現(xiàn)役導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與數(shù)字孿生技術(shù)

閆天紅 王維剛 趙海峰 周國強(qiáng)

東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶，163318

0 引言

我國現(xiàn)有362座導(dǎo)管架平臺(tái)，其中106座平臺(tái)已超過設(shè)計(jì)使用年限但還在繼續(xù)服役。由于海洋環(huán)境的影響，導(dǎo)管架平臺(tái)在服役期間會(huì)產(chǎn)生各種損傷，平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能相比原設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)發(fā)生變化。目前主要采用導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)部分節(jié)點(diǎn)損傷檢測方法，并根據(jù)檢測結(jié)果修改導(dǎo)管架原設(shè)計(jì)有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度核算。由于測點(diǎn)有限，所以不能準(zhǔn)確真實(shí)地反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。如果水下結(jié)構(gòu)全部桿件和節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行檢測，則費(fèi)用將達(dá)幾千萬甚至上億元，而且其結(jié)果也僅反映檢測的當(dāng)時(shí)。由此可見，當(dāng)前平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測及延壽的需求比以往任何時(shí)候更為迫切。

數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理與數(shù)值模型高度融合的重要手段，2002年由GRIEVES等提出[1]，近年來在各個(gè)領(lǐng)域引起了極大的關(guān)注[2-4]。數(shù)字孿生是真實(shí)實(shí)體結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，它不僅反映了實(shí)體結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)，同時(shí)還記錄了實(shí)體結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的數(shù)字線。

據(jù)有關(guān)案例介紹[5-7]，海上導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)壽命一般為25年，但是通過長期的監(jiān)測與全面的研究計(jì)算，其服役壽命可延長30%～400%。Ramboll公司于2006年首次將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于海上平臺(tái)，其有效性已在INEO、TATAL和HESS的海上平臺(tái)上得以驗(yàn)證[8-9]。

目前我國導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測大多偏于振動(dòng)監(jiān)測[10-11]，并以初始有限元模型設(shè)定的損傷特征計(jì)算獲得的基頻作為預(yù)警條件，海洋環(huán)境監(jiān)測及結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測的案例比較少。由于缺乏數(shù)字孿生技術(shù)的支撐，使得平臺(tái)結(jié)構(gòu)評價(jià)及延壽預(yù)測的監(jiān)測數(shù)據(jù)僅停留于所分析的當(dāng)時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模型的真正孿生，導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)評價(jià)及壽命預(yù)測出現(xiàn)偏差。

本文在南海某導(dǎo)管架平臺(tái)上開發(fā)了風(fēng)浪環(huán)境監(jiān)測與平臺(tái)振動(dòng)、應(yīng)變響應(yīng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境與結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，構(gòu)建平臺(tái)結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生。文中以平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體性能、以結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部性能，通過基于模態(tài)參數(shù)的有限元模型修正、基于波浪作用應(yīng)變的有限元模型修正，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測平臺(tái)與有限元模型的真正數(shù)值孿生，為科學(xué)預(yù)測平臺(tái)結(jié)構(gòu)狀態(tài)及壽命奠定了基礎(chǔ)。

1 環(huán)境監(jiān)測與平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

南海某導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)水深146 m，平臺(tái)長寬高分別為85.954 m×68.275 m×187.715 m。平臺(tái)由樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架、甲板組塊三部分組成。樁基礎(chǔ)為16根φ1828.8 mm(72英寸)裙樁，入泥深度118 m，質(zhì)量5628 t；導(dǎo)管架為八樁腿結(jié)構(gòu)，主立柱截面(φ2438 mm×69.85 mm,φ1829 mm×69.85 mm,φ1829 mm×63.5 mm,φ1372 mm×50.8 mm)，質(zhì)量15 600 t；甲板組塊由四層組成，面積61 m×58.5 m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量12 098 t。平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測分為風(fēng)浪環(huán)境監(jiān)測與平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測。

1.1 風(fēng)浪環(huán)境監(jiān)測

風(fēng)浪是評估海上導(dǎo)管架平臺(tái)所處環(huán)境的重要參考元素。設(shè)計(jì)時(shí)一般已對平臺(tái)所處的環(huán)境進(jìn)行了規(guī)定，但隨著近年來全球氣候變化的影響，海上極端氣象頻發(fā)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)傳統(tǒng)意義上多年一遇海洋環(huán)境條件的概率增加，使現(xiàn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)評價(jià)及疲勞壽命預(yù)測條件偏離了實(shí)際的海洋環(huán)境狀況。

