海洋平台结构健康监测方法综述.docx

海洋平台结构健康检测方法综述摘要海洋平台由于其重量大，结构复杂，并且长期处于苛刻的腐蚀性环境和多种荷 载作用的条件下，其结构健康监测问题已经成为了避免环境灾害以及经济损失、确 保安全健康服役所必需面临的问题通过对海洋平台健康监测问题的深入研究，总 结了近些年来各位专家学者对海洋平台结构检测问题的研究现状，归纳了海洋平台 健康监测的研究方向，并介绍了海洋平台健康监测的新方法，对海洋平台健康监测 的存在的问题和发展的方向做出了总结关键词：海洋平台健康监测振动响应新方法引言随着世界经济迅猛发展，石油天然气的需求量猛增，然陆地的油气供给能力有 限，海洋中又蕴藏着丰富的油气资源，所以，海洋油气资源的开发势在必行海洋 平台作为海上油田开发的主要设备，其投资占到了海洋石油开采总投资的70%左右， 一旦发生事故，不仅会带来重大的经济损失和人身伤亡，而且还会带来不良的社会 政治影响其目前所面临的问题主要有:海洋平台重量大而其结构复杂，长周期在苛 刻的腐蚀性环境条件下使用的大型工程结构物，其水下部分结构长期受到海水及海 生物的侵蚀、冻融损坏、碱集料反应和化学物质侵袭、地基冲刷、环境载荷等的作 用，使得结构的承载力会随着时间推移而降低。

特别是钢结构腐蚀病害而引起的平 台耐久性问题，已成为一个突出的灾害性问题;海啸、台风，过往船只撞击海洋平台、 火灾、天然气泄漏发生爆炸等偶然事件时有发生，极大威胁着平台的正常使用和耐 久性;半潜式平台的浮体与柱、柱与甲板连接处，张力腿平台的浮体与柱、张力腿与 浮体连接处以及支撑半潜式、张力腿甲板的刚架结构均是受力极大的危险区域，如 果结构不连续、加工或焊接上的缺陷，易形成应力集中，焊接残余应力也会造成材 料的局部塑性变形，这样在交变载荷、海水腐蚀等作用下，接头的高应力危险区将 会发生疲劳裂纹，并逐渐扩大而导致整个节点的破坏另外，由于平台所采用的材 料往往含有微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷（微裂纹和微孔洞）会成核， 发展及合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹疲劳损伤是平台设计中的核 心问题，已经发生不少海洋平台由于结构连接节点处出现疲劳破坏而引起垮塌的案 例早期疲劳损伤往往不易被监测到，但其带来的后果是灾难性的1969年我国渤海2号平台被海冰推倒，并使一号平台严重受损，造成直接经济 损失2000多万元;1974年海冰推倒了渤海四号平台的烽火台;我国从日本进口的“渤 海二号”自升式平台，1979年在渤海湾倾覆沉没，死亡72人;我国“爪哇海” (GlomarJavasea)钻井船，1983年在南海的莺歌海海域沉没，死亡81人。

2001年当 时世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西P 一 36号平台沉入大西洋，该平台 耗资3.6亿美元，仅事故造成的油井停产就使巴西每天损失300多万美元，该平台 的沉没给巴西造成了巨大的经济损失和环境污染问题2005年3月15日巴西 Roneador油田(离巴西12okm，水深135om，储量30亿桶)的采油平台因天然气泄漏, 发生三次爆炸，虽经现场26艘船多日施救，但在3月20日晚上9点30分翻转900, 沉人海底考虑到安全、环保和经济效益等各方面的因素:一方面不可能大量地拆除旧平台 而改建新平台;另一方面，还缺乏一整套有效的平台监测和管理系统，帮助管理者维 护平台由此，海洋平台健康监测十分重要随着石油开采向海洋发展，海洋平台的数量成倍增加，合适的设计方法确保结 构能够抵抗住不可预测的载荷造成的损伤，但是损伤在海洋平台结构的服役期间是 不可避免的结构健康监测技术实际就是传统结构动力学问题的逆问题，通过对结 构物进行实时、无损监测全面评估结构物损伤的技术确保人的生命安全和减少财 产损失的唯一方法是诊断出结构的损伤，并能及时进行修复由此可见，提高海洋 平台结构及设备的可靠性，确保海洋作业安全的问题日益突出，新平台的质量评价、 旧平台的残余寿命估计和在役平台的结构安全保证将成为日益突出的问题，海洋平 台结构的健康监测与损伤诊断已成为刻不容缓的重要课题，而且，这一技术的发展 将带动陆地重大工程结构健康监测技术的发展和应用，具有广阔的应用前景。

