振动监测在导管架平台结构安全保障方面的几种应用

王火平,王德洋,彭怡锦,王巍巍

(1. 中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518000; 2. 中海石油深海开发有限公司,广东 深圳 518000; 3. 海洋石油工程股份有限公司,天津 300451; 4. 清华大学深圳国际研究生院,广东 深圳 518000)

0 引 言

从20世纪80年代国内海上导管架平台开发以来,我国海域存在超过3百座导管架平台,随着时间推移这些平台逐渐进入后期,平台的结构安全保障问题成为作业者的重点关注内容。

海洋平台的设计一般会根据储量、经济情况确定设计年限,但一般平台的服役期都会超过原有的设计年限。依据经验和规范,超期服役需要相应的检测、评估。由于导管架平台永久固定于海上,检测、评估都会有一定的盲点,特别是深水导管架平台,由于检测费用昂贵,不可能做到全面的检测评估。因此,平台结构的完整性管理规范都推荐进行振动监测[1、 2],通过监测对整体安全情况进行预警并指导评估。常规的振动检测处理技术不能直接用于振动监测的数据处理,本文通过实际项目应用,介绍几种适用于导管架结构安全保障的振动监测应用方法。

1 常见几种平台结构振动测量应用及处理方法

随着振动理论及其相关学科的发展,利用振动特性分析结构设计和评价成为一种重要手段。其中,模态分析是振动工程理论的一个重要分支,是研究动力特性的一种近代方法。通过振动测量数据分析可以得到结构的模态应用。得到模态的过程称为模态参数识别。对于海洋平台结构的作用主要包括3方面:直接用于结构性能评价、结构动态设计、损伤诊断和状态检测。过去的50年中,至少发展了一百种不同的模态参数识别方法。作为很多时域方法基础的复指数法,是一种单输入单输出(SISO)方法,是从Prony方法发展而来的。后来,该方法发展到最小二乘复指数法,可以同时处理多个脉冲响应,是一种单输入多输出(SIMO)的方法。在19世纪80年代早期,多输入多输出(MIMO)测试技术得到很好的发展,最小二乘法又发展到可以处理多参考点的情况,这种方法称为多参考点复指数法。1984年,NASA所属的研究中心发展了一种特征系统实现法(ERA)法,该方法也是典型的MIMO方法,可用于大型复杂结构。目前,ERA方法已成为土木工程领域实验数据模态分析中非常重要的一个方法。另外一种常见测算法是随机子空间算法(stochastic subspace identification algorithm,SSI)。SSI算法分为两种:数据驱动随机子空间算法(Data-Drive stochastic subspace identification algorithm,Data/SSI)和协方差驱动随机子空间算法(Covariance-Driven stochastic subspace identification algorithm,Covariance/SSI)。由于SSI算法优秀的性能,在桥梁等大型工程结构的模态参数识别中得到了广泛的应用。该方法已经运用到了海上风力机的模态识别中。根据以上情况,本文选定ERA方法和SSI算法作为海洋平台结构基于振动监测的模态参数识别方法[3]。

在工程应用方面,20世纪60～80年代开始有相当多的研究机构和公司开展针对导管架结构监测的相关研究和工程实践[4],主要监测内容包括振动监测和疲劳监测。通过振动监测对结构损伤识别判断,通过局部杆件充水、刚度变化造成局部结构频率变化识别,也可以通过整体动力特性识别,来进行结构损伤识别的研究。同时代,有监测公司针对具体的平台开展了结构固有频率与结构损伤之间联系的相关研究,有意将该技术推向工程应用。但由于实际工程需求和方法、技术的效果有一定差距,导致相关应用不多。到90年代,开始随着深水浮式平台的盛行,监测逐渐转向系泊、立管、钻井等方面。对导管架结构监测相对较少,主要应用于3个方面[5～7]:基于监测的诊断、预警;对于低冗余度平台,通过频率监测可以对安全进行预警;通过平台固有频率变化直接预警。另外,也有将极限强度分析(储备强度比RSR)结果与频率联系进行预测的案例。另外一部分是通过后期数据处理,经过模态参数识别、损伤诊断来预警。针对特殊工况的监测,在平台钻井或浮托过程中对导管架进行监测。