本項(xiàng)目中，風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測選用超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀，海浪監(jiān)測選用雷達(dá)測波儀，高精度地測量水面的垂直距離。風(fēng)浪監(jiān)測實(shí)景如圖1所示。

(a)風(fēng)速風(fēng)向儀 (b)雷達(dá)測波儀圖1 風(fēng)浪監(jiān)測Fig.1 Scence of wind wave monitoring

1.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測

海上平臺(tái)響應(yīng)監(jiān)測包括振動(dòng)監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)分別為加速度與應(yīng)變，激勵(lì)方式為海洋風(fēng)浪環(huán)境載荷作用。振動(dòng)監(jiān)測的目的是測取結(jié)構(gòu)的固有頻率及模態(tài)，通過對比歷史狀態(tài)，建立固有頻率或模態(tài)與結(jié)構(gòu)剛度及平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全要素的對應(yīng)關(guān)系；應(yīng)變監(jiān)測的目的是測取海浪作用下結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)附近的局部應(yīng)變，通過測點(diǎn)與焊趾的熱點(diǎn)應(yīng)力，評價(jià)其疲勞壽命。

本項(xiàng)目中選用力平衡加速度計(jì)與智能應(yīng)變計(jì)，具體實(shí)景如圖2所示。

(a)平衡加速度計(jì) (b)智能應(yīng)變計(jì)圖2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測Fig.2 Sence of structural response monitoring

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)集成

海上導(dǎo)管架平臺(tái)監(jiān)測整套系統(tǒng)除了環(huán)境監(jiān)測及結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測以外，還包括太陽能與UPS電源保障系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)北斗衛(wèi)星自動(dòng)傳輸系統(tǒng)等，具體實(shí)景如圖3所示。

圖3 南海某導(dǎo)管架平臺(tái)監(jiān)測示圖Fig.3 Monitoring diagram of a jacket platform inSouth China Sea

2 基于振動(dòng)監(jiān)測的有限元模型修正

2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)數(shù)值模態(tài)分析

根據(jù)南海某導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖紙，應(yīng)用ANSYS軟件建立有限元模型。該模型共有節(jié)點(diǎn)13 115個(gè)，三維梁單元13 916個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)方向自由度，一共有78 690個(gè)自由度。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)：彈性模量取210 GPa，泊松比取0.3，密度取7850 kg/m3。

經(jīng)ANSYS分析，該平臺(tái)前3階頻率分別為0.428 71 Hz、0.457 27 Hz和0.651 89 Hz，對應(yīng)的前3階模態(tài)如圖4所示。其中第1階為y方向的平動(dòng)，第2階為x方向的平動(dòng)，第3階為繞z軸的扭轉(zhuǎn)。

(a)第1階模態(tài) (b)第2階模態(tài) (c)第3階模態(tài)圖4 某導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)Fig. 4 Structural mode of a jacket platform

2.2 振動(dòng)監(jiān)測模型與有限元模型相關(guān)分析

平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測中由于水下結(jié)構(gòu)不易布置傳感器，且水上結(jié)構(gòu)傳感器的數(shù)量也十分有限，導(dǎo)致監(jiān)測模型與有限元模型幾何空間不匹配、模態(tài)振動(dòng)空間不完備等問題突出，通過監(jiān)測模型與有限元模型相關(guān)分析，解決設(shè)計(jì)時(shí)有限元模型自由度居多與監(jiān)測模型測點(diǎn)較少的問題，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測的初始數(shù)字孿生。

振動(dòng)監(jiān)測模型(vibration monitoring model, VMM)與有限元模型(finite element model， FEM)相關(guān)分析主要包括測點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)匹配、測試自由度與計(jì)算自由度匹配、測試模態(tài)振型與計(jì)算模態(tài)振型匹配。

(a)VMM (b)FEM節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測測點(diǎn)匹配圖5 平臺(tái)VMM與FEM匹配Fig.5 Platform VMM matching with FEM

