声发射技术在海上平台安全评估中的应用

张锡斌 王 薇 李伯群

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司 海洋采油厂，东营 257000）



声发射技术在海上平台安全评估中的应用

张锡斌 王 薇 李伯群

（中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司 海洋采油厂，东营 257000）

摘 要：海洋平台造价极高，所处环境又极度恶劣，其安全评估是海上平台日常管理工作中的重要部分。传统无损检测及评估方法不具有实时性，而声发射技术的特点能够很好地弥补传统方法的不足，为海上平台安全评估工作开辟新的方向。本文将结合实际进行声发射技术在海上平台安全评估中应用的研究。

关键词：声发射 海上平台 安全评估

引言

随着人类科技的进步，石油以及石油制品在人类生活中扮演着不可或缺的角色。海上平台作为海洋石油生产的重要设施与生活区域，其安全性对海上石油开采、运输具有极其重要的意义。海洋平台的生产运行环境存在多种不利因素，如风浪、载荷、海水腐蚀、北方海域的海冰撞击等。在如此环境下长期运行，平台的结构、设备等容易产生内部、外部损伤。这不仅会影响平台的安全性，也将影响平台的使用寿命。海洋平台一旦发生坍塌，将会造成大量人员伤亡以及财产损失。

安全生产不应是以牺牲经济利益为基础的。调节好安全与利益的平衡，是海上平台安全评估的重点问题。声发射检测技术，作为一种被动的检测手段，可以做到对平台结构、主要设备进行在线检测，不需停产，进行实施监测。

声发射技术可以应用在平台结构健康监测、海冰撞击监测、吊机监测以及整体安全评估中，可使企业在有限的时间、资金范围内对危险实施最有针对性的措施，以保证安全的前提下最大限度地保证企业的经济利益。

尽管用无损技术进行定期检查已经被规定到生产程序中，但仍然不足以发现全部潜在的结构缺陷及这些缺陷在生产过程中的发展趋势。究其原因，在于定期检查是被安排在一个特定的时间间隔内。因此，有限的技术并不能检测到活跃的缺陷和它们真正在生产过程中的发展。因此，需要用在线实时监测尤其是声发射监测，保障生产和使用过程中的结构完整性。

1 声发射技术

1.1 声发射检测原理

声发射（AE），即材料中某局域中声发射源释放能量并产生瞬态弹性波的现象。声发射检测技术是一种被动检测技术。它是通过“听”被检测对象所发出的声发射信号，来判断这些信号所载有的声发射源的信息。在声发射检测过程中，由于内部压力、应力等原因，被检测材料诱发瞬态弹性波，并沿材料传播到表面，再通过声发射传感器利用压电效应将材料表面的微位移转换为电信号，然后经放大、传输后显示和处理，再通过分析载有声发射源特征信息的AE信号来解析缺陷部位的情况［1］。

基于以上原理，声发射技术可以动态检测出材料、结构的微观变形、裂纹开裂、腐蚀发展等情况。

1.2 声发射技术特征

声发射技术检测应用于海上平台安全评估的主要优点［2］：

（1）声发射动态的检验方法。它检测到的能量是由被测物体所发出，而非由无损检测仪器提供。

（2）声发射检测对线性缺陷较为敏感。进行海上平台安全评估时，它可以有效提供缺陷信息。

①声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况。

②在一次检测过程中，声发射能够对整体结构进行探测，并且评价整个结构中缺陷的状态。

③声发射检测可提供被测材料中，缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，有助于了解在当前环境中设备的运转情况，使海上平台安全评估更加贴近设备所在环境。

（3）声发射检测对于被测物体的接近要求不高。进行海上平台安全评估时，它可用于难于或不能接近的环境下检测。

（4）在进行海上平台安全评估时，声发射技术对压力容器、常压容器等检测方便有效。对于压力容器的耐压试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作压力。

（5）被检测对象的几何形状对声发射检测的影响不明显。由于这种对构件的几何形状的不敏感，故而在进行海上平台安全评估时，它适用于检测形状复杂的构件。

（6）声发射检测对设备完整性不产生任何影响，不需拆卸，通过在被测设备材料表面布置高灵敏度的AE传感器，判定内部是否存在缺陷，检测方便、结果直观。在开车前进行的海上平台安全评估不可能将设备再次拆卸下来检测，故而声发射检测技术在此时的优势显得格外明显。

