JZ20-2MUQ平臺(tái)初步損傷診斷和安全評(píng)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展， 現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)如大型海洋平臺(tái)、高層建筑、大跨度橋梁正在向著大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展。此類結(jié)構(gòu)在一定的環(huán)境條件下產(chǎn)生損傷，損傷累積可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，后果不堪設(shè)想[1-2]。目前，我國(guó)僅中國(guó)海洋石油公司就有近200座固定平臺(tái)，盡管固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命一般為20年，但由于油田生產(chǎn)的需要，絕大部分平臺(tái)在達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后依然繼續(xù)服役。這就要求對(duì)目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)、充分和具體的健康檢測(cè)和損傷診斷，綜合評(píng)價(jià)平臺(tái)繼續(xù)服役的安全性和超期服役的可能性，因此對(duì)平臺(tái)的損傷診斷變得越來(lái)越重要[3]。

損傷診斷，特別是利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷，近幾十年來(lái)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。其基本思想是:結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，認(rèn)為僅結(jié)構(gòu)的剛度降低，而忽略結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化，根據(jù)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù) （如模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)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(cè)量，而且可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，在工程實(shí)際中可采用固有頻率檢測(cè)法判斷損傷的存在。目前，固有頻率檢測(cè)法正廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)健康檢測(cè)和損傷診斷中。本文針對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)，根據(jù)其設(shè)計(jì)資料和歷年的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及定量檢測(cè)的結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行初步的損傷評(píng)估。

JZ20-2MUQ為四腿導(dǎo)管架平臺(tái)，上部結(jié)構(gòu)有底層甲板、下層甲板、主甲板、頂甲板，質(zhì)量約1 400 t，所在海域年平均水深約15.5 m，平臺(tái)于1992年8月投產(chǎn)，生產(chǎn)年限20年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命20年。JZ20-2MUQ平臺(tái)固有頻率振動(dòng)檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置在導(dǎo)管架平臺(tái)下層甲板、主甲板與主樁腿連接的節(jié)點(diǎn)上，總計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)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(cè)方法

基于固有頻率的變化進(jìn)行損傷識(shí)別有很多方法[4-6]。損傷使結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度減小，一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化較小，剛度變化較大，所以當(dāng)損傷出現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)固有頻率降低，阻尼升高。因此，可以通過(guò)比較結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生前后固有頻率的變化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷。由于頻率比較容易測(cè)量，而且可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，在識(shí)別工程結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)簡(jiǎn)單易行。常用的檢測(cè)參數(shù)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(wú)損傷時(shí)某一階頻率的差值與結(jié)構(gòu)無(wú)損傷時(shí)頻率的比值，即：

式中 ωk——有損傷時(shí)結(jié)構(gòu)的第k階頻率；

ωk0——無(wú)損傷時(shí)結(jié)構(gòu)的第k階頻率。

另一個(gè)頻率檢測(cè)參數(shù)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(jié)構(gòu)的第i階和第j階固有頻率；

ωi0、ωj0——無(wú)損傷結(jié)構(gòu)的第i階和第j階固有頻率。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物的固有頻率出現(xiàn)較大的變化或者發(fā)生突變時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)物可能出現(xiàn)了較大的損傷，則需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。

2 JZ20-2MUQ平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)的固有頻率分析及歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 JZ20-2MUQ平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)的固有頻率分析

根據(jù) 《JZ20-2MUQ平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)報(bào)告》，應(yīng)用專業(yè)軟件SACS對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行建模，計(jì)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(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振型。

表1 設(shè)計(jì)模型的前6階頻率

2.2 1994年振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

受渤海石油采油公司的委托，渤海石油海洋結(jié)構(gòu)物檢測(cè)公司技術(shù)一室于1994年9月至10月用脈動(dòng)法對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析得到前3階頻率如表2所示，相應(yīng)的時(shí)域振動(dòng)響應(yīng)及自功率譜如圖3所示。

2.3 2011年測(cè)試數(shù)據(jù)

圖2 設(shè)計(jì)模型的計(jì)算振型示意

表2 前3階測(cè)試頻率

2011年， “基于振動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)研究”項(xiàng)目組對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試的加速度傳感器為Model 4803A-0002型三向加速度傳感器，振動(dòng)信號(hào)采集儀為德國(guó)Imc集成測(cè)控有限公司的CRONOS PL16-DCB8數(shù)據(jù)采集儀。本次測(cè)試采用環(huán)境振動(dòng) （即冰激勵(lì)）作為振動(dòng)源。截取不同時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識(shí)別，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示，模態(tài)識(shí)別結(jié)果如表3所示。

表3 各段數(shù)據(jù)模態(tài)識(shí)別的前5階頻率

2.4 2012年測(cè)試結(jié)果

圖3 1994年平臺(tái)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線和位移自功率譜曲線

圖4 2011年冰激振加速度—時(shí)程測(cè)試曲線

“基于振動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)研究”項(xiàng)目組于2012年再次對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試的儀器為項(xiàng)目組自主研制的便攜式平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。本次測(cè)試采用環(huán)境振動(dòng) （即冰激勵(lì)）作為振動(dòng)源，主要測(cè)試結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)加速度，以對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行描述。在如圖5（a）～（d）所示的實(shí)測(cè)冰激振動(dòng)數(shù)據(jù)中，取四段比較明顯的冰激振動(dòng)過(guò)程。分別對(duì)每段的X、Y向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。

