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(xué)機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

海洋平臺是海上油氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，其結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。海洋平臺長時間在惡劣的海洋環(huán)境中服役，受到環(huán)境侵蝕、材料老化的影響和海浪、臺風(fēng)、海冰撞擊以及海洋生物等各種荷載的長期作用而使其產(chǎn)生疲勞效應(yīng)和損傷積累，導(dǎo)致抗力衰減。海洋平臺抵抗自然災(zāi)害及在正常環(huán)境中的工作能力下降，極端情況下極易引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。如不能對海洋平臺結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況做出及時的檢測和正確的評價，一旦發(fā)生事故，將會造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，并污染海洋環(huán)境，造成不好的社會政治影響。目前的常規(guī)做法是按照《海上固定平臺安全規(guī)則》的規(guī)定，對平臺結(jié)構(gòu)執(zhí)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(huán)境復(fù)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(jìn)行分析，得到平臺結(jié)構(gòu)的整體振動信息，對于尋找缺陷的產(chǎn)生原因、發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域和后續(xù)的模態(tài)分析具有一定的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)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(yīng)用在海洋平臺上的線纜總長度達(dá)數(shù)千米，存在現(xiàn)場布線難度大、人工成本高且線纜保護(hù)困難等缺點，尤其是測試系統(tǒng)的跨層布線更是難上加難。近年來，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，用無線通信代替有線傳輸在保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐瑫r，具有無需布線、簡單方便等優(yōu)點，實現(xiàn)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(shù)據(jù)的多角度分析過程，并驗證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)的有效性和可行性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成及檢測流程

本次檢測采用的設(shè)備是DH5907N型無線數(shù)據(jù)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(tài)信號采集分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集器直接采集振動傳感器的檢測數(shù)據(jù)。如圖1所示，各振動傳感器通過數(shù)據(jù)采集器和通信控制器的無線連接組成了一個數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集器通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑺杉臄?shù)據(jù)傳遞給通信控制器，再由通信控制器傳輸給計算機進(jìn)行存儲和分析。

圖1 無線振動測試系統(tǒng)示意圖

對海洋平臺的檢測，首先在對平臺主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上選擇適當(dāng)?shù)恼駝訖z測點，然后由布置在各個檢測點的振動傳感器和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行平臺振動信號的采集，最后通過分析得到平臺狀態(tài)評估結(jié)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(shù)據(jù)處理;4)平臺狀態(tài)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(dǎo)管架結(jié)構(gòu)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(jìn)行說明。本文默認(rèn)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 某海洋平臺上部模塊結(jié)構(gòu)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(yīng)，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?fàn)顟B(tài)下，平臺按低階固有頻率進(jìn)行振動，激勵主要為風(fēng)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(chǎn)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(tài)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(zhì)量重物的方式，產(chǎn)生對平臺和吊機的階躍激勵。測試過程中，重點觀察相應(yīng)工況下吊機主要工作的Y方向所產(chǎn)生的階躍響應(yīng)，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(shè)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(shè)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(jié)果及分析

為準(zhǔn)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(yīng)進(jìn)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(zhuǎn)、卸載3種典型工況。對不同工況下的激勵響應(yīng)從時域、相關(guān)性和頻域3個不同角度進(jìn)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(jié)論。

3.1 從時域角度評估吊機將軍柱的狀態(tài)

時域角度主要是按將軍柱的振動幅值進(jìn)行評估，采用的計算指標(biāo)是振動速度響應(yīng)的均方根值。首先進(jìn)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(yīng)的均方根值，最后與GB/T 7452—2007/ISO 6954:2000中給出的下限值進(jìn)行比較，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值即為符合要求。經(jīng)查，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的A級嚴(yán)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(jìn)行計算的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 振動速度響應(yīng)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(yīng)均方根值的最大值分別為0.48mm/s和0.58mm/s，均遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)35t吊機將軍柱的狀態(tài)有明顯異常。

3.2 從相關(guān)性角度評估吊機將軍柱的狀態(tài)

相關(guān)性角度分析所采用的計算指標(biāo)是相關(guān)系數(shù)。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(guān)系數(shù)，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(yīng)的相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行計算的數(shù)據(jù)結(jié)果見表2和表3。

表2 靜止工況下各測點Y方向的相關(guān)系數(shù)表

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

表3 工作工況下各測點Y方向的相關(guān)系數(shù)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(yīng)的相關(guān)系數(shù)的最小值為0.91，即總的來看，各測點的振動都是高度相關(guān)的，即這4個測點的振動響應(yīng)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(guān)系數(shù)大于0.9，各測點的振動為高度相關(guān)；而E35t-1測點與其他3點之間的相關(guān)系數(shù)均小于0.8，為中度相關(guān)，但是仍遠(yuǎn)高于低度相關(guān)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(yīng)具有同步性；測點E35t-1的振動響應(yīng)與其他3處相關(guān)性相對較低，并且其值與兩測點的間距成負(fù)相關(guān)，該結(jié)果表明這不是由缺陷或損傷引起的，而是另有原因。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)主要原因是：由于上甲板上的將軍柱屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，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(xiàn)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(dǎo)致了吊機在工作工況時出現(xiàn)了以上甲板為分界線的將軍柱振動情況不一致的現(xiàn)象。

綜上所述，各測點之間的相關(guān)性指標(biāo)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(guān)性角度未發(fā)現(xiàn)35t吊機將軍柱的狀態(tài)有明顯異常。

3.3 從頻域角度評估吊機將軍柱的狀態(tài)

頻域角度分析所選用的指標(biāo)是固有頻率，在10次檢測結(jié)果中選取1次有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)、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(nèi)，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(shù)據(jù)的獲取不在本文論述范圍之內(nèi))，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(xiàn)出一致性，也就是說各測點的固有頻率指標(biāo)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(biāo)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(fā)現(xiàn)35t吊機將軍柱的狀態(tài)有明顯異常。

4 結(jié)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(jié)果表明，吊機將軍柱的振動幅值正常，表現(xiàn)優(yōu)良；相關(guān)性角度的分析結(jié)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(nèi)；頻域角度的分析結(jié)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(biāo)均是正常的，沒有出現(xiàn)由于個別部位的缺陷和損傷而產(chǎn)生的異常振動情況。檢測結(jié)果也驗證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)的有效性和可行性。