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1、浅海油田田开发区区在役平平台新型型安全评评估方法法研究孙东昌李李春光（胜利石石油管理理局钻井井工艺研研究）摘要：在在役平台台的安全全评估是是一项十十分复杂杂的系统统工程，国国内外都都在努力力研究。国国内外现现有的评评估技术术主要有有：结构构无损探探伤及水水下探摸摸技术、疲疲劳寿命命理论计计算评估估技术，振振动测试试等方法法。振动动测试方方法是近近年来新新兴的一一种对大大尺度工工程结构构进行安安全评估估及剩余余使用寿寿命预测测的工程程实验方方法，它它具有成成本低、测测试施工工简易方方便、不不影响正正常生产产等优点点，可广广泛应用用于各种种工程结结构的健健康度实实时监测测和无损损探伤领领域。振振动
2、测试试方法在平平台上至至今还没没有得到到很好的的应用，本本文主要要介绍了了自然激激励条件件下浅海海油田开开发区在在役平台台振动安安全评估估方法。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 平台台 结构构振动测测试加速速度传感感器安全全评估1引言陆地石油油日趋枯枯竭，世世界上一一些主要要的海洋洋国家纷纷纷把目目光转向向海洋石石油，根根据预测测，石油油天然气气储量有有一半以以上分布布在近海海海域, 我国国已探明明海洋油油气储量量也主要要是在近近海海域域，同时时近海油油气勘探探前景良良好，国国家不断断的加大大投入，各
3、各种海洋洋平台在在不断的的建造，同同时海洋洋平台的的安全性性能也越越来越重重要，如如何解决决在役平平台的安安全评估估也在国国内外各各相关部部门展开开研究。在役平台台的安全全评估是是一项十十分复杂杂的系统统工程，国国内外都都在努力力研究。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
4、条件下浅海油田开发区在役平台振动安全评估方法。2 基于于自然激激励的平平台振动动测试安全全评估方方法本检测技技术利用用振动测测试方法法，配备备多点分分布的传传感器系系统，检检测平台台容易受受到腐蚀蚀和疲劳劳破坏的的关键部部位（如如关键节节点、嵌嵌固点），记记录存储储振动信信号，通通过测量量、分析析平台的的振动模模态，获获得平台台结构的的强度、刚刚度、疲疲劳、嵌嵌固点等等涉及平平台整体体安全的的信息，进进而分析析平台整整体安全全性能。2.1平平台振动动检测损损伤判据据研究结构振动动的特征征值问题题可以描描述为下下列方程程(2-11)这里和分分别是整整体刚度度矩阵和和质量矩矩阵;是正则则化振型型;
5、 是固固有频率率。假定定损伤使使结构刚刚度矩阵阵或质量量矩阵产产生了一一个小的的摄动量量, 则相相应地对对与产生了了一个小小的改变变量。结构运动动方程的的摄动方方程为 (2-2)式中,和分别是是总体刚刚度矩阵阵、质量量矩阵和和振型的的改变量量。对海洋平平台这样样的大型型工程结结构, 裂纹损损伤会对对结构刚刚度产生生较明显显的影响响, 而对对质量分分布几乎乎不产生生影响；结构的的局部腐腐蚀损伤伤引起的的刚度下下降也远远比质量量减少所所产生的的影响显显著。 所以，在在方程(2-2) 中, 可以以看作等等于零。展展开式(2-2)且忽略略二阶项项, 式(2-2) 成为为(2-33)对某个单单纯振动动模
6、态 (= 1,22,. ) , 有有(2-44)上式反映映了损伤伤引起的的频率变变化与振振型、总总体质量量矩阵和和刚度矩矩阵的改改变量之之间的关关系。结构的总总体刚度度矩阵可可以分解解为单元元刚度矩矩阵, 单元变变形可由由结构的的振型计计算求出出, 即(2-55)式中是单单元变形形(为单元元号) , 则则(2-66)这里N为为结构单单元总数数, 为的第个元元素,而而(2-77)则式(22-4) 成为为 (2-8)对结构的的单个损损伤单元元D(D为损伤伤单元号号),上式式可以简简化为(2-99)上式直接接给出了了结构频频率的变变化与单单元刚度度矩阵之之间的关关系。很很明显, 由于于单元变变形可以
7、以由振型型表达,则只有有损伤在在某一阶阶振型中中占有较较高的势势能时, 才能能对该阶阶频率产产生较大大的影响响；反过过来,由于结结构的振振型是截截然不同同的, 这也预预示了某某阶振型型对某个个单元损损伤有较较高的灵灵敏性而而对其它它单元的的损伤灵灵敏性较较低。式(2-9) 表达了了单元刚刚度矩阵阵变化与与频率变变化的关关系, 为了使使单元刚刚度变化化量直接接与设计计刚度相相联系, 定义义单元损损伤系数数(2-110)其中,是是裂缝产产生后的的单元刚刚度; 是单元元设计刚刚度。则则损伤系系数矩阵阵为(2-111)则某个单单元的刚刚度变化化量可表表示为该该单元刚刚度乘以以该单元元的损伤伤系数，即即
