基于声发射的导管架海洋平台结构健康实时监测研究

张 华, 吕 涛， 徐长航， 陈国明

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200030；2.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心, 山东 青岛 266580)



基于声发射的导管架海洋平台结构健康实时监测研究

张 华1, 吕 涛2， 徐长航2， 陈国明2

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200030；2.中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心, 山东 青岛 266580)

海洋平台在长期服役过程中受环境载荷及各种作业的影响，结构可能发生不同种类的损伤，因此进行结构健康监测对保障平台作业安全具有重要的工程意义。该文将声发射技术应用到导管架海洋平台上部组块结构损伤实时监测中，以CEP导管架平台为研究对象，研究适合工程现场的监测方案，提出基于检测数据的结构健康评定方法，通过对比存在不同程度缺陷的救生艇支架验证声发射技术在海洋平台结构健康监测的适用性。研究表明，声发射检测能实现活动性损伤进行定性评价，可对关键承载结构的健康状态进行长期监测。

导管架平台; 声发射技术; 实时监测; 结构健康评定

0 引言

近年来，由于海洋平台结构失效而引起的事故频发，严重影响平台的正常作业，对人身和财产构成重大威胁，而且国内大多数现役平台已经步入老龄期[1]，结构缺陷和损伤情况严重，大大缩短了平台服役期，因此，进行平台结构健康监控势在必行[2]。

海洋平台实时监测是一项综合信息监测分析技术，现有的平台监测仅仅是对某些独立信号或参数的离散收集，而不是对信号进行相关性分析以及结构健康预警。声发射检测作为动态、被动的无损检测技术，具有高灵敏性的特点，声发射不仅能够对被检测构件的几何形状、整体结构的活动性缺陷进行监测，而且可以对结构健康状况进行全天候不停工监测，现有的声发射技术已经成功应用到桥梁、管道、压力容器等的损伤检测方面[3，4]。

声源定位可以确定损伤声源检测位置与实际损伤位置的符合程度，它是结构安全预警的重要前提，其准确程度反映了声发射技术应用的可行性[5]。目前，声发射技术已经成功应用于大型结构异常变化的监测中，但是对声发射源定位技术的研究主要集中在一维管道、二维罐体监测方面[6、7]，尚未出现从工程应用角度上对海洋平台进行声发射源定位研究。该文将声发射技术应用于导管架海洋平台的健康状态监测，并以CEP导管架平台为对象，开展海洋平台损伤声发射源定位方法研究，基于检测数据对平台结构进行结构安全评价。

1 监测方案优化

海洋平台传感器优化布置是声发射监测实施前的重要准备工作，良好的传感器布置方式可以达到较好的损伤监测效果，并能实现损伤定位。受平台构件尺寸、上部运行设备及人为操作限制，传感器的布置必须根据实际情况做相应调整。声发射是动态监测技术，监测数据资料具有一定的参考性和对比性。根据平台自身服役资料、检维修历史记录以及有限元力学分析结果，选择特定区域进行同条件定期监测，实时跟踪平台结构变化特征。

选择的检测区域应该包括高应力区域点和低疲劳寿命区域点。通过力学分析可知，结构危险点一般为节点位置，特别是桩腿与甲板间的焊接位置。应用声发射技术，可检测较长距离的结构变化，传感器无需放置在结构变化点上，但为保证检测效果良好，传感器应当尽量靠近结构变化点布置。因此，声发射测点包括关键杆件的管节点，尤其是承受动态应力的主要管件。对于简单结构，尽量用传感器直接采用一维线定位得到最佳检测结果；对于复杂结构，要在检测到关键节点和尽量不影响工程生产的前提下，检测到最高强度的信号。

在甲板开阔区域上，传感器采用菱形方式(如图1所示)或三角形方式(如图2所示)布置，依靠传感器组成的几何关系和声发射源到时的时间，进行声发射源面定位；当定位出现多个声源时，传感器个数的增加会增加约束条件，去掉不合理结果。

在管节点焊接的部位，传感器要多点布置(如图3所示)实现各段线定位。这类结构复杂多变，信号传播过程容易发生信号折射、反射现象，为了保证检测的有效性，采用多传感器进行检测，传感器数量选择和布置方式根据平台架构调整，当传感器数量不足时，需要分段检测。