1海洋平台结构健康监测技术1・1海洋平台健康监测现状海洋平台健康监测的研究开始于20世纪70年代，研究领域主要涉及裂纹、 腐蚀以及结构应力与变形的监测等⑴VandiveH2］和Begg］利用固有频率的变化分 别研究了一个由船只碰撞引起的钢桩支撑的近海灯塔的损伤监测结果和一个 4.8米高的北海平台模型的测试结果Lolnad和Dodds［4］对三个北海平台开展了为期 6-9个月的声发射监测，以监测结果为基础，深入研究了平台的状态设置、形状、 周围环境对结果的影响以及系统的耗费研究发现，谱的变化都在 3%以内Oseguedab］基于某90英寸高的导管架海洋平台模型的动力特性改变研究项目，提 出识别与固有频率有关的振型是利用固有频率的改变准确识别模型损伤的基础 Hamamoto和Swamidas等⑹发现了一种新技术可以应用于三角架塔式平台模型损 伤的识别根据位移传感器和应变计测得的频响函数（FRFs ）实现对振型、频率和 阻尼比变化的监测，利用最大变化的传感器的位置来推断损伤位置 Kondo和Hamamoto⑺为了实现海洋平台损伤检测的目的，通过分析模态曲率变化初步确定损 伤区域，然后结合逆模态扰动法实现损伤单元定位和损伤程度评估。

Brincker［8］等在 测量海洋平台结构加速度时程时，应用了自回归移动平均模型，可以估算平台模型 阻尼水平和固有频率的变化，从而确定由损伤、环境条件的变化和海生物附着等造 成的结构固有频率的变化情况Stubbs和Kim⑼运用一种新的损伤检测方法实现了 损伤程度评估和离岸结构损伤定位这种方法假定结构损伤前的模态参数未知，实 测损伤结构的固有频率和振型通过数值仿真，虽然高估了损伤程度，但精确识别 了损伤位置Hanesn［i0］总结了固定式海洋平台结构安全监测技术现状，展望了以后 的技术发展趋势，他认为完成海洋平台健康监测的重要技术手段是以环境激励下海 洋平台结构动力响应为基础，建立一种以结构的输出信息为主的损伤识别模型，实 现结构和损伤单元的定位，再配合有效的局部NDT技术，最终实现海洋平台寿命 的定量监控和有效预警RabiulAlam和Swamidas［11］对钢制导管架海洋平台的裂纹 检测采用了位移和应变响应的研究方法通过数值模拟分析一种理想化的三维空间 结构，运用ABAQUS软件分析其全局和局部响应，发现在裂纹周围的应力和应变 变化明显，而以焊趾处的变化最为突出Nichols^］研究了环境激励和经验模型在海 洋平台健康检测中所起的作用，并对两种简单的海洋平台结构模型施加遵 循Pierson-Moskowitz波谱分布的随机激励，以未损伤结构输出响应为基础，判断损伤发生时的结构响应，实现了对海洋平台结构刚度退化的健康检测。

国内的研究主要 是通过测试固有频率、模态分析、频率响应、经验模式分解、小波分析等方法实现 对海洋平台的健康检测窦润福等［13］介绍了轴载荷和面内弯曲载荷作用下，34只 大尺度T型焊接管节点进行了静力和常幅疲劳试验，分析了疲劳强度随管节点尺 度、参数及载荷形式的变化情况，对管节点的膜应力、热点应力、应力分布、弯曲 应力、疲劳寿命及裂纹扩展数据等进行了研究贾星兰 Ml选用海洋平台用钢ASTMA131焊接接头试样，针对交变载荷作用下海洋平台的低温疲劳问题，对焊 接接头处低温疲劳裂纹扩展速率等进行了研究,分别得出了低温与室温下的da / dN AK曲线张兆德［15］针对浅海导管架式平台，利用有限元分析方法，计算其固有频 率与振型，分析了不同裂纹损伤时的模态参数变化规律，达到了海洋平台损伤检测 的目的，促进了平台现场检测的发展刁延松等［16 ］提出了基于神经网络技术的海洋 平台结构多重损伤检测方法，并通过数值模拟、冲击响应实验和振动台模型实验验 证了该方法的有效性利用小波包分析提取特征向量实现结构损伤的检测赵玉玲 ［17 ］利用频率响应函数的变化对海洋平台进行损伤检测赵永涛在对计算模型加以 10%噪声的情况下，仍然可以准确识别构件的断裂损伤。

