無線振動檢測與結(jié)構(gòu)損傷診斷在海洋平臺的工程應(yīng)用

官耀華， 周 雷， 仲 華， 王巍巍， 王樹青

(1．中海石油(中國)有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

?

無線振動檢測與結(jié)構(gòu)損傷診斷在海洋平臺的工程應(yīng)用

官耀華1， 周 雷2， 仲 華1， 王巍巍2， 王樹青3

(1．中海石油(中國)有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

首次將結(jié)構(gòu)無線振動檢測及結(jié)構(gòu)損傷診斷的最新研究成果應(yīng)用于東海平湖DPP平臺的結(jié)構(gòu)完整性管理工程實(shí)踐中。基于振動檢測的實(shí)測數(shù)據(jù)，通過結(jié)構(gòu)模態(tài)識別、模型修正等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了平臺結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)的快速判斷。此工程示范案例說明了該方法工程應(yīng)用的可行性和可靠性，對實(shí)現(xiàn)在役海洋平臺結(jié)構(gòu)的快速安全巡檢有重要的工程意義。該方法是一種對常規(guī)無損檢測和評估方法的有益補(bǔ)充,在平臺結(jié)構(gòu)延壽及優(yōu)化水下無損檢測方案方面具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值和前景。

振動檢測；模態(tài)參數(shù)識別；損傷診斷；結(jié)構(gòu)完整性管理

0 引言

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。海洋平臺結(jié)構(gòu)服役期間，長期受風(fēng)、浪、流及腐蝕等惡劣海洋環(huán)境的作用，抗力將發(fā)生衰減。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(shí)檢測。

這類檢測通常是使用無損檢測的方法，主要包括：目視檢測、超聲檢測、磁粉探傷、透水桿件檢測(FMD)、交流電磁場檢測法(ACFM)等。這類檢測方法應(yīng)用于水下時(shí)往往受到檢測人員經(jīng)驗(yàn)與水平的影響導(dǎo)致精確度不高。一旦水深超過50 m還需用飽和潛水資源，費(fèi)用高昂。此外在實(shí)踐過程中受各種因素制約，常規(guī)檢測一般只能做到抽檢，難以全面反映結(jié)構(gòu)的整體安全健康狀況。

相對于傳統(tǒng)檢測來說，結(jié)構(gòu)動力檢測和監(jiān)測技術(shù)不僅提高了經(jīng)濟(jì)性和安全性，而且消除了各種制約因素造成的局限性，因此是對傳統(tǒng)檢測的完善和補(bǔ)充，未來將會是海洋平臺結(jié)構(gòu)檢測不可或缺的重要手段。該技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代末，近年來隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，在大型結(jié)構(gòu)動力檢測實(shí)踐中開始逐步采用無線通訊傳輸技術(shù)和相配套的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)[1-3]、模型修正技術(shù)[4]及損傷識別技術(shù)[5，6]?；诖思夹g(shù)發(fā)展而來的便攜式振動檢測具有方法簡單、操作成本低等特點(diǎn)。工業(yè)界也引入了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[7]，為相關(guān)技術(shù)的工程實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)。

1 無線振動檢測及其配套技術(shù)

無線振動信號采集的儀器為便攜式海洋平臺結(jié)構(gòu)振動檢測儀。該無線振動信號采集儀采用分布式網(wǎng)絡(luò)化的無線傳感器布置，比常規(guī)有線振動測量節(jié)省了大量的布纜工作和輔助設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)振型的實(shí)時(shí)、同步、高精度采集。采用的傳感器是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)固態(tài)加速度型傳感器，它具有體積小、重量輕、低功耗、高靈敏度、低噪聲、寬頻帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是該傳感器對超低頻的振動信號非常靈敏，靜態(tài)噪聲帶內(nèi)有效值約為0.1 mg～0.2 mg，滿足大尺度導(dǎo)管架平臺超低頻段振動振型的測量要求。

