人工島隔水管錘入振動在線監測系統應用

范西哲， 陳國軍， 羅慶時， 張江坤

（中海油田服務股份有限公司， 北京 101149）

引言

海上人工島島體建造多在混凝土框架結構的基礎上使用沙石回填，土質比較疏松。隔水管錘擊振動將對周圍土層產生擾動，大量的土體位移可能導致鄰近建筑物的不均勻沉降和裂縫、管線開裂和邊坡失穩等環境危害[1-2]，由此可能會造成島上管道、設施局部應力過大而損壞。由于人工島土質性質與常規地表土層不同，單純的數值仿真分析很難準確預測振動影響[3]，無法參考常規振動影響經驗，有必要在線監測隔水管錘擊時的振動情況。

月東油田B 人工島島上設施主要有鉆井設備、儲油罐以及油氣管道等特殊設備，對地基沉降以及設備振動有特殊要求。新增油井采用振動沉樁法打設鋼護筒（即錘入隔水管），該施工方法產生較大振動，可能導致人工島上的已有設備基礎產生不均勻沉降或過大幅度的振動，對現有設備造成不利影響。且由于人工島地質條件、油井減振溝等因素不明確，很難建立準確的模型計算分析，同時島上設施比較復雜，單純用單個破壞指標很難明確量化其影響，畢竟振動成分是復雜的，并且對每一個設施的影響都不同，因此單純的數值仿真分析很難準確預測振動影響，因此有必要進行振動監測，保證施工期間現有設備的振動不超有關規范限值[4-5]。

1 監測系統的原理、組成

1.1 監測系統概述

月東油田B 人工島隔水管錘入施工振動在線監測系統是通過測量對施工振動較為敏感的2 個設施區域與2 個相對稱的遠端區域組成一個監測面，以確保施工期間重要設施的安全運營和監測區域整體的振動情況，并為施工期間打樁錘的功率提供科學的安全閾值。施工振動在線監測系統在于診斷可能發生的結構損傷，以便合理評估隔水管錘入施工時產生的振動對監測點及監測點周圍設施結構的影響，以便及時采取相應措施保障設施安全。通過安裝的傳感器拾取結構局部或整體的參量，對信息的差異識別可確定對應設施的振動安全閥值，并通過對特定敏感設施或結構物進行24 h 觀測分析，掌握結構振動狀態的演變規律，以提前預防因過大的振動產生的結構損傷。

1.2 監測系統組成

系統由感知層、傳輸層和運用層組成，具體為傳感器系統、數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據庫子系統、數據處理與控制系統、安全評價和預警子系統，通過各個層相互協調，實現系統的各種功能。

傳感器是關鍵設備，月東油田B 人工島項目選擇的加速度傳感器是一種電容式振動傳感器，其具有體積小、重量輕、低頻特性好、分辨率高、動態范圍大、使用方便等特點，可適用于人工島設施振動監測、拉索索力監測、爆破振動監測和電機振動監測等領域。

加速度計在內部嵌入一款MEMS 芯片，該芯片能夠根據不同的振動加速度值輸出對應的電壓值，且成線性關系，正是應用該原理，可利用振動采集儀對輸出的電壓信號進行采集，再將電壓轉化得到對應加速度值，從而實現對振動加速度信號的測量，加速度的主要技術指標見下頁表1。

表1 主要技術指標

2 監測系統的數據采集、傳輸和處理

2.1 數據的采集

根據人工島設施布置情況，可大致將人工島分為以下7 個區域：油井區、生活及配電區、洗壓井撬塊區、油罐區、管道區和綜合保障區；其中油罐區、管道區為重點關注區域。此外，根據振動波的傳播機理及島上的建筑結構，在島上選取距震源點不同方向和距離的若干點位，整體評估振動對全島結構的影響。結合危險區域劃分圖，依照突出重點、綜合監測的原則，在目標區域內共布置4 個傳感器（加速度測點），分別為ZD-1、ZD-2、ZD-3、ZD-4。

2.2 在線監測系統無線數據傳輸方式

現場傳感器所有數據通過無線方式進行傳輸，該方式通過網絡傳輸數據，利用系統中的無限傳輸模塊，可遠程控制數據采集設備，使采集數據更為便利，也能減少人員在條件惡劣、危險的環境中的暴露次數和時間，更為安全。

