JZ20-2MUQ平台初步损伤诊断和安全评估方法研究

颜昌德，陈祥余，周 雷，王巍巍，李记忠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

随着现代科学技术的迅速发展， 现代空间结构如大型海洋平台、高层建筑、大跨度桥梁正在向着大型化、复杂化方向发展。此类结构在一定的环境条件下产生损伤，损伤累积可能会导致结构的突发性失效，后果不堪设想[1-2]。目前，我国仅中国海洋石油公司就有近200座固定平台，尽管固定平台的设计寿命一般为20年，但由于油田生产的需要，绝大部分平台在达到设计寿命后依然继续服役。这就要求对目标平台进行系统、充分和具体的健康检测和损伤诊断，综合评价平台继续服役的安全性和超期服役的可能性，因此对平台的损伤诊断变得越来越重要[3]。

损伤诊断，特别是利用结构的振动响应和系统动态特性参数进行结构损伤诊断，近几十年来成为国内外研究的热点。其基本思想是:结构损伤时，认为仅结构的刚度降低，而忽略结构质量的变化，根据结构的模态参数 （如模态频率、模态振型、模态阻尼等）改变量，确定损伤的位置与程度。由于固有频率比较容易测量，而且可以达到很高的测量精度，在工程实际中可采用固有频率检测法判断损伤的存在。目前，固有频率检测法正广泛应用于海洋平台健康检测和损伤诊断中。本文针对JZ20-2MUQ平台，根据其设计资料和历年的检测数据以及定量检测的结果，对其进行初步的损伤评估。

JZ20-2MUQ为四腿导管架平台，上部结构有底层甲板、下层甲板、主甲板、顶甲板，质量约1 400 t，所在海域年平均水深约15.5 m，平台于1992年8月投产，生产年限20年，结构设计寿命20年。JZ20-2MUQ平台固有频率振动检测的测点布置在导管架平台下层甲板、主甲板与主桩腿连接的节点上，总计8个测点位置，如图1所示。

图1 传感器布置方案

1 基于固有频率的损伤检测方法

基于固有频率的变化进行损伤识别有很多方法[4-6]。损伤使结构质量和刚度减小，一般来说，结构质量变化较小，刚度变化较大，所以当损伤出现后，结构固有频率降低，阻尼升高。因此，可以通过比较结构损伤发生前后固有频率的变化来识别结构损伤。由于频率比较容易测量，而且可以达到很高的测量精度，在识别工程结构的损伤时简单易行。常用的检测参数为频率变化量与频率之比以及任二阶频率变化量之比[7]。

频率变化量与频率之比为有损伤和无损伤时某一阶频率的差值与结构无损伤时频率的比值，即：

式中 ωk——有损伤时结构的第k阶频率；

ωk0——无损伤时结构的第k阶频率。

另一个频率检测参数为任二阶频率变化量之比，第i阶与第j阶固有频率变化比定义为：

式中 ωi、ωj——损伤结构的第i阶和第j阶固有频率；

ωi0、ωj0——无损伤结构的第i阶和第j阶固有频率。

当结构物的固有频率出现较大的变化或者发生突变时，认为结构物可能出现了较大的损伤，则需要对结构进行进一步的检测。

2 JZ20-2MUQ平台详细设计的固有频率分析及历年检测数据

2.1 JZ20-2MUQ平台详细设计的固有频率分析

根据 《JZ20-2MUQ平台详细设计报告》，应用专业软件SACS对该平台进行建模，计算模型的前6阶频率，如表1所示；图2（a）～（b）给出了代表性的水平向振动和扭转振动的振型。

表1 设计模型的前6阶频率

2.2 1994年振动测试结果

受渤海石油采油公司的委托，渤海石油海洋结构物检测公司技术一室于1994年9月至10月用脉动法对JZ20-2MUQ平台进行了结构动力特性测试。

根据测试数据分析得到前3阶频率如表2所示，相应的时域振动响应及自功率谱如图3所示。

2.3 2011年测试数据

图2 设计模型的计算振型示意

表2 前3阶测试频率

2011年， “基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”项目组对JZ20-2MUQ平台进行了测试。测试的加速度传感器为Model 4803A-0002型三向加速度传感器，振动信号采集仪为德国Imc集成测控有限公司的CRONOS PL16-DCB8数据采集仪。本次测试采用环境振动 （即冰激励）作为振动源。截取不同时段的数据进行模态识别，测试数据如图4所示，模态识别结果如表3所示。

表3 各段数据模态识别的前5阶频率

2.4 2012年测试结果

图3 1994年平台测点的位移时程曲线和位移自功率谱曲线

图4 2011年冰激振加速度—时程测试曲线

“基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”项目组于2012年再次对JZ20-2MUQ平台进行了测试。测试的仪器为项目组自主研制的便携式平台结构振动检测系统。本次测试采用环境振动 （即冰激励）作为振动源，主要测试结构特征点的振动响应加速度，以对目标平台的动力响应特性进行描述。在如图5（a）～（d）所示的实测冰激振动数据中，取四段比较明显的冰激振动过程。分别对每段的X、Y向数据进行分析，进行模态参数识别。

