專利名稱：一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷診斷方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)管架平臺(tái)是淺海(< 200m)石油開發(fā)的主要海洋工程結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)期受風(fēng)浪流等海洋環(huán)境因素的作用，其管節(jié)點(diǎn)極易發(fā)生因疲勞而引起的開裂和斷裂。因此，每年需花費(fèi)大量的資金進(jìn)行損傷檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷進(jìn)行修復(fù)。目前，導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷檢測(cè)均采用潛水員肉眼觀察、超聲波、磁粉、交流電場(chǎng)和X射線法進(jìn)行定期的檢測(cè)。這些方法不僅昂貴，而且效率低。如超聲波檢測(cè)時(shí)，潛水員需手持小探頭(2cm2)在導(dǎo)管架上進(jìn)行接觸式掃描，為了解決探頭與鋼管表面的良好耦合，必須在檢測(cè)部位的鋼管表面涂抹耦合劑。此外，探頭的掃描面積只能重疊而不能留有縫隙，否則縫隙處的缺陷將被漏檢。其它方法只是原 理不同，檢測(cè)過程基本類似。因此，檢測(cè)的可靠性完全取決于檢測(cè)人員的技術(shù)水平。如果導(dǎo)管架比較大，如200m水深導(dǎo)管架，其節(jié)點(diǎn)有上百個(gè)，完成一次檢測(cè)所需的時(shí)間是可以想象的。這些無損檢測(cè)方法的實(shí)施是在對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)一無所知的情況下進(jìn)行的，具有較大的盲目性，很多情況下，檢測(cè)結(jié)果是沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋或損傷?；虿荒軠?zhǔn)確地給出結(jié)構(gòu)的損傷位置，而只能給出一個(gè)較大的范圍，如導(dǎo)管架平臺(tái)的三 五層等，并且不能給出損傷程度的準(zhǔn)確判斷。現(xiàn)有的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試損傷診斷方法采用下述技術(shù)方案I、將運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器安裝到導(dǎo)管架平臺(tái)的所有管節(jié)點(diǎn)，利用傳感器的適配器和數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)采集傳感器的輸出信號(hào)；2、采用自回歸滑動(dòng)平均算法對(duì)記錄的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出模態(tài)頻率和振型；3、基于導(dǎo)管架平臺(tái)的前兩階模態(tài)參數(shù)或前三階模態(tài)參數(shù)，采用模態(tài)應(yīng)變能、時(shí)間序列分析進(jìn)行損傷診斷；計(jì)算出每個(gè)桿件的損傷指標(biāo)，根據(jù)損傷指標(biāo)的大小來確定所有桿件是否發(fā)生損傷?；趯?dǎo)管架平臺(tái)是一個(gè)空間鋼架結(jié)構(gòu)，振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試時(shí)，得到的前η階模態(tài)分別是水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的平動(dòng)模態(tài)和繞豎直軸扭轉(zhuǎn)的模態(tài)，排列順序是水平方向的平動(dòng)模態(tài)為一階和二階(它們分別是兩個(gè)主軸方向的第一階模態(tài))、扭轉(zhuǎn)模態(tài)為三階(扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一階模態(tài))，四階以上以此類推，如第四階和第五階分別為水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的第二階模態(tài)，第六階為扭轉(zhuǎn)的第二階模態(tài)。采用結(jié)構(gòu)的前兩階(水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài))或前三階模態(tài)(水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)和扭轉(zhuǎn)一階模態(tài))作為損傷診斷的依據(jù)，而結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，理論上損傷桿件對(duì)自身所在方向的結(jié)構(gòu)自由度有影響，對(duì)垂直桿件方向的自由度沒有影響，對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)影響較小。因此，損傷結(jié)構(gòu)的前三階模態(tài)中，只有與損傷桿件方向相同的模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)受影響，其中扭轉(zhuǎn)模態(tài)受影響較小。如果采用前兩階模態(tài)作為損傷診斷的依據(jù)，則與桿件垂直方向的響應(yīng)信號(hào)與損傷前的信號(hào)理論上是相同的，但實(shí)際上由于測(cè)試系統(tǒng)誤差等原因，損傷前后的信號(hào)并不完全相同，因此，如果將其作為損傷依據(jù)，誤差信號(hào)將會(huì)被作為錯(cuò)誤的損傷信息處理，從而得出錯(cuò)誤的診斷結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)的損傷診斷方法，無需潛水員進(jìn)行水下作業(yè)，采用在導(dǎo)管架平臺(tái)上安裝振動(dòng)測(cè)試傳感器，由振動(dòng)測(cè)試儀器連續(xù)采集結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，然后利用本發(fā)明提出的處理方法對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行分析從而得出結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，并標(biāo)出損傷的位置和損傷的
嚴(yán)重程度。本發(fā)明所述的一種導(dǎo)管架海洋平臺(tái)的損傷診斷方法I)在導(dǎo)管架平臺(tái)的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)和上部組塊的結(jié)點(diǎn)處安裝振動(dòng)加速度傳感器，選擇 最低工作頻率低于平臺(tái)一階固有頻率的低頻傳感器，最好選擇具有防水功能的傳感器。2)在平臺(tái)甲板上遠(yuǎn)離電機(jī)和其它具有電磁場(chǎng)的設(shè)備處安裝與所選傳感器配套的測(cè)試記錄儀器，采用屏蔽導(dǎo)線與傳感器連接，傳感器的屏蔽導(dǎo)線應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜。3)采用自回歸滑動(dòng)平均模型對(duì)平臺(tái)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，計(jì)算出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)(水平面內(nèi)沿導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)和水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的一階模態(tài))頻率和陣型。4)分別基于上一步識(shí)別出的導(dǎo)管架水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)參數(shù)(頻率和振型)，采用遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷，可以得到兩個(gè)診斷結(jié)果，如果兩個(gè)診斷結(jié)果一致，則損傷診斷結(jié)束，該結(jié)果給出的損傷桿件位置和損傷程度即反映了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。