基于振動的導管架平臺結構健康監測技術研究

安振武

(中海油能源發展裝備技術有限公司 天津300452)

0 引 言

根據調研統計，中海油目前服役的導管架平臺已超過 240座，其中近 60座已經或將要達到它們的設計壽命，正步入后服役期，這些平臺隨著服役年限增長，由于環境腐蝕、材料老化、構件缺陷、機械損傷、突發災害、疲勞及裂紋擴展的損傷積累等原因，平臺抗力衰減現象日益嚴重。抗力衰減會導致平臺可靠性降低，甚至發生平臺倒塌事故，一旦發生平臺結構安全事故，無論是人員損傷還是經濟損失，所造成的后果都是十分嚴重的。因此，為確保導管架平臺的安全運營，需要對其結構健康狀態進行實時監測。

結構健康監測的重要目的是根據監測數據對平臺結構的損傷進行評估，傳統的無損檢測/監測方法基本上是對局部結構損傷進行檢測評估，如目測、X光檢測、超聲檢測、磁粉和熱成像等方法，這些檢測方法決定了它們的非全局性和非實時性，不能滿足現代大型工程結構對結構安全性進行全面監測、實時評估的要求。相比而言，振動檢測技術由于其可以實現實時監測，并具有能夠在整體上評估結構損傷等優點[1]，受到廣泛重視。

1 振動檢測技術

振動檢測是對工作狀態下的結構狀態進行檢測，通過檢測可以得到結構的動力響應數據，依據相應的參數識別方法得到需要的結構動力參數，包括固有頻率、阻尼、模態等，以此對結構進行損傷判定。振動具有整體檢測與識別的能力，可借助有限元分析進行損傷識別或信號處理技術識別。對海洋平臺復雜結構，可借助環境激勵及用動態分析技術進行結構實時監測與識別，相關損傷識別方法需要早期信息。

2 振動監測數據分析方法

導管架海洋平臺可以運用輸入未知條件下的模態參數識別技術從結構的動力響應信號中識別結構的模態參數。利用隨機減量法提取結構自由響應信號，時序分析法或復指數提取結構的模態參數，運算量較大但識別精度較高。數據處理方法如下：

2.1 隨機減量法

隨機減量法是一種提交結構自由衰減響應信號的數據處理處理方法[2-4]，因其具有在工程中應用簡單、耗資低廉、效率較高等優勢，已廣泛應用于結構參數的識別。該方法的核心是假設一個穩定的隨機激勵系統，其響應是確定性響應和外部負載激勵響應的組合。在相同的初始條件下，對響應的時間歷程進行分段獲取，計算多段獲取信號的總體平均值，從而達到提取自由衰減響應的目的。

對于海洋導管架結構系統，某個點在隨機激勵下的動力響應可表示為[5-6]：

式中：D(t)為結構系統原始位移為 1、原始速度為 0的系統自由振動響應；V(t)為結構系統原始位移為0，原始速度為 1的系統自由振動響應分別為結構系統振動的原始位移和原始速度；h(t)為系統單位脈沖響應函數；f(t)為外部激勵。

2.2 ARMA模型時間序列分析方法[3]

該方法是借用參數模型實現對有序隨機振動響應的數據進行處理，從而實現模態參數識別的方法。

可以用高階微分方程來描述 N個自由度的線性系統激勵與響應之間的關系。在離散時間域內，可用一系列不同時刻的時間序列表示的差分方程來表示該微分方程，即ARMA時序模型方程：

式中：xt為響應數據序列；2N為自回歸模型和滑動平均模型的階次；ak、bk為待識別的自回歸系數和滑動均值系數；ft為白噪聲激勵。

當 k＝0 時，設 a0＝b0＝1。

2.3 復指數法[4, 7]

復指數法是采用復指數函數和的形式來表示基于結構的自由振動響應或脈沖響應函數，然后通過線性方法確定未知參數。該方法的核心是將振型疊加法與振動微分方程相分離，建立動態響應與模態參數之間的關系。通過擬合脈沖響應函數，可以獲得完整的模態參數。

