基于振動傳感器網絡的海洋平臺動位移分析及位移狀態評估研究

張大偉等

摘 要：海洋平臺在吊裝作業下的動位移在一定程度上反映了平臺的安全性。在PL19-3A海洋平臺上建立振動傳感網絡監測系統，連續采集兩天的加速度數據，采用基于小波高通濾波的結構動位移計算方法計算各測點的動位移時程，對動位移進行多項統計分析，得到吊裝作業時段的最大動位移，并將其與設計文件給出的設計最不利工況下的結構最大位移量進行比較，來評定當前結構位移狀態是否滿足設計要求。分析結果表明，基于設計的傳感器網絡能夠真實反映平臺振動情況，且PL19-3A海洋平臺當前的結構位移狀態滿足設計要求。

關鍵詞：海洋平臺；振動傳感網絡；加速度；動位移；位移狀態評估

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

海洋平臺為在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構筑物。海洋平臺在服役期間，在各類激勵作用下，將產生顯著的振動。如振動位移超過最不利工況下的位移設計值，則說明外部激勵過大或結構剛度不足，總之結構位移狀態不滿足設計要求，結構安全性不足。因此，對海洋平臺的動位移進行分析具有重要的工程意義。

PL19-3A平臺位于PL19-3礦區油田中部，是一座4樁6腿的平臺，兩層甲板，甲板上方為電氣間及生活區，直升機甲板區位于頂層甲板東側。平臺外觀圖如圖1所示。據平臺管理部門反映，PL19-3礦區A平臺的工作人員感覺到平臺振動比往常厲害，平臺是間歇式振動，當風、浪較大時以及吊車運作時，均感到振動比較明顯，人員有不舒適感。

針對上述問題，需對PL19-3A平臺進行動位移監測和位移狀態評估。目前海洋平臺振動測試常采用加速度傳感器[1-3]，因此無法直接得到動位移，動位移需由加速度數據計算得到[4-7]。因此本文在PL19-3A平臺建立了振動監測系統，并連續采集了近三天的加速度數據，基于加速度數據計算動位移，對動位移進行多項統計分析，并與設計值比較，進而評定結構位移狀態是否滿足設計要求。

1 振動監測

1.1 傳感器網絡監測系統設計

監測系統由兩部分構成：現場傳感器和采集站。現場傳感器采集的模擬信號通過信號屏蔽電纜連接到采集站中的信號調理器，再經由數據采集儀進行模數轉換和初步處理，并進行數據存儲。總體監測系統集成框圖及現場采集站內部設備布置如圖2和圖3所示。

3 動位移計算及統計分析

對下述4類特征量進行統計：

（1）每秒鐘內的動位移絕對值的最大值（簡稱：每秒動位移最大值）。

（2）每分鐘內的“每秒動位移最大值”的平均值（簡稱：每分鐘動位移平均值）。

（3）“每秒動位移最大值”在其值域區間不同區段出現的頻次與總次數的比值（每秒動位移最大值出現的頻次比率）。

（4）“每分鐘動位移平均值”在其值域區間不同區段出現的頻次與總次數的比值（簡稱：每分鐘動位移平均值出現的頻次比率）。

動位移由加速度經2次積分運算得出，加速度中的高頻部分經積分后將變得很小，動位移以低頻成分為主，在加速度中的瞬態大振幅波形在動位移中體現不出來，而非瞬態大振幅波形可以在動位移中體現出來，因此動位移的每秒加速度最大值在時間域內的最大值位置基本上與非瞬態大振幅波形出現的時段相對應。由于非瞬態大振幅波形大部分出現在吊裝作業時段，因此每秒動位移最大值與吊裝時段也有明顯的對應關系，這一點可以明顯地從圖10中看出來。

與吊裝作業時段的對應關系

動位移的每分鐘平均值代表了每分鐘內動位移的平均振幅，由于動位移以低頻成分為主，因此每秒動位移最大值與每分鐘平均值沿時間域的分布規律基本一致。

頻次比率統計圖給出了各測點每秒動位移最大值和每分鐘動位移平均值在其值域區間的分布情況，頻次比率最大值對應的動位移值表征了該測點常遇振動的平均動位移幅值。

4 平臺位移狀態評估

平臺設計文件《K1-10P-GAA-S-RA-0000020》給出了最不利靜載組合下平臺結構不同標高處的最大設計位移量，《K1-10P-GAA-S-RA-0000022》給出了地震荷載組合下平臺結構不同標高處的最大設計位移量，詳見表1和表2。

由圖10可知，各通道在本次測試時段內的動位移最大值發生在吊裝大型集裝箱過程中，圖11給出了各通道動位移最大值的統計結果。比較圖10和圖11可知，平臺在本次測試過程中，各測點動位移最大值均小于平臺設計文件中給出的對應的設計位移量，因此目前平臺位移狀態滿足設計要求。

5 結 語

本文以PL19-3A海洋平臺為研究對象，構建了該平臺振動監測的傳感器網絡系統，采用基于小波高通濾波的結構動位移計算方法，由系統采集到的加速度數據計算得到了平臺的動位移。對平臺動位移進行了統計分析。最后基于統計結果對平臺位移狀態進行了評估。

結果表明：所構建的傳感器網絡系統可以真實反映結構的振動情況；動位移最大值發生在吊裝作業時段；各測點動位移最大值均小于設計文件給出的設計變形量。因此目前平臺位移狀態滿足設計要求。

參考文獻

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