利用振動檢測儀采集到的實(shí)測數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過濾波去噪、去均值、去趨勢項(xiàng)等預(yù)處理步驟，然后進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析，得到加速度時(shí)間歷程圖(時(shí)域圖)和頻譜圖(PSD圖)。通過分析可以實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理效果，為模態(tài)參數(shù)識別做準(zhǔn)備。該文采用的具體的識別方法是“基于模型定階和信號消噪的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法(ERA)”[2]，其基本原理為利用環(huán)境荷載作用下的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用自然激勵(lì)技術(shù)獲取其脈沖響應(yīng)，然后通過hankel矩陣秩估計(jì)法來合理確定識別模型的階次，并進(jìn)行信號消噪處理，最后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。通過模型定階和信號消噪，極大地提高了模態(tài)參數(shù)識別的精度和準(zhǔn)確性，消除了虛假模態(tài)對模型修正和損傷識別的影響，提高了海洋平臺振動測量技術(shù)的實(shí)用性。在得到實(shí)測的平臺結(jié)構(gòu)模態(tài)特征參數(shù)后，可以通過修正平臺模型的質(zhì)量和剛度，如海生物厚度、上部質(zhì)量、邊界條件等來修正原始的結(jié)構(gòu)有限元模型，通過修正使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測識別出模態(tài)趨于一致，該方法利用結(jié)構(gòu)實(shí)測的振動信息修正結(jié)構(gòu)的有限元，彌補(bǔ)了建立模型過程中產(chǎn)生的誤差和不確定性，使修正后的模型更好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的動力特性。

2 無線振動檢測應(yīng)用

2.1 無線傳感器實(shí)測布置

結(jié)構(gòu)振動測量應(yīng)用工程為東海平湖DPP平臺。首次振動測量依據(jù)布點(diǎn)原則，并根據(jù)現(xiàn)場情況共布設(shè)20個(gè)無線振動傳感器，分別是帶纜走道層6個(gè)，工作甲板7個(gè)，下層甲板4個(gè)，上層甲板2個(gè)以及直升機(jī)甲板1個(gè)，每個(gè)傳感器可測量三個(gè)方向的加速度，具體布置如圖1所示。

由于測點(diǎn)較多，為方便數(shù)據(jù)對比和處理分析。將數(shù)據(jù)分為四組進(jìn)行分析(如圖2所示)，分別為：

(1)第一組包括各層?xùn)|南角點(diǎn)，共五個(gè)，從上到下組成一“串”，此選擇方式是常規(guī)選點(diǎn)方式，更利于水平方向振型顯示。

(2)第二組包括位于帶纜走道層的六個(gè)點(diǎn)。

(3)第三組包括位于工作甲板的七個(gè)點(diǎn)。

(4)第四組包括位于下層甲板的四個(gè)點(diǎn)。

圖1 無線傳感器布設(shè)圖

圖2 傳感器數(shù)據(jù)處理分組圖

2.2 典型測量數(shù)據(jù)時(shí)域和頻域分析

首次現(xiàn)場測試共采集有效數(shù)據(jù)2 730段。該文根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件選取10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的180段典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。測量期間平臺現(xiàn)場海況條件為：瞬時(shí)風(fēng)速為4 m/s ～10 m/s，表層流速10 cm/s ～50 cm/s，有效波高為0.77 m～1.29 m。

綜合考慮，選擇現(xiàn)場海況最惡劣的測量時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行處理分析?，F(xiàn)場獲取數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、去均值、去趨勢項(xiàng)等預(yù)處理，然后再進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到時(shí)域圖、PSD圖。圖3為時(shí)域圖，分別給出了第1組、第2組測量點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，時(shí)域圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間/s，縱坐標(biāo)表示加速度/(m/s2)。圖4為測點(diǎn)的PSD圖，其橫坐標(biāo)表示頻率/Hz，縱坐標(biāo)表示功率譜密度/(m2/s3)，其中通道標(biāo)號、方向等信息見表1、表2。

表1 第一組測點(diǎn)基本信息

表2 第二組測點(diǎn)基本信息

圖3 典型惡劣海況下兩組測點(diǎn)時(shí)域圖

圖4 典型惡劣海況下兩組測點(diǎn)PSD圖

從圖3和圖4可以看出，該段加速度明顯比其他時(shí)段大，此次測量的最大加速度出現(xiàn)在此段，為3.17 gal。對初步處理的加速度信號進(jìn)行頻域分析得到加速度譜圖。采用改進(jìn)的快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行頻域分析，得出兩個(gè)明顯特征頻率，分別是一階頻率0.412 Hz和二階頻率0.549 Hz，分別代表平臺結(jié)構(gòu)在南北方向及東西方向上的平動固有頻率，為下一步ERA識別方法提供對比依據(jù)。

3 模態(tài)參數(shù)識別與模型修正

3.1 模態(tài)參數(shù)識別

綜合比較測量數(shù)據(jù)，選取現(xiàn)場實(shí)測中激勵(lì)最大，信號穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段，采用ERA法開展時(shí)域分析，識別結(jié)果見表3。

