安振武

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

0 引 言

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計，中海油目前服役的導管架平臺已超過 240座，其中近 60座已經(jīng)或?qū)⒁_到它們的設計壽命，正步入后服役期，這些平臺隨著服役年限增長，由于環(huán)境腐蝕、材料老化、構(gòu)件缺陷、機械損傷、突發(fā)災害、疲勞及裂紋擴展的損傷積累等原因，平臺抗力衰減現(xiàn)象日益嚴重?？沽λp會導致平臺可靠性降低，甚至發(fā)生平臺倒塌事故，一旦發(fā)生平臺結(jié)構(gòu)安全事故，無論是人員損傷還是經(jīng)濟損失，所造成的后果都是十分嚴重的。因此，為確保導管架平臺的安全運營，需要對其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要目的是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對平臺結(jié)構(gòu)的損傷進行評估，傳統(tǒng)的無損檢測/監(jiān)測方法基本上是對局部結(jié)構(gòu)損傷進行檢測評估，如目測、X光檢測、超聲檢測、磁粉和熱成像等方法，這些檢測方法決定了它們的非全局性和非實時性，不能滿足現(xiàn)代大型工程結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)安全性進行全面監(jiān)測、實時評估的要求。相比而言，振動檢測技術(shù)由于其可以實現(xiàn)實時監(jiān)測，并具有能夠在整體上評估結(jié)構(gòu)損傷等優(yōu)點[1]，受到廣泛重視。

1 振動檢測技術(shù)

振動檢測是對工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行檢測，通過檢測可以得到結(jié)構(gòu)的動力響應數(shù)據(jù)，依據(jù)相應的參數(shù)識別方法得到需要的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)，包括固有頻率、阻尼、模態(tài)等，以此對結(jié)構(gòu)進行損傷判定。振動具有整體檢測與識別的能力，可借助有限元分析進行損傷識別或信號處理技術(shù)識別。對海洋平臺復雜結(jié)構(gòu)，可借助環(huán)境激勵及用動態(tài)分析技術(shù)進行結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測與識別，相關(guān)損傷識別方法需要早期信息。

2 振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方法

導管架海洋平臺可以運用輸入未知條件下的模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)從結(jié)構(gòu)的動力響應信號中識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。利用隨機減量法提取結(jié)構(gòu)自由響應信號，時序分析法或復指數(shù)提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，運算量較大但識別精度較高。數(shù)據(jù)處理方法如下：

2.1 隨機減量法

隨機減量法是一種提交結(jié)構(gòu)自由衰減響應信號的數(shù)據(jù)處理處理方法[2-4]，因其具有在工程中應用簡單、耗資低廉、效率較高等優(yōu)勢，已廣泛應用于結(jié)構(gòu)參數(shù)的識別。該方法的核心是假設一個穩(wěn)定的隨機激勵系統(tǒng)，其響應是確定性響應和外部負載激勵響應的組合。在相同的初始條件下，對響應的時間歷程進行分段獲取，計算多段獲取信號的總體平均值，從而達到提取自由衰減響應的目的。

對于海洋導管架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，某個點在隨機激勵下的動力響應可表示為[5-6]：

式中：D(t)為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原始位移為 1、原始速度為 0的系統(tǒng)自由振動響應；V(t)為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)原始位移為0，原始速度為 1的系統(tǒng)自由振動響應分別為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)振動的原始位移和原始速度；h(t)為系統(tǒng)單位脈沖響應函數(shù)；f(t)為外部激勵。

2.2 ARMA模型時間序列分析方法[3]

該方法是借用參數(shù)模型實現(xiàn)對有序隨機振動響應的數(shù)據(jù)進行處理，從而實現(xiàn)模態(tài)參數(shù)識別的方法。

可以用高階微分方程來描述 N個自由度的線性系統(tǒng)激勵與響應之間的關(guān)系。在離散時間域內(nèi)，可用一系列不同時刻的時間序列表示的差分方程來表示該微分方程，即ARMA時序模型方程：

式中：xt為響應數(shù)據(jù)序列；2N為自回歸模型和滑動平均模型的階次；ak、bk為待識別的自回歸系數(shù)和滑動均值系數(shù)；ft為白噪聲激勵。

當 k＝0 時，設 a0＝b0＝1。

2.3 復指數(shù)法[4, 7]

復指數(shù)法是采用復指數(shù)函數(shù)和的形式來表示基于結(jié)構(gòu)的自由振動響應或脈沖響應函數(shù)，然后通過線性方法確定未知參數(shù)。該方法的核心是將振型疊加法與振動微分方程相分離，建立動態(tài)響應與模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系。通過擬合脈沖響應函數(shù)，可以獲得完整的模態(tài)參數(shù)。

