基于振动传感器网络的海洋平台动位移分析及位移状态评估研究

张大伟等

摘 要：海洋平台在吊装作业下的动位移在一定程度上反映了平台的安全性。在PL19-3A海洋平台上建立振动传感网络监测系统，连续采集两天的加速度数据，采用基于小波高通滤波的结构动位移计算方法计算各测点的动位移时程，对动位移进行多项统计分析，得到吊装作业时段的最大动位移，并将其与设计文件给出的设计最不利工况下的结构最大位移量进行比较，来评定当前结构位移状态是否满足设计要求。分析结果表明，基于设计的传感器网络能够真实反映平台振动情况，且PL19-3A海洋平台当前的结构位移状态满足设计要求。

关键词：海洋平台；振动传感网络；加速度；动位移；位移状态评估

中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）04-00-03

0 引 言

海洋平台为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。海洋平台在服役期间，在各类激励作用下，将产生显著的振动。如振动位移超过最不利工况下的位移设计值，则说明外部激励过大或结构刚度不足，总之结构位移状态不满足设计要求，结构安全性不足。因此，对海洋平台的动位移进行分析具有重要的工程意义。

PL19-3A平台位于PL19-3矿区油田中部，是一座4桩6腿的平台，两层甲板，甲板上方为电气间及生活区，直升机甲板区位于顶层甲板东侧。平台外观图如图1所示。据平台管理部门反映，PL19-3矿区A平台的工作人员感觉到平台振动比往常厉害，平台是间歇式振动，当风、浪较大时以及吊车运作时，均感到振动比较明显，人员有不舒适感。

针对上述问题，需对PL19-3A平台进行动位移监测和位移状态评估。目前海洋平台振动测试常采用加速度传感器[1-3]，因此无法直接得到动位移，动位移需由加速度数据计算得到[4-7]。因此本文在PL19-3A平台建立了振动监测系统，并连续采集了近三天的加速度数据，基于加速度数据计算动位移，对动位移进行多项统计分析，并与设计值比较，进而评定结构位移状态是否满足设计要求。

1 振动监测

1.1 传感器网络监测系统设计

监测系统由两部分构成：现场传感器和采集站。现场传感器采集的模拟信号通过信号屏蔽电缆连接到采集站中的信号调理器，再经由数据采集仪进行模数转换和初步处理，并进行数据存储。总体监测系统集成框图及现场采集站内部设备布置如图2和图3所示。

3 动位移计算及统计分析

对下述4类特征量进行统计：

（1）每秒钟内的动位移绝对值的最大值（简称：每秒动位移最大值）。

（2）每分钟内的“每秒动位移最大值”的平均值（简称：每分钟动位移平均值）。

（3）“每秒动位移最大值”在其值域区间不同区段出现的频次与总次数的比值（每秒动位移最大值出现的频次比率）。

（4）“每分钟动位移平均值”在其值域区间不同区段出现的频次与总次数的比值（简称：每分钟动位移平均值出现的频次比率）。

动位移由加速度经2次积分运算得出，加速度中的高频部分经积分后将变得很小，动位移以低频成分为主，在加速度中的瞬态大振幅波形在动位移中体现不出来，而非瞬态大振幅波形可以在动位移中体现出来，因此动位移的每秒加速度最大值在时间域内的最大值位置基本上与非瞬态大振幅波形出现的时段相对应。由于非瞬态大振幅波形大部分出现在吊装作业时段，因此每秒动位移最大值与吊装时段也有明显的对应关系，这一点可以明显地从图10中看出来。

与吊装作业时段的对应关系

动位移的每分钟平均值代表了每分钟内动位移的平均振幅，由于动位移以低频成分为主，因此每秒动位移最大值与每分钟平均值沿时间域的分布规律基本一致。

频次比率统计图给出了各测点每秒动位移最大值和每分钟动位移平均值在其值域区间的分布情况，频次比率最大值对应的动位移值表征了该测点常遇振动的平均动位移幅值。

4 平台位移状态评估

平台设计文件《K1-10P-GAA-S-RA-0000020》给出了最不利静载组合下平台结构不同标高处的最大设计位移量，《K1-10P-GAA-S-RA-0000022》给出了地震荷载组合下平台结构不同标高处的最大设计位移量，详见表1和表2。

由图10可知，各通道在本次测试时段内的动位移最大值发生在吊装大型集装箱过程中，图11给出了各通道动位移最大值的统计结果。比较图10和图11可知，平台在本次测试过程中，各测点动位移最大值均小于平台设计文件中给出的对应的设计位移量，因此目前平台位移状态满足设计要求。

5 结 语

本文以PL19-3A海洋平台为研究对象，构建了该平台振动监测的传感器网络系统，采用基于小波高通滤波的结构动位移计算方法，由系统采集到的加速度数据计算得到了平台的动位移。对平台动位移进行了统计分析。最后基于统计结果对平台位移状态进行了评估。

结果表明：所构建的传感器网络系统可以真实反映结构的振动情况；动位移最大值发生在吊装作业时段；各测点动位移最大值均小于设计文件给出的设计变形量。因此目前平台位移状态满足设计要求。

参考文献

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