2 声发射技术在海洋平台海冰撞击安全评估监测中的应用

2.1 海冰撞击安全评估监测的意义

渤海海域随着冬季冰期的到来，海面上会逐渐生成海冰，而浮冰受到风浪、潮汐等作用，会对海上平台形成周期性的冲击，这就将给平台结构健康带来安全隐患。海冰撞击这类时常发生的持续性影响，将会在潜移默化中影响平台结构安全。为了获取海冰撞击带来的影响，我们采用声发射技术进行海冰撞击的监测与评估。

2.2 海冰撞击安全评估监测的目的

对于冰期海冰撞击声发射监测，主要从以下几个方面循序进行。

（1）监测、记录海洋流动浮冰对平台结构的撞击强度、频率，结合其他外参数，如风向、风速、机械运转记录等，综合评估海冰撞击对于平台的影响。

（2）经过一段时间的监测分析，对发现的结构薄弱点加大监测密度，更合理地布置传感器位置，从而捕捉平台结构的裂纹发生及扩展。

（3）将监测数据进行横向与纵向的对比。具体来说，就是进行冰期与非冰期的数据对比，同时与海况水纹记录、振动监测等进行对比，从而建立海冰撞击信号的数据库。

（4）研究声发射信号参数与实际海冰撞击之间的关系。

另外，英国和美国之间还有一些明面上的文化差异，比如“floor”一词在虽然在书写上没有差异，但在两国之间的发音和意思却截然不同，在英国“the ground floor”为“一楼”的意思，“the first floor”为“二楼”；而在美国，“一楼”的表达为“the first floor”，“二楼”则表示“the second floor”与英国的表达正好差一层。这些基本的知识细节，在教学中笔者都曾告知学生注意。

（5）实践在海洋平台上开展远程全天候结构健康监测。

2.3 海冰撞击安全评估监测的实施及发现

声发射传感器均匀布置于平台的桩腿及立管上，且在平台上设置气象、位移、振动监测设备。

图1 海冰撞击声发射监测信号

图1为冰期一段时间内海冰撞击声发射监测信号情况，得出以下初步结论。

（1）在非冰期，声发射信号基本处于26dB以下，而海冰撞击作用下信号幅度明显高于26dB。所以，声发射能够较为准确地反应映海冰撞击对于平台的影响，即通过声发射监测，可得到海冰撞击的频次与能量程度。

（2）在海洋的结冰期，海冰对于平台的撞击与潮汐存在比较紧密的联系。在涨、落潮期间，海冰撞击的相对作用越强；在稳定期间，海冰撞击作用相对作用较弱。

（3）声发射信号往往受到噪声的干扰，在平台上常见的为机械、泊船、风浪、下雨等。监测过程中通过特征识别、数据过滤、辅助分析等手段，可以基本将影响控制在可接受范围内。

3 声发射技术在海洋平台裂纹安全评估中的应用

3.1 平台裂纹安全评估意义

在一些高应力点的近海平台结构中，如桩靴，缺陷的尺寸太小很难通过常规的设备与定期检测来有效观察缺陷及其发展过程。为了保证使用的安全，对缺陷萌生的监测被视为安全情况保障的最关键部分。许多时候，当停工检查期间，发现结构部件可能在特殊部位已经产生裂纹。而这些裂纹产生的原因却无法解释。实时在线监测能够用来确定当断裂发生时的情况，从而确定断裂发生的原因。

3.2 平台裂纹监测实施

声发射是一项全局性的监测技术。例如，传感器可以布置在想要监测的区域，并探测到离传感器一定距离的缺陷。理论上，想要监测的区域放置的传感器越多越好。尽管如此，实际使用中，考虑到成本问题，要在满足衰减和需要的情况下用最少的传感器覆盖到最大的范围。考虑到无齿条板的结构，只有很少的布局方式可以考虑。

图2 裂纹定位图

图2为裂纹定位图。可以明显看出，在6、7、8号传感器之间形成的阵列中存在明显的定位点。经过信号处理与波形分析后，确定为结构缺陷信号［3］。经超声检测的结果对比，在实际的检测区域位置上确实存在此裂纹，并且经过长时间监测后，可以观测出裂纹是否存在发展的趋势。

