掉噪聲,在頻域上分別積分,積分狗疊加后獲取相對(duì)真實(shí)的位移。

在東海DPP平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理,如圖3和圖4所示。該平臺(tái)的前兩階結(jié)構(gòu)頻率分別是0.41957Hz和0.5312Hz,分別對(duì)兩階信號(hào)分別積分處理,得到最大位移0.0035428m。重構(gòu)后的加速度信息跟原信號(hào)基本重合,可以推測(cè)該位移可信,可用于預(yù)警。

2. 位移閾值的獲取

在我國(guó)東海或南海海域?qū)Ч芗芷脚_(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,選取一年一遇的海洋環(huán)境條件作為操作工況的參數(shù),選取百年一遇的環(huán)境條件作為極端工況計(jì)算參數(shù)。采用這兩個(gè)環(huán)境參數(shù)得到測(cè)點(diǎn)位置的位移,該位移用于預(yù)警位移閾值。也可以用實(shí)測(cè)的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)作為預(yù)警閾值。表1是東海DPP平臺(tái)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),其中,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是半個(gè)月測(cè)量中的最大值,跟圖4的位移數(shù)值對(duì)應(yīng)。

表1 環(huán)境參數(shù)

從表中可以看出,無(wú)論是實(shí)際的操作工況或者極端工況,得到的位移值遠(yuǎn)大于實(shí)際的位移,用來(lái)作為預(yù)警閾值較為保守,采用實(shí)測(cè)值比較合適。但長(zhǎng)期看,可以通過(guò)長(zhǎng)期環(huán)境載荷和響應(yīng)對(duì)應(yīng)值的趨勢(shì)進(jìn)行智能診斷預(yù)警。

3 后評(píng)估

3.1 評(píng)估流程

振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)預(yù)警外,可以進(jìn)行基于振動(dòng)數(shù)據(jù)的后評(píng)估。后評(píng)估步驟分為:

(1) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理,包括模態(tài)分析、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,得到基于統(tǒng)計(jì)分析的頻率、振型等信息。

(2) 結(jié)合實(shí)際檢測(cè)、調(diào)研情況和模態(tài)分析結(jié)果,對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正,主要針對(duì)重量、導(dǎo)管架剛度、P-Y曲線等。

(3) 根據(jù)修正模型修正動(dòng)力響應(yīng)系數(shù),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果頻率一般會(huì)比實(shí)際計(jì)算大;根據(jù)實(shí)測(cè)頻率修正的模型,動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)一般會(huì)比原計(jì)算小。

(4) 利用修正的動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行具體分析(靜力分析、倒塌分析),結(jié)果一般會(huì)比原始的理想,因有實(shí)際測(cè)量支持結(jié)果也容易被各方接受。

(5) 采用修正的模型計(jì)算疲勞分析也可以得到更理想的結(jié)果,但由于疲勞分析規(guī)范有明確的模型,計(jì)算有明確的要求,因此該步更多的是輔助疲勞分析,指導(dǎo)檢測(cè)。

3.2 案例

對(duì)南海某導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行了5天的不間斷振動(dòng)測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況共布設(shè)5臺(tái)海洋平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)儀器,分別是非作業(yè)甲板3個(gè),底層甲板1個(gè),以及直升機(jī)甲板下生活區(qū)4層1個(gè),每臺(tái)儀器可測(cè)量3個(gè)方向的加速度,具體布置如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖6 長(zhǎng)時(shí)測(cè)量時(shí)域圖

其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)在水平方向全天測(cè)振數(shù)據(jù)。在無(wú)特殊海況的情況下,該平臺(tái)環(huán)境激勵(lì)振動(dòng)幅度比較微弱,水平XY方向振幅僅約為±0.2gal。

對(duì)單獨(dú)方向(X向和Y向)分別進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別,并對(duì)多天數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以看出X軸方向(平臺(tái)東西方向)上0.44Hz模態(tài)成分明顯,Y軸方向(平臺(tái)南北方向)上0.39Hz、 0.72Hz模態(tài)成分明顯,如圖7和圖8所示。

圖7 X分量識(shí)別結(jié)果

圖8 Y分量識(shí)別結(jié)果

原始分析前三階模態(tài)頻率分別為0.30、 0.33、 0.52,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量頻率分別為0.39、 0.44和0.72,經(jīng)過(guò)模型修正(修正包括活荷載、海生物、樁土文件等),得到更真實(shí)的模型頻率分別為0.39、 0.43、 0.70。

基于上面模型得到的動(dòng)力系數(shù)同原始比較見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力系數(shù)比較

根據(jù)修正的系數(shù)得到的RSR值與原始比較見(jiàn)表3。

表3 RSR值對(duì)比

4 結(jié) 論

通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別、小波變換、位移反推,以及基于模型修正后評(píng)估等方法,對(duì)老齡平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法可以更精確得到振型、阻尼等模態(tài)參數(shù)。由于效率較低更適合于振動(dòng)檢測(cè),長(zhǎng)期的振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以采用時(shí)域方法得到實(shí)時(shí)的頻率變化用于預(yù)警。通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn),可以通過(guò)位移反推的方法,對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行測(cè)量并預(yù)警。利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完成計(jì)算模型的修正進(jìn)而評(píng)估,可以得到更為理想的評(píng)估結(jié)果,是一種極限平臺(tái)結(jié)構(gòu)挖潛的有效手段。

由于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短,未形成長(zhǎng)期大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),后期的研究可以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)大量的數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù),研究監(jiān)測(cè)手段對(duì)平臺(tái)預(yù)警的影響。相信長(zhǎng)期大數(shù)據(jù)的積累也可以為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的智能診斷甚至是智能設(shè)計(jì)提供參考。