圖5 2012年冰激振加速度—時(shí)程測(cè)試曲線

分析以上數(shù)據(jù)，得各階頻率如表4所示。

表4 各段數(shù)據(jù)模態(tài)識(shí)別的前5階頻率

2.5 歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

利用頻率變化量與頻率之比對(duì)歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算的模態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際情況有一定的差距，僅作參考。1994年檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間距離平臺(tái)建成使用的時(shí)間較短，可認(rèn)為是無(wú)損傷時(shí)結(jié)構(gòu)的頻率。2011年和2012年檢測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間較接近，認(rèn)為其頻率的算術(shù)平均值為有損傷時(shí)結(jié)構(gòu)的頻率。歷年振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

通過(guò)對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)上部模塊進(jìn)行調(diào)研，查找其改造和維修記錄，發(fā)現(xiàn)其上部模塊的質(zhì)量變化較小。應(yīng)用固有頻率的損傷檢測(cè)方法，以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：

表5 歷年振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）其頻率變化量與頻率之比的數(shù)值較小，幾乎沒(méi)有太大的變化，表明JZ20-2MUQ平臺(tái)的基頻相對(duì)穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)完整性沒(méi)有異常變化，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)整體安全的損傷。

（2）其頻率出現(xiàn)了逐年遞減的趨勢(shì)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)物的剛度出現(xiàn)了一定的減小?？赡苁怯捎谄?、腐蝕或者材料的老化導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)物剛度發(fā)生了變化。

3 水下結(jié)構(gòu)定量檢測(cè)數(shù)據(jù)

2012年5月30日至6月12日， “基于振動(dòng)檢測(cè)的現(xiàn)役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估技術(shù)研究”項(xiàng)目組對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)進(jìn)行了水下結(jié)構(gòu)定量檢測(cè)。

3.1 導(dǎo)管架桿件I類檢測(cè)

潛水員下水按照既定路線對(duì)桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行I類觀察，全程對(duì)水下檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行水下錄像。檢測(cè)任務(wù)完成后，將檢測(cè)的情況寫入第一手檢測(cè)報(bào)告。本次檢測(cè)完成了對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)導(dǎo)管架水下大約70根桿件的I類檢查。所檢測(cè)水下桿件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷，桿件外圍海生物覆蓋正常。

3.2 導(dǎo)管架桿件測(cè)厚及電位檢測(cè)

總共對(duì)8處桿件進(jìn)行了壁厚測(cè)量。桿件設(shè)計(jì)壁厚為25.4 mm，本次測(cè)量結(jié)果基本大于設(shè)計(jì)值。

還對(duì)8處桿件進(jìn)行了電位測(cè)量。按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，平臺(tái)桿件的正常保護(hù)電位應(yīng)在-800 mV到-1 020 mV。本次8處桿件電位測(cè)量值基本分布在-970 mV至-1 030 mV，桿件電位顯示正常。

3.3 陽(yáng)極II類檢測(cè)

潛水員按照檢測(cè)計(jì)劃，清理了9塊陽(yáng)極表面的海生物。陽(yáng)極以及連接架結(jié)構(gòu)完好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的破損和結(jié)構(gòu)損傷。陽(yáng)極電位顯示正常。

3.4 海生物檢測(cè)

潛水員對(duì)導(dǎo)管架4根樁腿水下部分的海生物覆蓋情況進(jìn)行檢測(cè)，記錄了海生物的種類、覆蓋率和厚度。據(jù)業(yè)主介紹，JZ20-2MUQ平臺(tái)近期進(jìn)行了平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)海生物清理，并進(jìn)行了五年特檢。因此，該導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)海生物覆蓋較少。

3.5 節(jié)點(diǎn)焊縫ACFM檢測(cè)

潛水員按照檢測(cè)計(jì)劃，總共清理了6個(gè)節(jié)點(diǎn)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(qū)域帶。水上人員將ACFM檢測(cè)設(shè)備連接好，進(jìn)行水上試塊檢測(cè)之后，對(duì)節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行了ACFM檢測(cè)。焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。

3.6 定量檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)定量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，JZ20-2MUQ平臺(tái)相關(guān)構(gòu)件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺(tái)狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

（1）以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)，應(yīng)用固有頻率的損傷檢測(cè)方法，分析歷年的振動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：因JZ20-2MUQ平臺(tái)的基頻相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)完整性沒(méi)有異常變化，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)整體安全的損傷。

（2）其頻率出現(xiàn)了逐年遞減的趨勢(shì)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)物剛度出現(xiàn)了一定的減小。可能是由于疲勞、腐蝕或者材料的老化導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)物剛度發(fā)生變化，但其變化量非常小。

（3）通過(guò)定量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，JZ20-2MUQ平臺(tái)相關(guān)構(gòu)件沒(méi)有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺(tái)狀態(tài)良好。

（4）通過(guò)水下結(jié)構(gòu)定量檢測(cè)，驗(yàn)證了損傷診斷和安全評(píng)估結(jié)果，對(duì)本文所應(yīng)用的基于固有頻率，以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)的損傷診斷和安全評(píng)估方法進(jìn)行了初步的驗(yàn)證，為現(xiàn)役海洋平臺(tái)的損傷診斷和安全評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒作用。

[1]陳學(xué)前，陳大林，杜強(qiáng)，等.結(jié)構(gòu)基于振動(dòng)損傷識(shí)別的發(fā)展概況[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)， 2004，17（增刊）：701-704.

[2]鄭棟梁，李中付，華宏星.結(jié)構(gòu)早期損傷識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].振動(dòng)與沖擊，2002，21（2）：1-5.

[3]劉玲，陸建輝，李玉輝.海洋平臺(tái)健康監(jiān)測(cè)研究方法與進(jìn)展[J].石油工程建設(shè)，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(tái)損傷檢測(cè)方法的改進(jìn)[J].海洋工程，2004，22（3）：9-13.