JZ20-2MUQ平臺初步損傷診斷和安全評估方法研究

顏昌德，陳祥余，周 雷，王巍巍，李記忠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

隨著現代科學技術的迅速發展， 現代空間結構如大型海洋平臺、高層建筑、大跨度橋梁正在向著大型化、復雜化方向發展。此類結構在一定的環境條件下產生損傷，損傷累積可能會導致結構的突發性失效，后果不堪設想[1-2]。目前，我國僅中國海洋石油公司就有近200座固定平臺，盡管固定平臺的設計壽命一般為20年，但由于油田生產的需要，絕大部分平臺在達到設計壽命后依然繼續服役。這就要求對目標平臺進行系統、充分和具體的健康檢測和損傷診斷，綜合評價平臺繼續服役的安全性和超期服役的可能性，因此對平臺的損傷診斷變得越來越重要[3]。

損傷診斷，特別是利用結構的振動響應和系統動態特性參數進行結構損傷診斷，近幾十年來成為國內外研究的熱點。其基本思想是:結構損傷時，認為僅結構的剛度降低，而忽略結構質量的變化，根據結構的模態參數 （如模態頻率、模態振型、模態阻尼等）改變量，確定損傷的位置與程度。由于固有頻率比較容易測量，而且可以達到很高的測量精度，在工程實際中可采用固有頻率檢測法判斷損傷的存在。目前，固有頻率檢測法正廣泛應用于海洋平臺健康檢測和損傷診斷中。本文針對JZ20-2MUQ平臺，根據其設計資料和歷年的檢測數據以及定量檢測的結果，對其進行初步的損傷評估。

JZ20-2MUQ為四腿導管架平臺，上部結構有底層甲板、下層甲板、主甲板、頂甲板，質量約1 400 t，所在海域年平均水深約15.5 m，平臺于1992年8月投產，生產年限20年，結構設計壽命20年。JZ20-2MUQ平臺固有頻率振動檢測的測點布置在導管架平臺下層甲板、主甲板與主樁腿連接的節點上，總計8個測點位置，如圖1所示。

圖1 傳感器布置方案

1 基于固有頻率的損傷檢測方法

基于固有頻率的變化進行損傷識別有很多方法[4-6]。損傷使結構質量和剛度減小，一般來說，結構質量變化較小，剛度變化較大，所以當損傷出現后，結構固有頻率降低，阻尼升高。因此，可以通過比較結構損傷發生前后固有頻率的變化來識別結構損傷。由于頻率比較容易測量，而且可以達到很高的測量精度，在識別工程結構的損傷時簡單易行。常用的檢測參數為頻率變化量與頻率之比以及任二階頻率變化量之比[7]。

頻率變化量與頻率之比為有損傷和無損傷時某一階頻率的差值與結構無損傷時頻率的比值，即：

式中 ωk——有損傷時結構的第k階頻率；

ωk0——無損傷時結構的第k階頻率。

另一個頻率檢測參數為任二階頻率變化量之比，第i階與第j階固有頻率變化比定義為：

式中 ωi、ωj——損傷結構的第i階和第j階固有頻率；

ωi0、ωj0——無損傷結構的第i階和第j階固有頻率。

當結構物的固有頻率出現較大的變化或者發生突變時，認為結構物可能出現了較大的損傷，則需要對結構進行進一步的檢測。

2 JZ20-2MUQ平臺詳細設計的固有頻率分析及歷年檢測數據

2.1 JZ20-2MUQ平臺詳細設計的固有頻率分析

根據 《JZ20-2MUQ平臺詳細設計報告》，應用專業軟件SACS對該平臺進行建模，計算模型的前6階頻率，如表1所示；圖2（a）～（b）給出了代表性的水平向振動和扭轉振動的振型。

表1 設計模型的前6階頻率

2.2 1994年振動測試結果

受渤海石油采油公司的委托，渤海石油海洋結構物檢測公司技術一室于1994年9月至10月用脈動法對JZ20-2MUQ平臺進行了結構動力特性測試。

根據測試數據分析得到前3階頻率如表2所示，相應的時域振動響應及自功率譜如圖3所示。

2.3 2011年測試數據

圖2 設計模型的計算振型示意

表2 前3階測試頻率

2011年， “基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”項目組對JZ20-2MUQ平臺進行了測試。測試的加速度傳感器為Model 4803A-0002型三向加速度傳感器，振動信號采集儀為德國Imc集成測控有限公司的CRONOS PL16-DCB8數據采集儀。本次測試采用環境振動 （即冰激勵）作為振動源。截取不同時段的數據進行模態識別，測試數據如圖4所示，模態識別結果如表3所示。

表3 各段數據模態識別的前5階頻率

2.4 2012年測試結果

圖3 1994年平臺測點的位移時程曲線和位移自功率譜曲線

圖4 2011年冰激振加速度—時程測試曲線

“基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”項目組于2012年再次對JZ20-2MUQ平臺進行了測試。測試的儀器為項目組自主研制的便攜式平臺結構振動檢測系統。本次測試采用環境振動 （即冰激勵）作為振動源，主要測試結構特征點的振動響應加速度，以對目標平臺的動力響應特性進行描述。在如圖5（a）～（d）所示的實測冰激振動數據中，取四段比較明顯的冰激振動過程。分別對每段的X、Y向數據進行分析，進行模態參數識別。