復指數法不依賴于模態參數的初始估計值。優點是將非線性擬合問題轉化為線性問題，并且不太需要識別所需的復雜模態參數。缺點是選擇正確的模態順序所用時間較長，并需要做出多個假設來確定正確的模態節數。

一個多自由度的粘滯阻尼線性系統中，q點力所引起p點位移頻響函數可以表示為：

式中：Arpq為第r階模態相應的留數；J為虛數，取值為為系統的自由度數；sr為頻響函數第r階模態的極點。

3 監測技術適用性驗證

3.1 導管架平臺應用試驗

以東海某導管架平臺為監測對象，在其上部組塊開展結構振動實時監測工作，監測設備采用的結構振動監測系統是美國 BDI STS-Wifi無線結構測試系統，系統設備包括：基站1臺、節點模塊4臺、傳感器16個(見圖1)。

圖1 BDI STS-Wifi無線結構測試系統Fig.1 BDI STS-Wifi wireless structure test system

根據設計、制造與安裝資料和結構服役狀態記錄資料，建立平臺精細有限元模型，對平臺進行靜力和動力分析，找出了平臺在各種環境激勵下位移響應最大的位置。選取了16個點位布置了傳感器(見圖2)。

圖2 振動檢測布點示意圖Fig.2 Vibration detection layout

3.2 基于振動監測數據的結構安全評估

對于老齡導管架平臺，由于未進行相應的監測，缺少歷史監測數據。針對這種情況，我們具體分析平臺結構在服役期間可能出現的損傷工況，通過有限元分析來獲取平臺結構在不同損傷工況下固有頻率的變化規律，將所得數據建立變化分布數據庫。然后，將平臺實時監測所得數據放入數據庫中，通過對比分析得到平臺損傷判定結果。

3.2.1 自振頻率辨識

將監測所得振動數據經過隨機減量法進行預處理，截取常數 A取值為輸入數據長度的 1/10左右。經過隨機減量法獲得的數據如圖3所示，圖中所輸入實驗數據為某點的X軸方向振動加速度。

圖3 隨機減量法輸入數據Fig.3 Input data of random decrement

圖4 隨機減量法預處理數據Fig.4 Preprocessing data of random reduction method

經過預處理后，分別通過 ARMA法和復指數法對模態參數進行識別，要求輸出模態階數的數目 Mj小于截取常數的 1/4，大于截取常數的 1/6，即 A/6＜Mj＜A/4，如果Mj取值過小，則計算數據無法很好的擬合實測數據，造成模態頻率的丟失；如果 Mj選取過大，則會無法計算出合適的擬合曲線。一般通過選取不同的輸出模態階數 Mj，然后對輸出模態進行篩選[8]。圖5、6所示為實測數據與擬合曲線對比圖。

圖5 復指數法擬合曲線Fig.5 Fitting curve analysis using complex exponential method

圖6 ARMA法擬合曲線Fig.6 Fitting curve analysis using ARMA method

從以上擬合曲線圖中可以看出復指數法和ARMA法計算得到的擬合曲線跟實測數據有很好的擬合度。

選取平臺4個監測點的振動加速度信號，經由隨機減量法預處理后經過ARMA法和復指數法得到平臺的前階自振頻率，見表1。

在采用復指數法和 ARMA法時，需要給噪聲提供出口，這通常就需要提高模型的階次，有時噪聲模態的增加值要大于真實模態的階數[9]。這時會產生虛假模態。為了刪除過程中產生的虛假模態，本文采用兩種穩定圖法和阻尼刪除法相結合的方式，其中穩定圖法是通過對比不同模態階數的計算模型。如果這些模型獲得的擬合曲線與從監測數據獲得的曲線非常一致，則最穩定和出現次數最多的模態可以被認為是系統的真實模式。阻尼比刪除法是分析識別得到的各階模態阻尼比，通常認為阻尼比小于 1%,或者大于 20%,是虛假模態[8,10]。

表1 復指數法與ARMA法辨識初始數據Tab.1 The initial data identified by complex exponential method and ARMA method

