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浅海油田开发区在役平台新型安全评估方法研究
孙东昌 李春光
（胜利石油管理局钻井工艺研究）

摘要：在役平台的安全评估是一项十分复杂的系统工程，国内外都在努力研究。国内外现有的评估技术主要有：结构无损探伤及水下探摸技术、疲劳寿命理论计算评估技术，振动测试等方法。振动测试方法是近年来新兴的一种对大尺度工程结构进行安全评估及剩余使用寿命预测的工程实验方法，它具有成本低、测试施工简易方便、不影响正常生产等优点，可广泛应用于各种工程结构的健康度实时监测和无损探伤领域。振动测试方法在平台上至今还没有得到很好的应用，本文主要介绍了自然激励条件下浅海油田开发区在役平台振动安全评估方法。解决浅海油田开发区在役平台安全评估的难题，降低海上开发成本，提高海洋平台的利用率，为海上油气安全开发提供有效的科学依据。
主题词 平台 结构 振动测试 加速度传感器 安全评估
1引言
陆地石油日趋枯竭，世界上一些主要的海洋国家纷纷把目光转向海洋石油，根据预测，石油天然气储量有一半以上分布在近海海域, 我国已探明海洋油气储量也主要是在近海海域，同时近海油气勘探前景良好，国家不断的加大投入，各种海洋平台在不断的建造，同时海洋平台的安全性能也越来越重要，如何解决在役平台的安全评估也在国内外各相关部门展开研究。
在役平台的安全评估是一项十分复杂的系统工程，国内外都在努力研究。国内外现有的评估技术主要有：结构无损探伤及水下探摸技术、疲劳寿命理论计算评估技术，振动测试等方法。振动测试方法是近年来新兴的一种对大尺度工程结构进行安全评估及剩余使用寿命预测的工程实验方法，它具有成本低、测试施工简易方便、不影响正常生产等优点，可广泛应用于各种工程结构的健康度实时监测和无损探伤领域。振动测试在平台上至今还没有得到很好的应用，本文主要介绍了自然激励条件下浅海油田开发区在役平台振动安全评估方法。
2 基于自然激励的平台振动测试安全评估方法
本检测技术利用振动测试方法，配备多点分布的传感器系统，检测平台容易受到腐蚀和疲劳破坏的关键部位（如关键节点、嵌固点），记录存储振动信号，通过测量、分析平台的振动模态，获得平台结构的强度、刚度、疲劳、嵌固点等涉及平台整体安全的信息，进而分析平台整体安全性能。
2.1 平台振动检测损伤判据研究
结构振动的特征值问题可以描述为下列方程
(2-1)
这里和分别是整体刚度矩阵和质量矩阵;是正则化振型; 是固有频率。假定损伤使结构刚度矩阵或质量矩阵产生了一个小的摄动量, 则相应地对与产生了一个小的改变量。
结构运动方程的摄动方程为
(2-2)
式中,,和分别是总体刚度矩阵、质量矩阵和振型的改变量。
对海洋平台这样的大型工程结构, 裂纹损伤会对结构刚度产生较明显的影响, 而对质量分布几乎不产生影响；结构的局部腐蚀损伤引起的刚度下降也远比质量减少所产生的影响显著。 所以，在方程(2-2) 中, 可以看作等于零。展开式(2-2) 且忽略二阶项, 式(2-2) 成为
(2-3)
对某个单纯振动模态 (= 1,2,... ) , 有
(2-4)
上式反映了损伤引起的频率变化与振型、总体质量矩阵和刚度矩阵的改变量之间的关系。
结构的总体刚度矩阵可以分解为单元刚度矩阵, 单元变形可由结构的振型计算求出, 即
(2-5)
式中是单元变形(为单元号) , 则
(2-6)
这里N为结构单元总数, 为的第个元素,而
(2-7)
则式(2-4) 成为
(2-8)
对结构的单个损伤单元D(D 为损伤单元号),上式可以简化为
(2-9)
上式直接给出了结构频率的变化与单元刚度矩阵之间的关系。很明显, 由于单元变形可以由振型表达,则只有损伤在某一阶振型中占有较高的势能时, 才能对该阶频率产生较大的影响；反过来,由于结构的振型是截然不同的, 这也预示了某阶振型对某个单元损伤有较高的灵敏性而对其它单元的损伤灵敏性较低。
式(2-9) 表达了单元刚度矩阵变化与频率变化的关系, 为了使单元刚度变化量直接与设计刚度相联系, 定义单元损伤系数
(2-10)
其中,是裂缝产生后的单元刚度; 是单元设计刚度。则损伤系数矩阵为
(2-11)
则某个单元的刚度变化量可表示为该单元刚度乘以该单元的损伤系数，即
(2-12)
把上式代入式(2-9)，有