圖5 2012年冰激振加速度—時程測試曲線

分析以上數據，得各階頻率如表4所示。

表4 各段數據模態識別的前5階頻率

2.5 歷年檢測數據對比

利用頻率變化量與頻率之比對歷年檢測數據進行分析，由于詳細設計計算的模態數據和實際情況有一定的差距，僅作參考。1994年檢測數據的時間距離平臺建成使用的時間較短，可認為是無損傷時結構的頻率。2011年和2012年檢測數據的時間較接近，認為其頻率的算術平均值為有損傷時結構的頻率。歷年振動檢測數據如表5所示。

通過對JZ20-2MUQ平臺上部模塊進行調研，查找其改造和維修記錄，發現其上部模塊的質量變化較小。應用固有頻率的損傷檢測方法，以頻率變化量與頻率之比為參數，通過對檢測數據進行對比分析，可以得出如下結論：

表5 歷年振動檢測數據分析

（1）其頻率變化量與頻率之比的數值較小，幾乎沒有太大的變化，表明JZ20-2MUQ平臺的基頻相對穩定，其結構完整性沒有異常變化，沒有出現嚴重影響結構整體安全的損傷。

（2）其頻率出現了逐年遞減的趨勢，說明結構物的剛度出現了一定的減小?？赡苁怯捎谄凇⒏g或者材料的老化導致了結構物剛度發生了變化。

3 水下結構定量檢測數據

2012年5月30日至6月12日， “基于振動檢測的現役海洋平臺結構安全評估技術研究”項目組對JZ20-2MUQ平臺進行了水下結構定量檢測。

3.1 導管架桿件I類檢測

潛水員下水按照既定路線對桿件結構進行I類觀察，全程對水下檢測過程進行水下錄像。檢測任務完成后，將檢測的情況寫入第一手檢測報告。本次檢測完成了對JZ20-2MUQ平臺導管架水下大約70根桿件的I類檢查。所檢測水下桿件沒有發現變形和明顯的機械損傷，桿件外圍海生物覆蓋正常。

3.2 導管架桿件測厚及電位檢測

總共對8處桿件進行了壁厚測量。桿件設計壁厚為25.4 mm，本次測量結果基本大于設計值。

還對8處桿件進行了電位測量。按照相關設計規范，平臺桿件的正常保護電位應在-800 mV到-1 020 mV。本次8處桿件電位測量值基本分布在-970 mV至-1 030 mV，桿件電位顯示正常。

3.3 陽極II類檢測

潛水員按照檢測計劃，清理了9塊陽極表面的海生物。陽極以及連接架結構完好，沒有發現明顯的破損和結構損傷。陽極電位顯示正常。

3.4 海生物檢測

潛水員對導管架4根樁腿水下部分的海生物覆蓋情況進行檢測，記錄了海生物的種類、覆蓋率和厚度。據業主介紹，JZ20-2MUQ平臺近期進行了平臺水下結構海生物清理，并進行了五年特檢。因此，該導管架水下結構海生物覆蓋較少。

3.5 節點焊縫ACFM檢測

潛水員按照檢測計劃，總共清理了6個節點焊縫海生物，海生物的清理范圍是以焊縫為中心兩邊各10 cm寬的區域帶。水上人員將ACFM檢測設備連接好，進行水上試塊檢測之后，對節點焊縫進行了ACFM檢測。焊縫未發現裂紋。

3.6 定量檢測結果

通過定量檢測發現，JZ20-2MUQ平臺相關構件沒有發現變形和明顯的機械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺狀態良好。

4 結論

（1）以頻率變化量與頻率之比為參數，應用固有頻率的損傷檢測方法，分析歷年的振動檢測數據，得到如下結論：因JZ20-2MUQ平臺的基頻相對穩定，說明其結構完整性沒有異常變化，沒有出現嚴重影響結構整體安全的損傷。

（2）其頻率出現了逐年遞減的趨勢，說明結構物剛度出現了一定的減小?？赡苁怯捎谄?、腐蝕或者材料的老化導致了結構物剛度發生變化，但其變化量非常小。

（3）通過定量檢測發現，JZ20-2MUQ平臺相關構件沒有發現變形和明顯的機械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺狀態良好。

（4）通過水下結構定量檢測，驗證了損傷診斷和安全評估結果，對本文所應用的基于固有頻率，以頻率變化量與頻率之比為參數的損傷診斷和安全評估方法進行了初步的驗證，為現役海洋平臺的損傷診斷和安全評估技術的發展提供一定的借鑒作用。

[1]陳學前，陳大林，杜強，等.結構基于振動損傷識別的發展概況[J].振動工程學報， 2004，17（增刊）：701-704.

[2]鄭棟梁，李中付，華宏星.結構早期損傷識別技術的現狀和發展趨勢[J].振動與沖擊，2002，21（2）：1-5.

[3]劉玲，陸建輝，李玉輝.海洋平臺健康監測研究方法與進展[J].石油工程建設，2005，（1）：2-7.

[4]Cawley P，Adams R D.The location of defects in structures from measurements of natural frequencies[J].Journal Strain Analysis，1979 ，14（2）： 49-57.

[5]Adamas R D， Cawley P， Pye C J， et al.A vibration technique for nondestructively assessing the integrity of structures[J].Journal of Mechanical Engineering Science，1978 ，20（2）:93-100.

[6]Cawley P，Adams R D.A vibration technique for nondestructive testing of fiber composite structures[J].Journal of Composite Materials，1979 ，13（2）：161-175.

[7]張兆德，王德禹.基于固有頻率的海洋平臺損傷檢測方法的改進[J].海洋工程，2004，22（3）：9-13.