2.3 數據處理

針對信號在采集前與采集后均可進行數據處理，數據處理包含信號實時顯示、數字濾波、幅域統計、時域、頻域分析等內容，主要針對缺失數據、噪聲數據和異常數據進行處理。

2.3.1 缺失數據

數據采集系統運行過程中，不可避免會受到各種因素的干擾和影響，導致在采集和傳輸的過程中部分數據丟失。這種情況下就將缺失的數據略去或者要想辦法填補回來，如果數據采集量很大，缺失一部分不影響整體數據時，可直接忽略，但對于一些關鍵數據或者采集量不大的情況，可通過人工填補、平均值填補[6]、利用最可能的值來填補（根據已有數據，利用回歸分析、貝葉斯統計[7]等方法推斷出最有可能出現的數值）。

2.3.2 異常數據

異常數據是指遠離大多數的監測值，即離群值，其不能反映真實的工作狀態，需要舍棄，否則會影響整體數據的準確性。目前針對異常數據的剔除主要有肖維勒準則、拉伊達準則等方法，如果數據量少，用肖維勒準則更適合；如果數據量較多，更適合拉伊達準則，振動在線監測系統采集的數據是海量的，因此更適合用拉伊達準則剔除其中的異常數據。

2.3.3 噪聲數據

由于人工島上有諸多生產設施，加上打樁時本身產生的聲響，因此在線監測系統難免受到噪聲干擾。為排除噪聲干擾，利用卡爾曼濾波技術處理受噪聲干擾的數據，從被“污染”的測量值中提取真正的數據，還原振動的真實狀態。卡爾曼濾波技術在工程中應用較廣。

3 閾值確定及分級預警

3.1 預警閾值的確定

預警值的設置是一個難度較高、很專業的問題。不同監測對象的不同測試部位的預警值均不一樣，因此需要根據監測對象、工程類別等方面做特定分析，確定預警值。對于人工島設施來說預警值的確定有以下幾個途徑：

委托方提供，由于島上設施具有特殊性，不同設施不同結構部位對振動的限值要求可能不同，某些設施可能對振動十分敏感，因此對振動的限值要求就會嚴格；某些設施對振動要求不敏感，可以承受一定振幅的振動。因此根據島上設施對振動的敏感度確定控制值為預警值確定的第一參考途徑。

規范規定，根據相關行業規范標準和當前國內外學術研究成果，確定預警閾值。由于當前國內外規范關于振動沉樁施工對周圍環境的振動影響沒有明確規定，因此，在此參考國內外其他行業的相關規范標準作為監測控制的預警標準[8]。

實際測試，已有的人工檢測數據和報告得到初始的預警值。根據振動成分和比例以及對人工島設施的影響確定預警閾值，以此建立基礎預警數據庫。對這些數據進行分析后調整初始預警值，使之與島上設施的實際振動情況更為接近。

經參考國內外相關規范，并結合島上設施及隔水管錘入施工作業的特殊性，振動安全閥值選取1.75 cm/s。

3.2 分級預警機制

預警級別的確定是結合現場監測數據信息，通過核查、綜合分析和專家咨詢等，判定工程風險大小，確定相應預警級別，并對振動進行實時預警。

預警級別按工程風險由小到大分為二級：I 級預警為超出標準值（1.75 cm/s）但未超最大閥值的情況，屬于可接受風險，工程處在安全臨界狀態。II 級預警為振幅已超最大閥值（3.5 cm/s），工程處在不安全狀態，現場須立即采取措施。

4 實際監測數據分析

4 個監測點的實際監測數據分析圖如圖1—圖4 所示（圖中線條缺失處因為無數據）。

圖1 ZD-1 振動趨勢圖

圖2 ZD-2 振動趨勢圖

圖3 ZD-3 振動趨勢圖

圖4 ZD-4 振動趨勢圖

從在線監測系統的振動數據分析，從2019 年7月11 日—8 月22 日期間，月東油田B 人工島在隔水管錘入施工期間監測到的最大振動幅值為1.0345 cm/s，平均振動幅值為0.7641 cm/s。低于I 級預警（可接受風險）的振動幅值（1.75 cm/s），振動幅值在安全范圍內，施工期間產生的振動不會對島上關鍵設施產生安全隱患。

5 結語

通過布置在月東油田B 人工島的振動在線監測系統，實現了對振動數據的實時采集、傳輸、處理，實時監控了振動狀況，并提前確定了振動閾值和分級預警，以保障隔水管錘入期間島上設施的安全。振動在線監測系統在月東油田B 人工島的首次成功應用為今后人工島隔水管錘入振動監測提供了借鑒。

鑒于當前國內外規范關于振動沉樁施工對周圍環境的振動影響沒有明確規定，建議加快相關行業標準和規范的制定，為人工島隔水管錘入施工的振動影響提供更明確、更有效的指導。