4 海上平台吊机监测

吊机作为海上平台重要的作业动设备，其安全性尤为重要。结合国外声发射在动设备监测、评估方面的优秀成果，对吊机基座进行声发射监测，有助于我们了解吊机在进行作业过程中缺陷的发生和发展［4］。

由图3可以看出，经过一定时间的监测后，吊机基座部门出现部分声发射信号。经过信号分析，并结合作业工况以及信号特征，可以初步分析出：定位图中，信号并没有呈现聚类的情况，所以判定并没有新生裂纹等结构缺陷，也并没有旧的缺陷发展生长的情况。结合天气及作业情况报告，确定信号来源主要为作业噪声及天气影响。

图3 信号定位图

5 声发射技术在海上平台容器安全评估中的应用

对于海上平台的容器类设备，声发射技术最大的优势就是可以进行不开罐、不停产的在线检测安全评估，可以为我们的安全工作节约大量的时间和资金资源。

目前，海上平台已经成功运用声发射技术进行压力容器、常压方罐、沉箱等的检测、安全评估工作，并取得了宝贵的工作成果。

罐体声发射监测，是通过安装在罐体上的声发射传感器阵列，来探测罐体母材和焊缝的表面与内部缺陷开裂及扩展产生的声发射源。

对罐体进行的声发射监测能探测到加压过程中由应力增加导致的缺陷开裂部位。这些部位包括壁板、罐壁与垫板和接管相连接的角焊缝、罐壁与加强板相连接的环焊缝等。这种部位可能出现潜在的声发射源［5］。

6 结论

声发射技术于近些年快速发展。相较于海洋石油，它在陆地的应用更加广泛。声发射技术的整体监测、被动检测等特性是其他无损检测手段所不具备的，而这些特性也决定了其在海洋石油特别是海上平台安全评估中应用的可能性与重要意义。

本文通过理论研究并结合相关的实际工程应用案例，分析声发射技术在海上平台安全评估中的应用。从各项应用情况来讲，声发射技术可以为我们在海上平台的安全评估、安全管理工作提供高效的帮助。但在应用过程中也伴随着一些需要在今后进一步解决和发展的问题：（1）对于噪声干扰，应从信号分析、现场排除等角度进一步研究海上平台声发射信号处理技术。（2）建立声发射结合其他相关技术的全天候实时监测系统。

参考文献

［1］中国国家标准化管理委员会.GB/T 12604.4-2005.无损检测-术语-声发射检测［S］.北京：中国质检出版社，2005

［2］白晟.便携式USB声发射设备系统开发及应用研究［D］.北京：北京化工大学，2014.

［3］TOMASZ B，DARIUSZ Z.Application of Wavelet Analysis to Acoustic Emission Pulses Generated by Partial Discharges［J］.IEEE Transactions on dielectrics and electrical insulation，2004，（3）：433-449.

［4］T. H. Loutas，G. Sotiriades，I. Kalaitzoglou，V. Kostopoulos. Condition Monitoring of a Singlestage Gearbox with Artificially Induced Gear Cracks Utilizing On-line Vibration and Acoustic Emission Measurements［J］.Applied Acoustics，2009，（70）：1148-1159.

［5］汪文友，许凤旌.罐底腐蚀声发射检测数据评价方法［J］.无损检测，2012，（12）：54-57.

Application of Acoustic Emission Technique in the Safety Assessment of Offshore Platforms

ZHANG Xibin，WANG Wei，LI Boqun
（China Petroleum & Chemical Corporation Shengli Oilfield Company Marine Oil Production Plant， Dongying 257000）

Abstract:Because the high cost of offshore platforms， and the working environment is extremely harsh， so the safety assessment of offshore platforms is an important part of its daily management. Traditional nondestructive testing and evaluation method is not real-time， and the characteristics of acoustic emission technique can well make up for the shortcomings of the traditional method，open up a new direction for the s afety assessment of offshore platforms work.This article will combine the actual case to study the acoustic emission technique in the application of the safety assessment of offshore platforms.

Key words:Acoustic Emission，Offshore platforms，Safety assessment