表3 基于第一次實(shí)測的ERA模態(tài)識別結(jié)果

由表3可以看出，MAC、MPC、CMI為衡量模態(tài)參數(shù)識別質(zhì)量的三個(gè)指標(biāo)參數(shù)，越接近階次1，表明識別越接近實(shí)際值。表中MAC(Modal Assurance Criteria)為模態(tài)幅值相干系數(shù)，表示兩個(gè)向量夾角的余弦，在此處用來表示理論振型和識別振型的符合程度；MPC(Mode Phase Collinearity)為模態(tài)相位共線性，對小阻尼系統(tǒng)，MPC用來表示模態(tài)空間一致性，用來計(jì)算模態(tài)振型系數(shù)的實(shí)、虛部之間的函數(shù)線性關(guān)系；CMI(Consistent Mode Indicator)為一致模態(tài)指標(biāo)，表示空間和時(shí)間信息要同時(shí)保持一致[8，9]。

從多段數(shù)據(jù)的識別結(jié)果來看，可以識別得到穩(wěn)定的前三階模態(tài)參數(shù)包括頻率、阻尼比及振型，且前二階固有頻率與采用頻域方法得到的結(jié)果相近。圖5是識別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的前三階振型，由圖5可以看出，第1階振型為南北方向的平動振型，第2階為東西方向上的平動振型，第3階為平臺三階扭轉(zhuǎn)振動。

圖5 識別得到的平臺前三階振型

第二次現(xiàn)場測量和第一次測量時(shí)隔三個(gè)月左右。期間連續(xù)經(jīng)歷兩次臺風(fēng)，中心風(fēng)力分別為10級和11級。第二次測量傳感器的布置方案和測點(diǎn)分組和第一次測量基本一致，測量期間海況條件明顯惡劣，瞬時(shí)風(fēng)速為8 m/s ～18 m/s，表層流速9 cm/s ～51 cm/s，有效波高為0.94 m ～2.9 m。

綜合比較測量數(shù)據(jù)，選取激勵(lì)最大、信號穩(wěn)定的數(shù)據(jù)段，采用基于模型定階和信號消噪的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)法(ERA方法)進(jìn)行識別，識別結(jié)果見表4。

表4 基于第二次實(shí)測的ERA模態(tài)識別結(jié)果

3.2 基于振動檢測的模型修正

平湖DPP平臺以往采用的評估模型是在詳細(xì)設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上考慮了平臺服役期間的歷次改造和歷年的無損檢測結(jié)果。由于設(shè)計(jì)的保守性和無損檢測的一些缺陷造成原先的評估模型和實(shí)際平臺現(xiàn)狀有一定的差距，可靠性較低，該文依據(jù)2011年評估模型并基于實(shí)測模態(tài)信息進(jìn)行模型修正。結(jié)合兩次實(shí)測，在2011年模型基礎(chǔ)上對模型質(zhì)量和P-y曲線(剛度)進(jìn)行修正，以實(shí)測模態(tài)參數(shù)為依據(jù)，通過參數(shù)的調(diào)整使得所修正模型和實(shí)際模態(tài)的振型相關(guān)性達(dá)到0.98以上，可認(rèn)為修正模型已與實(shí)際平臺動力特性基本一致。表5列出詳細(xì)設(shè)計(jì)、2011年評估模型及該文兩次實(shí)測的頻率。由表5可以看出，詳細(xì)設(shè)計(jì)和2011年版模型的各階頻率均小于實(shí)測值。這主要是設(shè)計(jì)考慮的平臺質(zhì)量比實(shí)際偏大，因而造成計(jì)算頻率偏小。

對兩次實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，前三階的固有頻率變化均在2.5%以內(nèi)，也說明兩次實(shí)測之間平臺結(jié)構(gòu)整體未出現(xiàn)明顯變化。

表5 模型修正前后平臺結(jié)構(gòu)固有頻率比較

4 結(jié)論

(1) 首次將無線結(jié)構(gòu)振動檢測技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)工程實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的三維、高精度、同步測量。與常規(guī)有線測量技術(shù)相比，該方法避免了大規(guī)模布置電纜、輔助設(shè)備應(yīng)用及系統(tǒng)集成調(diào)試的工作，縮短了工期，可用于異常情況或極端海況之后的快速巡檢和整體評估。