續表1(Continued)

通過表2中模態頻率數據進行篩選，得到測點自振頻率數據。

表2 最終辨識數據Tab.2 The final identification data

3.2.2 基于有限元分析的安全區域確定

根據平臺完工文件、歷次改造和檢測資料，采用ANSYS有限元分析軟件建立了導管架平臺結構計算模型(見圖7)。

綜合考慮平臺結構產生損傷的因素，確定平臺可能產生損傷的工況，包括平臺整體剛度衰減、平臺關鍵結構桿件的失效、平臺模塊質量增加以及平臺結構關鍵桿件剛度衰減等。然后對上述工況模態分析。

圖7 導管架平臺ANSYS計算模型Fig.7 Jacket platform ANSYS model

通過模態分析，得到上述工況下平臺橫搖和縱搖頻率值，從而得出平臺不同結構狀態下的橫搖頻率以及縱搖頻率分布圖，如圖8所示：

圖8 多種工況下平臺橫搖頻率——縱搖頻率分布圖Fig.8 Jacket platform rolling pitch frequency distribution under different conditions

由分析結果可以看出，平臺整體剛度衰減時，橫縱搖頻率的變化呈線性關系，隨著整體剛度的衰減增大橫縱搖頻率逐漸減小；主樁腿和斜撐失效的點位于剛度衰減線的上方表明桿件失效時縱搖頻率變化幅度較橫搖小，主樁腿失效與斜撐失效相比橫搖減小更大，位于圖中左上，斜撐失效位于圖中右上；平臺上模塊質量增加時，頻率點大致位于剛度衰減線附近靠下，不同模塊質量增加導致位置變動。

3.2.3 平臺結構健康狀態判定

通過上節中的結構模態分析，得出了平臺在完整狀態和不同損傷狀態下橫搖頻率和縱搖頻率分布圖，以此為依據，對比表2中對現場實測數據分析所得的辨識模態參數，可對平臺結構的損傷情況進行判定。

將實測數據放入橫搖頻率和縱搖頻率分布圖中，如圖9所示：

圖9 多種工況下平臺橫搖頻率——縱搖頻率分布圖(加入辨識模態)Fig.9 Jacket platform rolling pitch frequency distribution under different conditions(adding the identification mode)

對上圖進行分析，平臺完整狀態(原設計)下計算所得橫搖固有頻率要比實測結果偏大約 6.4%,，而縱搖固有頻率則偏大約 7.8%,，模態識別的頻率大致在剛度衰減線和質量增加線附近靠下。由此說明，該平臺結構固有頻率的改變可能由于上部整體剛度衰減或平臺模塊質量改變所引起。同時，根據平臺歷年維修和改造記錄可以發現該平臺從服役至今沒有進行大的改造，平臺質量也沒有大的變化，因此，可以排除因平臺模塊質量增加引起平臺固有頻率變化的可能，而且平臺服役年限已超過 10年，由此可以判定該平臺主要發生了整體剛度衰減。

4 結 論

本文將振動檢測技術應用到導管架平臺結構健康監測中，以某導管架平臺結構為試驗對象，從振動監測數據分析、導管架平臺在不同損傷條件下的模態分析及導管架平臺結構健康狀態判定等方面開展研究，得到結論如下：

①采用隨機減量法對振動監測數據提取的特征函數分別采用ARMA法與復指數法進行模態參數識別，得到的擬合曲線跟實測數據有很好的擬合度。采用穩定圖法和阻尼比刪除法相結合的方法對 ARMA法與復指數法所得模態頻率數據進行篩選，最終可得到平臺的實際固有頻率。

②通過導管架平臺結構的模態分析得到平臺不同損傷工況下的動力學參數變化規律，以此為依據，結合經過數據分析所得平臺實測辨識模態參數，可以實現對平臺損傷模式的判定。

③將平臺實測數據放入模態分析所得頻率變化分布圖中，并結合平臺實際情況，判定該平臺主要發生了整體剛度衰減。由此驗證了振動檢測技術在平臺結構健康監測上的適用性。