此外，李典庆等口8 ］提出了 一种基于风险的海洋结构物无损检测功能分级方法作者根据风险值对无损检测功 能进行分级，研究了风险值随检测概率、错误识别概率和裂纹出现概率的变化规律 以及风险值对检测费用、维修费用及失效费用的敏感性欧进萍等［19］开发了 “海洋 平台结构实时安全监测系统”应用软件，该系统于1998-1999年和1999-2000年的 冬季在渤海JZ20-2MUQ平台上试运行，实时监测了平台两个冬季的安全状况1.2现有的海洋平台结构健康监测技术现有海洋平台健康监测主要集中在以下几个方面的；第一方面是环境荷载的监 测，第二方面是腐蚀和裂纹的监测，第三是基于振动的健康监测其中基于振动的 健康监测即为基于振动信号分析的损伤识别方法，简称VSA［20］(Vibration Signature A-nalysis)现将其在海洋平台上的应用情况如图1:方法对损也程度他敏感性对损佈悅置的敏感性測绘務易程度应用悄况齐阶频率的变 化比|士日一在杆件断製加,齐阶频率变优比受损伤程度的彩响不大"堆以确丸频率变化比与损筍也 置之间的对应釜系.容易°简单实际实同有频率变牝率械竖阶樹率的变化率下仅对以 判断撫伪的存在*还可以判断损 祐程度§棍瞬确鉅损伤的检置.简单实际实部分节点的振型变化養*可比判 断平台底瞬构件小损罚的存在- 齐阶掘型的变艇级都果扎平 能很好她确逗痕咄稅度*可越预測断裂构1T的大偉位円.实验皋振型曲率法旦对导管衆下部杆杵的小损伤不 敏密髓是对杆件断幵才稍为癒曲率環态变优天的位陀和损也 的检置很接近，对于位移模态的 误差覗敏臥眾度人一孤用实验室摊拟.模由置信度判 堀法可朗判断卜-部构什的断乐但堆 以识別构件在断幵谢的任融车能.成木视宿况而定-简单实际蜒坐标模态置信 度判期法，即 COM .\C法唾不■段可氐判断卜-部构杵的輝开* 而且可氐识别构件的小損览,成木视情况 而宦.简申实師实模蟲应变能法可以判断损桁的存仆,能够确定损樹的.位置。

未初□实验室棋拟.柔度衙阵法【马龜1判断损饬的存住*很雉确定揃罚狷竟岫本知.实验室模拟*图1各种海洋平台健康检测技术对比振动的损伤识别方法虽然很多，但是由于海洋平台结构复杂所处环境极为恶劣, 有效而准确的应用却遇到了极大的困难海洋平台人工激励难以施加,环境激励难以 测量;平台监测系统不可能对每一个构件都进行监测，加之目前人们对海洋平台在环 境载荷激励下响应认识有限和经验的不足，导致个别关键点存在监测上的遗漏，模态 参数不能够准确识别，成为困扰海洋平台结构健康监测的瓶颈1.3海洋平台健康监测系统海洋平台健康监测及安全评价系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号 处理与分析、数据管理方法、计算机视觉、知识挖掘、预测技术、结构分析理论和 决策理论等多个领域的知识，极大地延拓了海洋平台监检测领域的内涵，提高了预 测评估1・3・1海洋平台结构健康监测系统功能、原理以及组成海洋平台结构健康监测与安全评价系统，总的目标是通过测量反映海洋平台环 境激励和结构响应状态的某些信息，实时监测海洋平台的工作性能和评价海洋平台 的工作条件，并为海洋平台的养护维修提供科学依据与传统的海洋平台检测方法 （包括众多的无损检测技术）不同，海洋平台结构健康监测与安全评价系统，重在诊 断可能发生结构损伤或灾难的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势， 以便及时采取维修措施。