復指數(shù)法不依賴于模態(tài)參數(shù)的初始估計值。優(yōu)點是將非線性擬合問題轉(zhuǎn)化為線性問題，并且不太需要識別所需的復雜模態(tài)參數(shù)。缺點是選擇正確的模態(tài)順序所用時間較長，并需要做出多個假設來確定正確的模態(tài)節(jié)數(shù)。

一個多自由度的粘滯阻尼線性系統(tǒng)中，q點力所引起p點位移頻響函數(shù)可以表示為：

式中：Arpq為第r階模態(tài)相應的留數(shù)；J為虛數(shù)，取值為為系統(tǒng)的自由度數(shù)；sr為頻響函數(shù)第r階模態(tài)的極點。

3 監(jiān)測技術(shù)適用性驗證

3.1 導管架平臺應用試驗

以東海某導管架平臺為監(jiān)測對象，在其上部組塊開展結(jié)構(gòu)振動實時監(jiān)測工作，監(jiān)測設備采用的結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測系統(tǒng)是美國 BDI STS-Wifi無線結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，系統(tǒng)設備包括：基站1臺、節(jié)點模塊4臺、傳感器16個(見圖1)。

圖1 BDI STS-Wifi無線結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)Fig.1 BDI STS-Wifi wireless structure test system

根據(jù)設計、制造與安裝資料和結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)記錄資料，建立平臺精細有限元模型，對平臺進行靜力和動力分析，找出了平臺在各種環(huán)境激勵下位移響應最大的位置。選取了16個點位布置了傳感器(見圖2)。

圖2 振動檢測布點示意圖Fig.2 Vibration detection layout

3.2 基于振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)安全評估

對于老齡導管架平臺，由于未進行相應的監(jiān)測，缺少歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對這種情況，我們具體分析平臺結(jié)構(gòu)在服役期間可能出現(xiàn)的損傷工況，通過有限元分析來獲取平臺結(jié)構(gòu)在不同損傷工況下固有頻率的變化規(guī)律，將所得數(shù)據(jù)建立變化分布數(shù)據(jù)庫。然后，將平臺實時監(jiān)測所得數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫中，通過對比分析得到平臺損傷判定結(jié)果。

3.2.1 自振頻率辨識

將監(jiān)測所得振動數(shù)據(jù)經(jīng)過隨機減量法進行預處理，截取常數(shù) A取值為輸入數(shù)據(jù)長度的 1/10左右。經(jīng)過隨機減量法獲得的數(shù)據(jù)如圖3所示，圖中所輸入實驗數(shù)據(jù)為某點的X軸方向振動加速度。

圖3 隨機減量法輸入數(shù)據(jù)Fig.3 Input data of random decrement

圖4 隨機減量法預處理數(shù)據(jù)Fig.4 Preprocessing data of random reduction method

經(jīng)過預處理后，分別通過 ARMA法和復指數(shù)法對模態(tài)參數(shù)進行識別，要求輸出模態(tài)階數(shù)的數(shù)目 Mj小于截取常數(shù)的 1/4，大于截取常數(shù)的 1/6，即 A/6＜Mj＜A/4，如果Mj取值過小，則計算數(shù)據(jù)無法很好的擬合實測數(shù)據(jù)，造成模態(tài)頻率的丟失；如果 Mj選取過大，則會無法計算出合適的擬合曲線。一般通過選取不同的輸出模態(tài)階數(shù) Mj，然后對輸出模態(tài)進行篩選[8]。圖5、6所示為實測數(shù)據(jù)與擬合曲線對比圖。

圖5 復指數(shù)法擬合曲線Fig.5 Fitting curve analysis using complex exponential method

圖6 ARMA法擬合曲線Fig.6 Fitting curve analysis using ARMA method

從以上擬合曲線圖中可以看出復指數(shù)法和ARMA法計算得到的擬合曲線跟實測數(shù)據(jù)有很好的擬合度。

選取平臺4個監(jiān)測點的振動加速度信號，經(jīng)由隨機減量法預處理后經(jīng)過ARMA法和復指數(shù)法得到平臺的前階自振頻率，見表1。

在采用復指數(shù)法和 ARMA法時，需要給噪聲提供出口，這通常就需要提高模型的階次，有時噪聲模態(tài)的增加值要大于真實模態(tài)的階數(shù)[9]。這時會產(chǎn)生虛假模態(tài)。為了刪除過程中產(chǎn)生的虛假模態(tài)，本文采用兩種穩(wěn)定圖法和阻尼刪除法相結(jié)合的方式，其中穩(wěn)定圖法是通過對比不同模態(tài)階數(shù)的計算模型。如果這些模型獲得的擬合曲線與從監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得的曲線非常一致，則最穩(wěn)定和出現(xiàn)次數(shù)最多的模態(tài)可以被認為是系統(tǒng)的真實模式。阻尼比刪除法是分析識別得到的各階模態(tài)阻尼比，通常認為阻尼比小于 1%,或者大于 20%,是虛假模態(tài)[8,10]。