圖5所示為平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測模型測點(diǎn)與有限元模型節(jié)點(diǎn)匹配情況。圖5b中紅色線相連的表示平臺(tái)結(jié)構(gòu)監(jiān)測模型，綠色點(diǎn)表示監(jiān)測模型上測點(diǎn)與有限元模型節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的匹配點(diǎn)。從圖中看到，測點(diǎn)與有限元模型節(jié)點(diǎn)幾何匹配的誤差為零。

(a)測點(diǎn)與FEM節(jié)點(diǎn) (b)測點(diǎn)與FEM節(jié)點(diǎn) x向自由度 y向自由度圖6 平臺(tái)VMM與FEM自由度匹配Fig.6 Platform monitoring model and FEM degreeof freedom matching

本項(xiàng)目中，共布置5個(gè)雙向加速度傳感器，具體位置圖6所示。圖6中紅色的箭頭方向表示測點(diǎn)的測試方向。由圖可見，在監(jiān)測模型與有限元模型上有5個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)有2個(gè)測試方向，即x、y向。

經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后，可對振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行分析，并通過OMA(工作模態(tài)分析)的隨機(jī)子空間識(shí)別(SSI)方法確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)。

模型修正前，經(jīng)參數(shù)識(shí)別實(shí)測獲得的第1階、第2階模態(tài)振型、頻譜曲線與有限元模型計(jì)算的結(jié)果存在差異(表1、圖7～圖9)，主要來源于有限元模型建模的誤差，包括模型邊界約束的簡化等。表1中的MAC(modal assurance criterion)表示模態(tài)置信準(zhǔn)則，用于評估實(shí)測模態(tài)振型與分析振型之間的相關(guān)程度，MAC的值介于0與1之間，等于1表示相關(guān)極好，等于0表示兩個(gè)模態(tài)毫不相干。

表1 FEM模態(tài)與實(shí)測模態(tài)比較

2.3 基于模態(tài)參數(shù)的有限元模型修正

模型修正時(shí)，具體選擇什么參數(shù)可根據(jù)靈敏度分析后確定。本文將導(dǎo)管架平臺(tái)底部基礎(chǔ)16個(gè)樁基邊界約束的剛度作為修正量，以樁壁厚h為局部參數(shù)，共待修正的參數(shù)達(dá)到16個(gè)，特征量選擇頻率+MAC。應(yīng)用貝葉斯方法求解修正量，選擇CCABS值(預(yù)測與參考共振頻率之間絕對相對差的平均值)作為收斂準(zhǔn)則，基于一階模態(tài)響應(yīng)的修正經(jīng)過13次迭代收斂，基于二階響應(yīng)的經(jīng)109次迭求解收斂，最后得到修正后模型。修正后結(jié)果如表2所示。

表2 模型修正后FEM模態(tài)與實(shí)測模態(tài)比較

(a)x向模態(tài)振型 (b)y向模態(tài)振型圖7 平臺(tái)VMM實(shí)測振型與FEM計(jì)算振型匹配Fig.7 Matching of measured vibration mode ofplatform monitoring model with FEM calculation mode

圖8 模型修正第1階實(shí)測頻率與有限元模型計(jì)算頻率之間的比較Fig.8 Comparison between the measured frequency ofthe first order before model modification and thecalculated frequency of the finite element model

圖9 模型修正第2階實(shí)測頻率與有限元模型計(jì)算頻率之間的比較Fig.9 Comparison between the measured frequency ofthe 2nd order before model modification and thecalculated frequency of the finite element model