图1 传感器菱形布置 图2 传感器三角形布置 图3 复杂结构多传感器布置

在声发射定位技术中，最传统、最有效的是时差定位算法。对于特定的待测结构，当传感器数量足够且监测系统通道数满足测试要求时，传感器采用常规的线定位或面定位方法进行布置即可。但是对于海洋平台大型复杂结构系统，要进行长时间在线连续监测，现有条件很难获得具有足够数量的监测系统和足够多的传感器。这就需要提出新的声发射传感器布置方法，能够实现在传感器数量一定的前提下，尽可能地达到最佳监测效果，既能监测到结构损伤的发生发展，又能进行损伤的可靠定位。

声发射检测以结构损伤识别为基础，以损伤定位为目的，为保证检测效果，需要考虑的声发射传感器布置影响因素为：(1) 结构部件的重要性及失效概率；(2) 声发射传感器的监测范围。通过平台缺陷失效统计，确定各类缺陷最有可能发生的概率及后果严重度，进而确定失效风险，为监测传感器布置提供一定支持。具体参见公式(1)：

(1)

式中：R为结构失效风险；P为缺陷发生概率；C为失效后果严重程度。

2 结构健康评定方法

平台主承载立柱及斜撑、相关焊缝及关键构件的表面及内部缺陷会产生声发射信号，利用声发射在线检测技术，提取信号特征判定平台损伤的有无，并对损伤源进行定位，然后以此为基础进行损伤综合分级。声发射的实际检测效果通过信号特征提取效果表现，具体要从信号的产生频率和信号幅值两个角度考虑。

2.1 声发射活性分级

信号的发生频率代表着声发射的活性和损伤变化活动的多少，信号频率越高表明损伤变化越大。如果声发射定位源区的事件数在平台设备正常运行状态下快速增加时，则认为该部位的声发射定位源具有超强活性。如果声发射定位源区的事件数在平台设备正常运行状态下连续增加时，则认为该部位的声发射定位源具有强活性。平台声发射源活动度主要表示平台结构被损坏或腐蚀后受载荷作用引起变形的声发射信号频度，声源活动度等级[8，9]划分见表1。

表1 声发射活动度等级

以1 s为一个计算周期，设定信号门槛Th，统计一个周期内，超过门槛的信号(即有效信号)个数N1和信号总数N2，计算有效信号频率Pr，如式(2)所示。

(2)

2.2 声发射强度分级

声发射信号的幅值代表信号的强度和损伤变化的剧烈程度，幅值越高表明结构变化越剧烈[10]。声发射源的强度可用能量、幅度及计数参数来表示，强度量化值可以采用一定时段内几个最大的能量、幅度或计数参数的均值表示[8]。

以1 s为一个计算周期，设定信号门槛Th，统计一个周期内，超过门槛的信号(即有效信号)的幅值均值Am1和所有信号幅值均值Am2，计算有效信号强度比例Ar，如式(3)所示。

(3)

2.3 声发射综合分级

声发射的结构完整性综合分级见表2[7]。

表2 声发射的综合评判矩阵

表2中，风险矩阵分级如下：

(1) 不可接受风险：包括E和F，代表结构完整性受到严重破坏，需要结合其它检测方法进行损伤复检并对损伤部位进行立即修复。

(2) 中度可接受风险：包括C和D，代表结构完整性受到部分破坏，条件允许时可以结合其它检测技术进行复检并对损伤择时修复。

(3) 低度风险：包括A和B，代表结构完整性较好，不需要复检和损伤修复。

3 监测技术适用性验证

以东海某气田CEP导管架平台为监测对象，在其上部组块开展结构活动缺陷实时监测工作。监测设备采用美国Sensor Highway II-16声发射仪。经超声检测，CEP平台1号救生艇左侧支架有三处结构存在结构损伤，为验证声发射技术在海洋平台结构健康状态监测的适用性，分别以1号、2号救生艇支架为监测对象进行声发射信号实时采集与分析，并对两救生艇支架的结构健康状态进行判定。

3.1 监测信号时域横向分析

采集同一时刻两支架的声发射信号(保证两支架所处工程环境噪声相同)，通过对信号强度、密集度的对比发现两者的不同从而判断结构发生损伤的可能性大小。

图4 声发射信号撞击数时域图

图4中横坐标为信号上升时间，纵坐标为信号幅值，每个点代表一次撞击事件发生，方框中为排除环境影响后识别出的有效信号(上升时间短，幅值大的信号是复杂信号中的有效部分)。对比两救生艇支架结构，1号艇多个通道有效信号多于2号艇信号，且2号艇偶尔会出现个别信号。