(2) 首次將基于模型定階與信號消噪的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)進(jìn)行了工程應(yīng)用。該技術(shù)通過hankel矩陣秩估計(jì)法來合理確定識別模型的階次，并進(jìn)行信號消噪處理，最后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。通過模型定階和信號消噪，極大提高了模態(tài)參數(shù)識別的精度和準(zhǔn)確性，消除了虛假模態(tài)對模型修正和損傷識別的影響，提高了海洋平臺振動測量技術(shù)的實(shí)用性。

(3) 基于振動實(shí)測模態(tài)識別結(jié)果對平臺估模型進(jìn)行了修正，使得修正后的有限元模型的動力特性與實(shí)測結(jié)果吻合較好，為后續(xù)該平臺結(jié)構(gòu)的安全評估和完整性管理提供了基礎(chǔ)。

鑒于該文方法的可行性，可在新建平臺運(yùn)營初期開展無線振動檢測，建立結(jié)構(gòu)完整性管理的動力基準(zhǔn)模型，為后期運(yùn)維提供參考。此方法可作為常規(guī)無損檢測的有益補(bǔ)充，納入到平臺結(jié)構(gòu)完整性管理計(jì)劃中。通過基于振動檢測的損傷識別判斷水下結(jié)構(gòu)是否異常，可輔助制定和優(yōu)化水下NDT檢測，節(jié)省資源和費(fèi)用，對于通過結(jié)構(gòu)預(yù)評估制定檢測計(jì)劃的方案提供了一種補(bǔ)充手段。通過修正后的模型比理論模型更客觀，可在修正模型的基礎(chǔ)上根據(jù)常規(guī)無損檢測的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估。利用修正的評估模型，還可以在平臺升級改造評估、延壽評估中提供更有參考價(jià)值的結(jié)論，同時(shí)，對年檢和特檢計(jì)劃的制定以及清除海生物作業(yè)具有重要的指導(dǎo)作用。

[1] 王樹青, 林裕裕, 孟元棟，等. 一種基于奇異值分解技術(shù)的模型定階方法[J].振動與沖擊，2012，31(15):87-91.

[2] 李萍，王樹青，李華軍.特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法識別中的噪聲問題研究[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41(7)，176-182.

[3] LI H J, LI P, HU S J. Modal parameter estimation for jacket-type platforms using noisy free-vibration data: Sea test study[J]. Applied Ocean Research, 2012,37:45- 53.

[4] WANG S Q, LI Y C, LI H J. Structural model updating of an offshore platform using the cross model cross mode method: An experimental study[J].Ocean Engineering, 2015,97:57-64.

[5] WANG S Q, LIU F S, ZHANG M. Modal Strain Energy Based Structural Damage Localization for Offshore Platform using Simulated and Measured Data[J]. Journal of Ocean University of China (Oceanic and Coastal Sea Research), 2014,13 (3): 397-406.

[6] LI H J, WANG J, HU S J. Using incomplete modal data for damage detection in offshore jacket structures[J]. Ocean Engineering, 2008, 35 (17): 1793-1799.

[7] 中國船級社.海上固定平臺振動檢測與結(jié)構(gòu)安全評估指南[M].2014.

[8] JUANG J N,PAPPA R S. An Eigensystem Realization Algorithm for Modal Parameter Identification and Model Reduction[J]. Guidance，Control and Dynamics，1985，8(5):620-627.

[9] PAPPA R S,ELLIOTT K B,SEHENK A. Consistent-mode indicator for the Eigensystem Realization Algorithm[J].Journal of Guidance Control and Dynamics,1993,16(5):852-858.

An Application of Wireless Vibration Test and Structural Damage Detection to Offshore Platform

GUAN Yao-hua1, ZHOU Lei2, ZHONG Hua1, WANG Wei-wei2, WANG Shu-qing3

(1. CNOOC (China) Co., Ltd， Shanghai Branch, Shanghai 201648， China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300452, China; 3. College of Engineering, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China)

This paper presents the first engineering application of wireless vibration test and structural damage detection to the structural integrity management (SIM) engineering practice of a platform in East China Sea. Base on the measured data of vibration test, the structural modal detection and structural modal updating have been utilized to achieve a fast structural safety prediction for offshore fixed platform. The engineering case showed in this paper demonstrates the feasibility and reliability of the presented method. It creates a sort of possibility of using wireless vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structure. The presented method can be regarded as a useful supplement to the traditional NDT method and it has brilliant application future in structure life-extension and NDT scheme optimization.

vibration test; modal parameter identification； damage detection; structural integrity management

2016-04-25

國家自然基金項(xiàng)目(51379196)。

官耀華(1958-)，男，高級工程師。

1001-4500(2016)05-0027-07

P75

A