基于第1階、第2階響應(yīng)的模型修正后參數(shù)變化情況如圖10所示，其中1～8為主樁基、8～16為副樁基。

圖10 模型修正后參數(shù)變化情況Fig.10 Parameter changes after model updating

3 基于應(yīng)變監(jiān)測的有限元模型修正

3.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型

應(yīng)變傳感器布置時(shí)，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)及設(shè)備等自重已經(jīng)作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)上，則應(yīng)變監(jiān)測時(shí)測得的應(yīng)變值僅反映風(fēng)浪作用下平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化的情況。應(yīng)變監(jiān)測具體位置，需通過有限元預(yù)分析優(yōu)化確定風(fēng)浪作用下平臺(tái)承載大的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵部位。為了清晰地表示應(yīng)變測試的具體位置，本文建立了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)小尺度實(shí)體單元子模型，與其他部分大尺度梁桿單元組成平臺(tái)結(jié)構(gòu)多尺度模型。在該模型中以梁單元節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，實(shí)體四點(diǎn)單元的節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)并生成約束方程，由約束方程生成剛性線，最后形成剛性面。整個(gè)模型共有節(jié)點(diǎn)總數(shù)27 159個(gè)，單元總數(shù)57 191個(gè)，其中梁單元13 881個(gè)，四點(diǎn)實(shí)體單元43 310個(gè)。詳細(xì)多尺度模型如圖11所示。

(a)平臺(tái)多尺度模型 (b)多尺度模型耦合面圖11 平臺(tái)多尺度模型和耦合面Fig.11 Multi scale model and coupling surfaceof platform

3.2 應(yīng)變測點(diǎn)與有限元模型相關(guān)分析

如圖11b所示，導(dǎo)管架平臺(tái)某關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)中應(yīng)變監(jiān)測的具體位置為圖12中的一根斜桿上，在該斜桿沿著軸向方向的上下和內(nèi)外表面共布置了4個(gè)應(yīng)變傳感器，詳細(xì)情況如圖12、表3所示。

表3 平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測點(diǎn)與多尺度FEM匹配

經(jīng)計(jì)算，測點(diǎn)位置計(jì)算應(yīng)變值與監(jiān)測應(yīng)變值的比較如表4所示，其中SX表示局部坐標(biāo)系中沿桿件軸線的方向。

(a)平臺(tái)一斜桿應(yīng)變計(jì)(b)平臺(tái)一斜桿應(yīng)變計(jì) 安裝位置(外側(cè)) 安裝位置(內(nèi)側(cè))圖12 平臺(tái)應(yīng)變計(jì)安裝位置Fig.12 Installation position of platform strain gauge

表4 FEM計(jì)算應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變比較

2.3 基于應(yīng)變的有限元模型修正

根據(jù)平臺(tái)關(guān)鍵管節(jié)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測情況，修正參數(shù)選為彈性模量，修正量為43310個(gè)單元；響應(yīng)參數(shù)分別選擇為實(shí)測應(yīng)變值，共4個(gè)響應(yīng)參數(shù)。模型修正后計(jì)算結(jié)果如表5所示。模型修正后平臺(tái)關(guān)鍵管節(jié)點(diǎn)焊腳處SX應(yīng)變與等效應(yīng)變?nèi)鐖D13、圖14所示。

表5 FEM修正后計(jì)算應(yīng)變與實(shí)測應(yīng)變比較

圖13 模型修正后關(guān)鍵管節(jié)點(diǎn)SX應(yīng)變云圖Fig.13 SX strain nephogram of key nodes aftermodel updating

圖14 模型修正后關(guān)鍵管節(jié)點(diǎn)Mise應(yīng)變云圖Fig.14 Mise strain nephogram of key nodes aftermodel updating

導(dǎo)管架平臺(tái)監(jiān)測后，基于監(jiān)測數(shù)據(jù),通過雙重模型修正實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)真正的數(shù)字孿生，通過屏幕可顯示平臺(tái)實(shí)體與數(shù)字孿生的實(shí)際情況，如圖15所示。

圖15 南海某導(dǎo)管架平臺(tái)與數(shù)字孿生Fig.15 A jacket platform and digital twin in theSouth China Sea

4 結(jié)論

目前，對于大多數(shù)現(xiàn)役的導(dǎo)管架平臺(tái)而言，需根據(jù)實(shí)際情況對平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測試，通過模態(tài)參數(shù)識(shí)別獲得結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過多次不定期的檢測分析評價(jià)平臺(tái)實(shí)際性能。

本文僅就服役導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生進(jìn)行了分析，真實(shí)反映了現(xiàn)役導(dǎo)管平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征(模態(tài)參數(shù))及所處海域的波浪載荷。通過數(shù)字孿生技術(shù)，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可不斷地修改平臺(tái)結(jié)構(gòu)孿生模型，隨時(shí)掌握海上導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)行為，并進(jìn)行科學(xué)預(yù)測、預(yù)防性維護(hù)，以延長平臺(tái)服役壽命。