3.2 监测信号时域纵向对比

对1号与2号救生艇支架进行长时间监测，观察信号随时间变化的趋势，主要观察信号的幅值及能量的变化，查看是否有奇异点的出现，从而对结构是否出现损伤进行判断，监测信号时域波形图如图5所示。

图5 救生艇支架声发射信号时域波形图

由图5可知，在相同测试条件下，时域信号同比例显示，在某时刻1号艇6个AE通道均出现较大幅值信号，而2号艇的6个AE通道并未出现大幅值信号，并且信号波动较小。由此可判定，1号艇支架存在较多的结构损伤，整体结构状态比2号艇差。

通过两种信号分析方法可知，1号救生艇支架健康状态要差于2号救生艇支架。通过金属磁记忆检测，1号救生艇支架焊缝应力集中水平较2号艇支架严重，超声检测1号救生艇支架存在3处较明显的焊接缺陷，且3种技术检测结果相互验证。

4 结论

该文将声发射检测技术应用到导管架平台上部组块结构健康监测，以CEP导管架平台为对象，从方案制定、监测数据分析、技术适用性验证三个方面开展研究，结论如下：

(1) 综合考虑声发射检测机理及导管架平台结构特点，形成一套集监测方案制定、工程现场监测数据采集及基于监测数据的结构健康状态评定于一体的综合动态监测技术。

(2) 基于声发射监测室内试验研究及工程监测数据特点，提出声发射信号分析方法，结合声发射信号活性分级和强度分级，形成考虑结构失效风险的综合分级方法。

(3) 通过对不同损伤程度的救生梯支架结构声发射信号分析对比，可对结构损伤程度进行定性判断，声发射技术可以对被监测对象进行长期、连续的监测，及早发现被监测对象中存在的损伤，为实施结构预警提供理论依据和指导。

[1] 欧进萍, 段忠东, 肖仪清.海洋平台结构安全评定:理论、方法与应用[M].北京:科学出版社, 2003.

[2] 袁慎芳. 结构健康监控[M]. 北京:国防工业出版社, 2007.[3] 孙立瑛, 李一博, 曲志刚等. EMD信号分析方法的声发射管道泄漏检测研究[J]. 振动与冲击, 2007(10):161-164.

[4] 胡昌洋, 杨钢锋, 黄振峰等. 声发射技术及其在检测中的应用[J]. 计量与测试技术, 2008(06):1-3.

[5] JIA Jing-jing, LIU Ming-jie, LI Xiao-feng. Algorithm for acoustic passive localization with dual arrays[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008,21(6):14-17.

[6] Petr S, Yuichiro H, Manabu E. Acoustic emission localization in thin multi-layer plates using first-arrival determination[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2013,36(2):636-649.

[7] Gaul L, Hurlebaus S. Identification of the impact location on a plate using wavelets[J]. Mechanical systems and signal processing, 1997,6(12):783-795.

[8] GB/T18182-2010.金属压力容器声发射检测及结果评价方法[S]. 2010.

[9] 关卫和, 沈纯厚, 陶元宏等. 大型立式储罐在线声发射检测与安全性评估[J]. 压力容器, 2005(01):40-44.

[10] 郭艳平, 解武波, 郑小平. 声发射技术及其在变压器局部放电检测中的应用[J]. 甘肃高师学报, 2007(05):25-28.

Research on Structural Health Real-time Monitoring of Jacket Platforms Based on Acoustic Emission Technique

(1.Shanghai Branch of CNOOC China Ltd., Shanghai 200030， China; 2.Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266580， China)

Affected by the environmental load and kinds of operation, offshore platforms in long-term service will produce various damage, therefore structural health monitoring has important engineering significance to the operation safety of platforms. The paper applies acoustic emission technique to the real time monitoring of structural damage for upper block of jacket platform, studies monitoring scheme suitable to engineering site, and puts forward structure health assessment method based on testing data. It proves the applicability of acoustic emission technique in the offshore platform structure health monitoring by comparing different degrees defects of lifeboat stents. Study shows that the acoustic emission detection can realize qualitative evaluation for active damage, and make long-term monitoring for the health status of key bearing structure.

jacket platform; acoustic emission technique; real time monitoring; structure health assessment

2014-09-22

国家自然科学基金项目“超强台风下大型导管架平台动力灾变模拟及损伤控制(51079159), 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目“深水自升式平台升降作业时变动力学特性研究”(15CX06056A)。

张 华(1968-)，男，工程师。

1001-4500(2016)01-0086-05

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