基于振動傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋平臺動位移分析及位移狀態(tài)評估研究

張大偉等

摘 要：海洋平臺在吊裝作業(yè)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(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)采集兩天的加速度數(shù)據(jù)，采用基于小波高通濾波的結(jié)構(gòu)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(tǒng)計分析，得到吊裝作業(yè)時段的最大動位移，并將其與設(shè)計文件給出的設(shè)計最不利工況下的結(jié)構(gòu)最大位移量進行比較，來評定當(dāng)前結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。分析結(jié)果表明，基于設(shè)計的傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠真實反映平臺振動情況，且PL19-3A海洋平臺當(dāng)前的結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：海洋平臺；振動傳感網(wǎng)絡(luò)；加速度；動位移；位移狀態(tài)評估

中圖分類號：TP212 文獻標(biāo)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(dǎo)航、施工等活動提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的構(gòu)筑物。海洋平臺在服役期間，在各類激勵作用下，將產(chǎn)生顯著的振動。如振動位移超過最不利工況下的位移設(shè)計值，則說明外部激勵過大或結(jié)構(gòu)剛度不足，總之結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)不滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)，直升機甲板區(qū)位于頂層甲板東側(cè)。平臺外觀圖如圖1所示。據(jù)平臺管理部門反映，PL19-3礦區(qū)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(dāng)風(fēng)、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(jiān)測和位移狀態(tài)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(shù)據(jù)計算得到[4-7]。因此本文在PL19-3A平臺建立了振動監(jiān)測系統(tǒng)，并連續(xù)采集了近三天的加速度數(shù)據(jù)，基于加速度數(shù)據(jù)計算動位移，對動位移進行多項統(tǒng)計分析，并與設(shè)計值比較，進而評定結(jié)構(gòu)位移狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。

1 振動監(jiān)測

1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：現(xiàn)場傳感器和采集站。現(xiàn)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(diào)理器，再經(jīng)由數(shù)據(jù)采集儀進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和初步處理，并進行數(shù)據(jù)存儲?？傮w監(jiān)測系統(tǒng)集成框圖及現(xiàn)場采集站內(nèi)部設(shè)備布置如圖2和圖3所示。

3 動位移計算及統(tǒng)計分析

對下述4類特征量進行統(tǒng)計：

（1）每秒鐘內(nèi)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(nèi)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(qū)間不同區(qū)段出現(xiàn)的頻次與總次數(shù)的比值（每秒動位移最大值出現(xiàn)的頻次比率）。

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

動位移由加速度經(jīng)2次積分運算得出，加速度中的高頻部分經(jīng)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(tài)大振幅波形在動位移中體現(xiàn)不出來，而非瞬態(tài)大振幅波形可以在動位移中體現(xiàn)出來，因此動位移的每秒加速度最大值在時間域內(nèi)的最大值位置基本上與非瞬態(tài)大振幅波形出現(xiàn)的時段相對應(yīng)。由于非瞬態(tài)大振幅波形大部分出現(xiàn)在吊裝作業(yè)時段，因此每秒動位移最大值與吊裝時段也有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這一點可以明顯地從圖10中看出來。

與吊裝作業(yè)時段的對應(yīng)關(guān)系

動位移的每分鐘平均值代表了每分鐘內(nèi)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(guī)律基本一致。

頻次比率統(tǒng)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(qū)間的分布情況，頻次比率最大值對應(yīng)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(tài)評估

平臺設(shè)計文件《K1-10P-GAA-S-RA-0000020》給出了最不利靜載組合下平臺結(jié)構(gòu)不同標(biāo)高處的最大設(shè)計位移量，《K1-10P-GAA-S-RA-0000022》給出了地震荷載組合下平臺結(jié)構(gòu)不同標(biāo)高處的最大設(shè)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(nèi)的動位移最大值發(fā)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(tǒng)計結(jié)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(shè)計文件中給出的對應(yīng)的設(shè)計位移量，因此目前平臺位移狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

本文以PL19-3A海洋平臺為研究對象，構(gòu)建了該平臺振動監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用基于小波高通濾波的結(jié)構(gòu)動位移計算方法，由系統(tǒng)采集到的加速度數(shù)據(jù)計算得到了平臺的動位移。對平臺動位移進行了統(tǒng)計分析。最后基于統(tǒng)計結(jié)果對平臺位移狀態(tài)進行了評估。

結(jié)果表明：所構(gòu)建的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以真實反映結(jié)構(gòu)的振動情況；動位移最大值發(fā)生在吊裝作業(yè)時段；各測點動位移最大值均小于設(shè)計文件給出的設(shè)計變形量。因此目前平臺位移狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

參考文獻

[1] 范勇， 馬汝建， 林近山. 海洋平臺低頻振動測試[J]. 濟南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，18（1）：46-48.

[2] 馬汝建， 趙東， 熊永功， 等. 海洋平臺振動測試及分析[J]. 濟南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，18（2）：114-116.

[3] 趙忠華. 海洋平臺局部振動測試與分析[D]. 天津：天津大學(xué)， 2009.

[4] 范術(shù)娟，趙維剛. 橋梁動位移測試的數(shù)字處理方法研究[J]. 國防交通工程與技術(shù)， 2011（1）：16-18.

[5] 付拓昕， 侯立群. 基于小波高通濾波的結(jié)構(gòu)動位移計算方法[J]. 科技風(fēng)，2014（10）：96-97.

[6] 王建鋒， 馬建， 馬榮貴，等. 動位移的加速度精確測量技術(shù)研究[J]. 計算機科學(xué)，2010，37（12）：201-202，237.

[7] 蔣良濰， 姚令侃， 吳偉. 邊坡振動臺模型實驗動位移的加速度時程積分探討[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報， 2009，29（3）：261-265.