导管架海洋平台结构损伤诊断方法探讨

张金辉(天津中海油工程设计有限公司)

导管架海洋平台结构损伤诊断方法探讨

张金辉(天津中海油工程设计有限公司)

海洋石油平台的导管架时常因为被船舶撞击、海洋腐蚀而发生损伤，假如无法尽快有效的给予判断及处理，会对此后的石油生产工作造成影响，本文对目前较为普遍的导管架结构损伤诊断方法给予简要分析与总结。

导管架；海洋平台结构；损伤诊断；诊断方法

海洋平台作为海洋生产与生活的基础，在结构的体积方面较大，造价较高，且长时间处在环境恶劣的海洋中，不但会被风浪所侵袭，还会被海洋的环境乃至海生物所影响，甚至会被一些极端状况所侵害，所以对于导管架海洋平台结构问题而言具备了较强的挑战性。对于海洋的开发而言，因为不具备良好的技术保障，出现了诸多平台损伤问题，不但要付出较大的经济损失，还会对环境造成污染，对社会的发展极为不利。所以海洋平台结构损伤愈发被重视，已经变成海洋工程结构探究的一个重要话题。

1 一处一种损伤的诊断方法

(1)主腿局部腐蚀的损伤识别 处在海水内的金属结构因为各类因素较易产生腐蚀现象，比如因为海水内具有不同盐类，属于电解质溶液，较易与金属组成电池产生电化学反应，从而腐蚀金属。虽然对导管架结构而言，通常使用涂层或金属保护等方法，可是在活泼金属板或者涂层被破坏时，导管架结构则较易造成局部腐蚀损伤，并且当贴近海底时，因为流沙长时间被冲刷，较易出现导管底端腐蚀的状况。导管架通常高几十米至一百多米。深海区通常含氧量较低，位于浅海区的海水大多为氧饱和状态，所以浅海导管架腐蚀速度超出深海导管架。除却氧含量的问题，污染物、海洋生物、沉积物等均会令浅海导管架出现腐蚀现象。在导管架四根主腿中设定局部腐蚀30%损伤，在ANSYS中通过主腿产生损伤单元的壁厚降低30%而模仿腐蚀损伤，主要是修改主腿单元壁厚的参数[1]。

(2)主腿局部弯曲的损伤识别 对于制造、运输以及安装当中的结构碰撞，会令导管架主腿产生一些损伤，因为主腿壁厚与外径均较大，不宜被断裂，却较易造成弯曲类机械损伤，并且在导管架工作时会出现重物掉落或船舶碰撞而出现的弯曲损伤。对导管架四根主腿水下端设定局部弯曲0.5m损伤，所有主腿单元长度是2m，对主腿在导管架高度方位22.6m以下的一切位置设定损伤且依照顺序给予诊断。

(3)细杆件断裂的损伤诊断 在细杆件腐蚀到相应程度后会出现断裂，并且细杆件被激烈撞击后也会产生断裂。通过鉴别细杆件不同单元损伤处，辨别结论完全正确。

(4)细杆件多单元弯曲损伤识别 导管架细杆被撞击后会出现杆件不同长度及不同程度弯曲的状况，当仅具有单个损伤的状况下，通过ANSYS优化方式对模型给予修改，从而识别不同单个损伤，损伤点的识别正确率都超出了80%，执行优化后获得的损伤程度与真实损伤状况相差20%以内的几率超出了85%，体现出这一方式能够较为正确的识别出单个损伤。并且，主腿弯曲和主腿腐蚀的识别正确率极为靠近，体现出两种损伤的设计变量个数相同时，损伤类别不会过于影响到识别的正确率。

2 两处同种损伤的识别

大多导管架产生损伤时，不但属于某个点的某个损伤，还是不同点或不同损伤，例如腐蚀损伤的产生极有可能为多处大范畴的损伤。在进行模拟时，多处损伤能够通过多个不同点单元的损伤给予取代，而大范畴的损伤可以当作多个持续单元出现的损伤。两处腐蚀损伤都具备的位置识别率与程度识别率均和两个弯曲损伤一同具备的识别率相似，可是两个断裂损伤具备的状况的点，识别率都超出前两个状况。这是由于断裂损伤不具备描述损伤程度的设计变量，并且其个数的降低令损伤识别的正确率有所提升。

3 两处不同种损伤的识别

导管架在真实的工况内会同时具有多种损伤产生于不同点的状况，例如导管架主腿的某个点出现腐蚀损伤，并且其他杆件产生弯曲或断裂损伤。区分两种同时具备的损伤与一种损伤则可以通过分辨两种损伤时，设计变量个数为辨别一种损伤的双倍。设定了同时存在导管架主腿腐蚀与主腿弯曲、共同具备细杆件的断裂与主腿腐蚀乃至一同存在主腿弯曲与细杆件断裂等情况，通过测试可以发现，4000步识别率远低于20000步，体现出计算步数的增多提升了损伤识别的结论。识别位置差别超出一个单元以上的状况大部分是把损伤点当作导管架关于YOZ对于秤杆件中的相关点。这是因为随着设计变量的加大，令优化解的范围自由度数加大，令靠近最优化解的难度加大[2]。

4 导管架顶层测试点数据识别导管架水下方损伤试验方法

(1)所需的实验设备与器材 实验导管架的模型、一个2.5m深的水坑或3000×2500×2500的水缸。

(2)实验的方法 首先，设计一个试验导管架模型，通过实验设施将水面以上敏感点的模态提出，并且在ANSYS软件内依照测试的导管架模型规模创建模拟试验导管架模型，将相关敏感节点的模态提取出来。其次，通过ANSYS内提取的模拟导管架模型敏感节点模态与测试导管模型敏感节点模态建立目标函数。再次，设定测试导管架模型损伤，通过测试获得损伤后测试导管架模型水面中敏感节点的模态。最后，通过ANSYS的优化能力自动改变设计变量，令两个模态相同，以此完成辨别导管架测试模型的损伤类别及损伤点。

5 结语

通过对导管架结构损伤的相关问题进行探讨，分析通过有限元软件ANSYS的优化设计模块和损伤识别，探寻出较为经济且极为便利的损伤识别方式。通过这一方式可以完成在导管架损伤点处在海洋中时，判定损伤点和损伤的程度。并透过对导管架一处一种损伤乃至两处损伤共同具备的情况给予识别，进一步探讨导管架海洋平台结构损伤的诊断。

[1]张若瑜，唐友刚，刘利琴.不同因素对于深海系伯系统动张力的影响分析[J].天津大学学报，2011，(44)：313-318.

[2]戴亚文.面向工程结构的无线分布式监测系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2011：21-24.