表1 復指數(shù)法與ARMA法辨識初始數(shù)據(jù)Tab.1 The initial data identified by complex exponential method and ARMA method

續(xù)表1(Continued)

通過表2中模態(tài)頻率數(shù)據(jù)進行篩選，得到測點自振頻率數(shù)據(jù)。

表2 最終辨識數(shù)據(jù)Tab.2 The final identification data

3.2.2 基于有限元分析的安全區(qū)域確定

根據(jù)平臺完工文件、歷次改造和檢測資料，采用ANSYS有限元分析軟件建立了導管架平臺結(jié)構(gòu)計算模型(見圖7)。

綜合考慮平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷的因素，確定平臺可能產(chǎn)生損傷的工況，包括平臺整體剛度衰減、平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)桿件的失效、平臺模塊質(zhì)量增加以及平臺結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件剛度衰減等。然后對上述工況模態(tài)分析。

圖7 導管架平臺ANSYS計算模型Fig.7 Jacket platform ANSYS model

通過模態(tài)分析，得到上述工況下平臺橫搖和縱搖頻率值，從而得出平臺不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的橫搖頻率以及縱搖頻率分布圖，如圖8所示：

圖8 多種工況下平臺橫搖頻率——縱搖頻率分布圖Fig.8 Jacket platform rolling pitch frequency distribution under different conditions

由分析結(jié)果可以看出，平臺整體剛度衰減時，橫縱搖頻率的變化呈線性關(guān)系，隨著整體剛度的衰減增大橫縱搖頻率逐漸減小；主樁腿和斜撐失效的點位于剛度衰減線的上方表明桿件失效時縱搖頻率變化幅度較橫搖小，主樁腿失效與斜撐失效相比橫搖減小更大，位于圖中左上，斜撐失效位于圖中右上；平臺上模塊質(zhì)量增加時，頻率點大致位于剛度衰減線附近靠下，不同模塊質(zhì)量增加導致位置變動。

3.2.3 平臺結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判定

通過上節(jié)中的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，得出了平臺在完整狀態(tài)和不同損傷狀態(tài)下橫搖頻率和縱搖頻率分布圖，以此為依據(jù)，對比表2中對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析所得的辨識模態(tài)參數(shù)，可對平臺結(jié)構(gòu)的損傷情況進行判定。

將實測數(shù)據(jù)放入橫搖頻率和縱搖頻率分布圖中，如圖9所示：

圖9 多種工況下平臺橫搖頻率——縱搖頻率分布圖(加入辨識模態(tài))Fig.9 Jacket platform rolling pitch frequency distribution under different conditions(adding the identification mode)

對上圖進行分析，平臺完整狀態(tài)(原設計)下計算所得橫搖固有頻率要比實測結(jié)果偏大約 6.4%,，而縱搖固有頻率則偏大約 7.8%,，模態(tài)識別的頻率大致在剛度衰減線和質(zhì)量增加線附近靠下。由此說明，該平臺結(jié)構(gòu)固有頻率的改變可能由于上部整體剛度衰減或平臺模塊質(zhì)量改變所引起。同時，根據(jù)平臺歷年維修和改造記錄可以發(fā)現(xiàn)該平臺從服役至今沒有進行大的改造，平臺質(zhì)量也沒有大的變化，因此，可以排除因平臺模塊質(zhì)量增加引起平臺固有頻率變化的可能，而且平臺服役年限已超過 10年，由此可以判定該平臺主要發(fā)生了整體剛度衰減。

4 結(jié) 論

本文將振動檢測技術(shù)應用到導管架平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，以某導管架平臺結(jié)構(gòu)為試驗對象，從振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、導管架平臺在不同損傷條件下的模態(tài)分析及導管架平臺結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)判定等方面開展研究，得到結(jié)論如下：

①采用隨機減量法對振動監(jiān)測數(shù)據(jù)提取的特征函數(shù)分別采用ARMA法與復指數(shù)法進行模態(tài)參數(shù)識別，得到的擬合曲線跟實測數(shù)據(jù)有很好的擬合度。采用穩(wěn)定圖法和阻尼比刪除法相結(jié)合的方法對 ARMA法與復指數(shù)法所得模態(tài)頻率數(shù)據(jù)進行篩選，最終可得到平臺的實際固有頻率。

②通過導管架平臺結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析得到平臺不同損傷工況下的動力學參數(shù)變化規(guī)律，以此為依據(jù)，結(jié)合經(jīng)過數(shù)據(jù)分析所得平臺實測辨識模態(tài)參數(shù)，可以實現(xiàn)對平臺損傷模式的判定。

③將平臺實測數(shù)據(jù)放入模態(tài)分析所得頻率變化分布圖中，并結(jié)合平臺實際情況，判定該平臺主要發(fā)生了整體剛度衰減。由此驗證了振動檢測技術(shù)在平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的適用性。