5)如果兩個(gè)診斷結(jié)果不一致，則應(yīng)分別采用水平面內(nèi)的導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向第二階模態(tài)(結(jié)構(gòu)的第四和第五階模態(tài))參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行損傷診斷，因?yàn)?，損傷桿件引起的各階模態(tài)變化是不同的，而系統(tǒng)噪聲的影響是相同的。然后，分別根據(jù)同一方向的兩個(gè)識(shí)別結(jié)果是否相同來得出損傷診斷結(jié)果。本發(fā)明在于以結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)參數(shù)作為損傷診斷的依據(jù)，從而避免了非損傷桿件所在方向的模態(tài)參數(shù)對(duì)損傷診斷精度的影響。因?yàn)?，基于振?dòng)響應(yīng)測(cè)試的損傷診斷方法主要是根據(jù)損傷前后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化來診斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。而損傷桿件理論上僅僅因其余桿件方向平行的結(jié)構(gòu)自由度模態(tài)參數(shù)變化，但實(shí)際上，由于測(cè)試系統(tǒng)及傳感器安裝問題，與損傷桿件垂直方向的模態(tài)參數(shù)往往也會(huì)識(shí)別出“變化”，這個(gè)變化反映的不是損傷信息，而是系統(tǒng)誤差造成的。因此，如果測(cè)試時(shí)采用了與損傷桿件垂直方向上的模態(tài)參數(shù)，則該模態(tài)參數(shù)將作為誤差被分析處理，從而影響損傷診斷的準(zhǔn)確性。基于上述分析，本發(fā)明提出了僅采用一個(gè)自由度的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行損傷診斷的方法。I)與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比，本發(fā)明提出的方法操作簡(jiǎn)單，無需潛水員和水面支撐船；2)與現(xiàn)有的基于振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試的損傷診斷方法相比，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確定位結(jié)構(gòu)的損傷，并準(zhǔn)確估計(jì)出結(jié)構(gòu)的損傷程度。


圖I導(dǎo)管架海洋平臺(tái)的損傷診斷方法流程圖。
具體實(shí)施例方式2009年6月，在渤海灣NP1-29導(dǎo)管架平臺(tái)上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該導(dǎo)管架共有16個(gè)導(dǎo)管架結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)沿導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向分別安裝一個(gè)壓電加速度傳感器，分別測(cè)試導(dǎo)管架平臺(tái)在波浪作用下的振動(dòng)響應(yīng)，通過對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的分析，識(shí)別出了導(dǎo)管架平臺(tái)的前三階固有頻率和振型，然后采用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行損傷識(shí)別。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷診斷方法，其特征在于方案如下 1)在導(dǎo)管架平臺(tái)的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)和上部組塊的結(jié)點(diǎn)處安裝振動(dòng)加速度傳感器，應(yīng)選擇最低工作頻率低于平臺(tái)一階固有頻率的低頻傳感器，和具有防水功能的傳感器； 2)在平臺(tái)甲板上的遠(yuǎn)離電機(jī)和其它具有電磁場(chǎng)的設(shè)備處安裝與所選傳感器配套的測(cè)試記錄儀器，并采用屏蔽導(dǎo)線與傳感器連接，電壓類傳感器的屏蔽導(dǎo)線應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜； 3)采用自回歸滑動(dòng)平均模型對(duì)平臺(tái)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，計(jì)算出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)頻率和陣型，包括水平面內(nèi)沿導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)和水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的一階模態(tài)； 4)分別基于上一步識(shí)別出的導(dǎo)管架水平面內(nèi)兩個(gè)主軸方向的一階模態(tài)參數(shù)頻率和振型，采用遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷，得到兩個(gè)診斷結(jié)果，如果兩個(gè)診斷結(jié)果一致，則損傷診斷結(jié)束，該結(jié)果給出的損傷桿件位置和損傷程度即反映了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)； 5)如果兩個(gè)診斷結(jié)果不一致，則應(yīng)分別采用水平面內(nèi)的導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向第二階模態(tài)，結(jié)構(gòu)的第四和第五階模態(tài)參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行損傷診斷，然后分別根據(jù)同一方向的兩個(gè)識(shí)別結(jié)果是否相同來得出損傷診斷結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的導(dǎo)管架平臺(tái)的損傷診斷方法；在導(dǎo)管架平臺(tái)的導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)和上部組塊的結(jié)點(diǎn)處安裝振動(dòng)加速度傳感器；在平臺(tái)甲板上安裝測(cè)試記錄儀器；采用自回歸滑動(dòng)平均模型對(duì)平臺(tái)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，計(jì)算出平臺(tái)結(jié)構(gòu)的前五階模態(tài)頻率和陣型；識(shí)別出的模態(tài)參數(shù)頻率和振型，采用遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷，得到兩個(gè)診斷結(jié)果一致，反映了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)；兩個(gè)診斷結(jié)果不一致，則分別采用水平面內(nèi)的導(dǎo)管架兩個(gè)主軸方向第二階模態(tài)，結(jié)構(gòu)的第四和第五階模態(tài)參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行損傷診斷，分別根據(jù)同一方向的兩個(gè)識(shí)別結(jié)果是否相同得出損傷診斷結(jié)果；本方法操作簡(jiǎn)單，能夠準(zhǔn)確定位結(jié)構(gòu)的損傷，準(zhǔn)確估計(jì)出結(jié)構(gòu)的損傷程度。
文檔編號(hào)G01N29/04GK102830165SQ20111016396
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者李紱, 黃維平, 孫春梅, 劉娟 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司, 中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司