图5 2012年冰激振加速度—时程测试曲线

分析以上数据，得各阶频率如表4所示。

表4 各段数据模态识别的前5阶频率

2.5 历年检测数据对比

利用频率变化量与频率之比对历年检测数据进行分析，由于详细设计计算的模态数据和实际情况有一定的差距，仅作参考。1994年检测数据的时间距离平台建成使用的时间较短，可认为是无损伤时结构的频率。2011年和2012年检测数据的时间较接近，认为其频率的算术平均值为有损伤时结构的频率。历年振动检测数据如表5所示。

通过对JZ20-2MUQ平台上部模块进行调研，查找其改造和维修记录，发现其上部模块的质量变化较小。应用固有频率的损伤检测方法，以频率变化量与频率之比为参数，通过对检测数据进行对比分析，可以得出如下结论：

表5 历年振动检测数据分析

（1）其频率变化量与频率之比的数值较小，几乎没有太大的变化，表明JZ20-2MUQ平台的基频相对稳定，其结构完整性没有异常变化，没有出现严重影响结构整体安全的损伤。

（2）其频率出现了逐年递减的趋势，说明结构物的刚度出现了一定的减小。可能是由于疲劳、腐蚀或者材料的老化导致了结构物刚度发生了变化。

3 水下结构定量检测数据

2012年5月30日至6月12日， “基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究”项目组对JZ20-2MUQ平台进行了水下结构定量检测。

3.1 导管架杆件I类检测

潜水员下水按照既定路线对杆件结构进行I类观察，全程对水下检测过程进行水下录像。检测任务完成后，将检测的情况写入第一手检测报告。本次检测完成了对JZ20-2MUQ平台导管架水下大约70根杆件的I类检查。所检测水下杆件没有发现变形和明显的机械损伤，杆件外围海生物覆盖正常。

3.2 导管架杆件测厚及电位检测

总共对8处杆件进行了壁厚测量。杆件设计壁厚为25.4 mm，本次测量结果基本大于设计值。

还对8处杆件进行了电位测量。按照相关设计规范，平台杆件的正常保护电位应在-800 mV到-1 020 mV。本次8处杆件电位测量值基本分布在-970 mV至-1 030 mV，杆件电位显示正常。

3.3 阳极II类检测

潜水员按照检测计划，清理了9块阳极表面的海生物。阳极以及连接架结构完好，没有发现明显的破损和结构损伤。阳极电位显示正常。

3.4 海生物检测

潜水员对导管架4根桩腿水下部分的海生物覆盖情况进行检测，记录了海生物的种类、覆盖率和厚度。据业主介绍，JZ20-2MUQ平台近期进行了平台水下结构海生物清理，并进行了五年特检。因此，该导管架水下结构海生物覆盖较少。

3.5 节点焊缝ACFM检测

潜水员按照检测计划，总共清理了6个节点焊缝海生物，海生物的清理范围是以焊缝为中心两边各10 cm宽的区域带。水上人员将ACFM检测设备连接好，进行水上试块检测之后，对节点焊缝进行了ACFM检测。焊缝未发现裂纹。

3.6 定量检测结果

通过定量检测发现，JZ20-2MUQ平台相关构件没有发现变形和明显的机械损伤、凹陷、腐蚀和裂纹，平台状态良好。

4 结论

（1）以频率变化量与频率之比为参数，应用固有频率的损伤检测方法，分析历年的振动检测数据，得到如下结论：因JZ20-2MUQ平台的基频相对稳定，说明其结构完整性没有异常变化，没有出现严重影响结构整体安全的损伤。

（2）其频率出现了逐年递减的趋势，说明结构物刚度出现了一定的减小。可能是由于疲劳、腐蚀或者材料的老化导致了结构物刚度发生变化，但其变化量非常小。

（3）通过定量检测发现，JZ20-2MUQ平台相关构件没有发现变形和明显的机械损伤、凹陷、腐蚀和裂纹，平台状态良好。

（4）通过水下结构定量检测，验证了损伤诊断和安全评估结果，对本文所应用的基于固有频率，以频率变化量与频率之比为参数的损伤诊断和安全评估方法进行了初步的验证，为现役海洋平台的损伤诊断和安全评估技术的发展提供一定的借鉴作用。

[1]陈学前，陈大林，杜强，等.结构基于振动损伤识别的发展概况[J].振动工程学报， 2004，17（增刊）：701-704.

[2]郑栋梁，李中付，华宏星.结构早期损伤识别技术的现状和发展趋势[J].振动与冲击，2002，21（2）：1-5.

[3]刘玲，陆建辉，李玉辉.海洋平台健康监测研究方法与进展[J].石油工程建设，2005，（1）：2-7.

[4]Cawley P，Adams R D.The location of defects in structures from measurements of natural frequencies[J].Journal Strain Analysis，1979 ，14（2）： 49-57.

[5]Adamas R D， Cawley P， Pye C J， et al.A vibration technique for nondestructively assessing the integrity of structures[J].Journal of Mechanical Engineering Science，1978 ，20（2）:93-100.

[6]Cawley P，Adams R D.A vibration technique for nondestructive testing of fiber composite structures[J].Journal of Composite Materials，1979 ，13（2）：161-175.

[7]张兆德，王德禹.基于固有频率的海洋平台损伤检测方法的改进[J].海洋工程，2004，22（3）：9-13.