8、(2-112)把上式代代入式(2-9)，有 (2-13)式(2-13) 中的的对损伤伤单元而而言就是是一个常常数, 现称之之为“损伤因因子”, 则上上式改写写为 (2-14)式(2-14)明确表表达了特特征值的的变化依依赖于单单元损伤伤的程度度(即)和位置置(单元DD)。由于于结构的的任意一一阶模态态的“频率变变化平方方”均包含含了相同同的单元元N 损伤伤程度的的信息,则利用用两个振振动模态态i 和j ,可以得得到i阶、j 阶频率率因损伤伤而改变变的“频率变变化平方方比”,显然它它是仅与与损伤单单元的位位置(单元N )有关关的量。(2-115)式(155) 是是采用振振动模态态分析方方法对结结
9、构损伤伤定位的的重要计计算式, 根据据该式的的特点, 可以以总结出出判别结结构损伤伤和对结结构损伤伤进行定定位的步步骤为:(1) 对结构构进行振振动检测测，测定定其频率率和振型型, 当结结构由于于损伤而而引起固固有频率率发生改改变时, 把所所测出的的各阶频频率生成成一系列列的“频率变变化平方方比”；(2) 利用数数值模拟拟方法得得到未损损伤结构构的振型型和在不不同构件件位置发发生损伤伤时结构构的振型型,由(2-155) 式式生成结结构每个个构件发发生损伤伤时的一一系列“频率变变化平方方比”；(3) 将步骤骤(2) 中的的频率变变化平方方比同步步骤(11) 中中的频率率变比平平方比进进行比较较,
10、与后者者一致的的构件就就是受损损伤的构构件；(4) 如果有有若干个个构件的的“频率变变化平方方比”值近似似, 按下下式求出出它们各各自的, 则判判定受损损构件可可由各构构件的值值来决定定, 值最最小的构构件就是是受损构构件。(2-116)其中Q 是构件件数;是测试试所得的的频率变变化平方方比;是由式式(2-155)求出出构件的的频率变变化平方方比。上述方法法对于结结构中构构件较少少、只有有一处损损伤且损损伤程度度较大的的情况下下，应用用的结果果比较满满意。2.2平平台振动动测试传传感器的的选择位移传感感器分为为接触型型和非接接触型两两类。属属于接触触型位移移传感器器的有弦弦壶型线线性电压压位移
11、传传感器、线线性变量量位移传传感器等等，这类类位移传传感器的的主要缺缺点是只只能测量量相对位位移。非非接触型型位移传传感器包包括激光光位移传传感器、GGPS传传感器等等，另外外照相测测量法也也可用来来测量系系统的振振动位移移，非接接触型位位移传感感器具有有高准确确性、高高灵敏度度，并且且能够在在参考坐坐标系下下直接测测量系统统的绝对对位移。应变传感感器包括括传统的的应变片片、光学学纤维应应变传感感器等，通通过对结结构局部部应变的的测量，可可以有助助于定义义结构的的刚度参参数。出于体积积、精度度、成本本、及安安装简易易程度的的考虑，同同时针对对平台整整体安全全性能检检测的特特殊要求求，最终终方案
12、确确定采用用加速度度传感器器作为结结构振动动检测仪仪的核心心部件。在在具体选选型时，首首先通过过有限元元分析方方法对目目标平台台在适用用海况下下受自然然激励的的振动响响应进行行模拟，籍籍此确定定加速度度传感器器的量程程、精度度、信号号响应带带宽等关关键指标标。同时时也要将将传感器器的温度度稳定性性、长时时漂移、抗抗震性等等指标考考虑在内内，为随随后的系系统设计计打好基基础。经过反复复筛选比比较，我我们最终终选定了了由美国国某公司生生产的加加速度传传感器。这这是一种种电容型型微机械械加速度度传感器器，它具具有低功功耗、高高灵敏度度、低噪噪声、宽宽频带、性性价比好好等优点点，可以以满足平平台振动动
13、检测的的要求。其其主要性性能指标标如下：测量范围围2g3dB频频率响应应03000Hzz灵敏度2V/gg输出噪声声13ugg Hz最大抗震震20000g功耗100mmW温度漂移移3000ppmm C3平台振振动测试试数据分分析为测试传传感器的的可用性性和数据据可靠性性，在不不同的时时间进行行了海上上实测，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 测测试点平平台振动动时域样样本数据据对测试点点采集的的时域数数据进行行快
14、速傅傅立叶变变换，并并求取其其振动响响应的功功率谱。如如显示了了测试点点在水平平方向上上的功率率谱密度度函数。图2 测试点点水平方方向功率率谱函数数4结束语语该方法主主要将海海洋平台台模型的的振动试试验结果果作为信信号输入入，利用用小波变变换、频频率与振振型的相相对变化化量实现现检测平平台的早早期损伤伤，通过过自然激激励技术术，利用用阵列式式多点布布设传感感器，实实现平台台振动测测试安全全评估的的一种新新型评估估方法。参考文献献1 张思主主编.振振动测试试与分析析技术.清华大大学出版版社，1199222 机械工工程手册册.机械械工业出出版社3 沈松等等.小波波变换在在振动信信号分析析中的工工程解释释与应用用4 沈聚敏敏等.钢钢筋混凝凝土有限限元及板板壳极限限分析.清华大大学出版版社,1199335 环境激激励下海海洋平台台结构模模态参数数识别与与损伤诊诊断研究究.工程程硕士论论文6 杨和振振等.基于于振动测测试的海海洋平台台结构无无损检测测.振动工工程学报报，20003