(2-13)
式(2-13) 中的对损伤单元而言就是一个常数, 现称之为“损伤因子”, 则上式改写为
(2-14)
式(2-14)明确表达了特征值的变化依赖于单元损伤的程度(即)和位置(单元D)。由于结构的任意一阶模态的“频率变化平方”均包含了相同的单元N 损伤程度的信息,则利用两个振动模态i 和j ,可以得到i阶、j 阶频率因损伤而改变的“频率变化平方比”,显然它是仅与损伤单元的位置(单元N )有关的量。
(2-15)
式(15) 是采用振动模态分析方法对结构损伤定位的重要计算式, 根据该式的特点, 可以总结出判别结构损伤和对结构损伤进行定位的步骤为:
(1) 对结构进行振动检测，测定其频率和振型, 当结构由于损伤而引起固有频率发生改变时, 把所测出的各阶频率生成一系列的“频率变化平方比”；
(2) 利用数值模拟方法得到未损伤结构的振型和在不同构件位置发生损伤时结构的振型,由(2-15) 式生成结构每个构件发生损伤时的一系列“频率变化平方比”；
(3) 将步骤(2) 中的频率变化平方比同步骤(1) 中的频率变比平方比进行比较,与后者一致的构件就是受损伤的构件；
(4) 如果有若干个构件的“频率变化平方比”值近似, 按下式求出它们各自的, 则判定受损构件可由各构件的值来决定, 值最小的构件就是受损构件。
(2-16)
其中Q 是构件数;是测试所得的频率变化平方比;是由式(2-15)求出构件的频率变化平方比。
上述方法对于结构中构件较少、只有一处损伤且损伤程度较大的情况下，应用的结果比较满意。
2.2平台振动测试传感器的选择
位移传感器分为接触型和非接触型两类。属于接触型位移传感器的有弦壶型线性电压位移传感器、线性变量位移传感器等，这类位移传感器的主要缺点是只能测量相对位移。非接触型位移传感器包括激光位移传感器、GPS传感器等，另外照相测量法也可用来测量系统的振动位移，非接触型位移传感器具有高准确性、高灵敏度，并且能够在参考坐标系下直接测量系统的绝对位移。
应变传感器包括传统的应变片、光学纤维应变传感器等，通过对结构局部应变的测量，可以有助于定义结构的刚度参数。
出于体积、精度、成本、及安装简易程度的考虑，同时针对平台整体安全性能检测的特殊要求，最终方案确定采用加速度传感器作为结构振动检测仪的核心部件。在具体选型时，首先通过有限元分析方法对目标平台在适用海况下受自然激励的振动响应进行模拟，籍此确定加速度传感器的量程、精度、信号响应带宽等关键指标。同时也要将传感器的温度稳定性、长时漂移、抗震性等指标考虑在内，为随后的系统设计打好基础。
经过反复筛选比较，我们最终选定了由美国某公司生产的加速度传感器。这是一种电容型微机械加速度传感器，它具有低功耗、高灵敏度、低噪声、宽频带、性价比好等优点，可以满足平台振动检测的要求。其主要性能指标如下：
测量范围
±2g
3dB频率响应
0～300Hz
灵敏度
2V/g
输出噪声
13ug ∕ √Hz
最大抗震
2000g
功耗
100mW
温度漂移
≤300ppm ∕ °C
3平台振动测试数据分析
为测试传感器的可用性和数据可靠性，在不同的时间进行了海上实测，在测试点对平台的振动加速度进行了记录，采样频率设为50Hz。检测所用加速度传感器为三轴测试仪器，可同时采集平台在X轴（纵荡）、Y轴（横荡）和Z轴（垂荡）三个方向上的振动数据。测试所采集到的部分平台振动时域数据如图1。

图1 测试点平台振动时域样本数据

对测试点采集的时域数据进行快速傅立叶变换，并求取其振动响应的功率谱。如显示了测试点在水平方向上的功率谱密度函数。

图2 测试点水平方向功率谱函数
4结束语
该方法主要将海洋平台模型的振动试验结果作为信号输入，利用小波变换、频率与振型的相对变化量实现检测平台的早期损伤，通过自然激励技术，利用阵列式多点布设传感器，实现平台振动测试安全评估的一种新型评估方法。

参考文献
[1] 张思主编.振动测试与分析技术.清华大学出版社，1992
[2] 机械工程手册.机械工业出版社
[3] 沈松等.小波变换在振动信号分析中的工程解释与应用
[4] 沈聚敏等.钢筋混凝土有限元及板壳极限分析.清华大学出版社,1993
[5] 环境激励下海洋平台结构模态参数识别与损伤诊断研究.工程硕士论文
[6] 杨和振等.基于振动测试的海洋平台结构无损检测.振动工程学报，2003