国内外案例、规范都表明导管架平台监测是完整性管理的重要环节,主要监测目的包括实时状态监测和辅助评估。实时状态监测包括通过基频实时变化、位移变化结合波浪大小实现实时预警。辅助评估包括通过基频长期测量优化模型后评估。

2 实时预警

2.1 振动监测预警

基于振动监测的预警一般包括两种方式:基频变化预警和位移变化预警。基于加速度监测时域变化数据,通过数据处理可以得到实时的基频变化和位移变化。在预警中阈值的选择尤为重要,基频变化预警的阈值可以以大量统计数据作为基础设定。位移变化的阈值选择办法包括两种,一是根据一年一遇设计海况计算测点位移作为预警值;二是预先计算出多个环境载荷作用下的位移值,根据现场测量的实时海况自动选择对应的预警值[8、 9]。

2.2 基频变化预警

2.2.1 预警阈值选择

基于长期的振动监测数据可以利用统计方法对数据进行分析,分析对象可以是加速度信号,也可以是频域分析得到的模态、振型信息。用统计学办法筛选数据为后续评估提供数据支持。首先,收集大量的模态频率值,进行统计学分析,得到某一置信区间对应的频率值,替代百年一遇工况对应的固有频率,来修正模型进行评估。通过频率的变化,判定结构是否存在异常,这是结构损伤判定最常用的方法。根据经验判断,实测的频率变化率超过2%,结构便出现异常。

2.2.2 短时傅里叶变换方法

振动信号处理中常用傅里叶变换实现时频转换,但振动监测预警需要实现视频联合分布。最常见的方法是采用短时傅里叶变换,给信号加上一个窗函数,再进行傅里叶变换,得到时间附件很短时间的局部谱;然后,窗函数根据时间的位置变化在整个时间轴上平移,得到任意位置附近的时间段频谱。这样就实现了时间-频率分析。该分析需要固定一个窗函数,这就限制了分辨率,也就是只能处理平稳信号,海洋平台结构的固有频率基本上不变或者极其缓慢变化,因此适合于这种方法。

对长时间的观测数据进行短时傅氏变换,结果如图1所示,0.45Hz处的能量成分基本上全时可见;而0.7Hz处的能量成分则断断续续,与数据的取时有关。其他频率成分基本不可见。

图1 短时傅里叶变换实时数据处理结果

2.2.3 小波谱分析方法

对于分析和处理平稳信号,傅里叶分析具有良好的适用性。然而,现实中信号大都以非平稳形式出现,为了分析和处理该类信号,人们加以改进,提出并发展了一系列全新的信号分析理论,其中,最为典型的是小波分析方法。小波变换是一种信号的时间-尺度或时间-频率的分析方法,即在时域对信号进行离散变换,在频域进行谱分析的方法。它具有高分辨率的特点,且在时域、频域都具有表征信号局部特征的能力。在低频部分,它具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率;在高频部分,具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率,特别适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象,故被誉为分析信号的显微镜和望远镜。

图2所示是对上节信号的小波谱分析的结果,可以明显看到,该信号中主要包含两阶频率成分,识别结果比短时傅里叶编号效果更好,在实测中效果更好。

图2 小波分析实时数据处理结果

2.3 位移预警

1. 位移值的获取

一般结构振动监测选取加速度传感器,而平台结构安全预警的最直接的判断条件是位移,因此,需要将加速度转换为位移。一般通过将加速度两次积分的方法获取位移,可以采用时域积分或者频域积分方法。当信号中包含多个频域信息时,两种方法都不可避免遇到二次趋势问题。这里推荐分别提取前两阶主频对应的加速度信号,应用滤波方法去掉噪声,在频域上分别积分,积分狗叠加后获取相对真实的位移。

在东海DPP平台进行现场数据的处理,如图3和图4所示。该平台的前两阶结构频率分别是0.41957Hz和0.5312Hz,分别对两阶信号分别积分处理,得到最大位移0.0035428m。重构后的加速度信息跟原信号基本重合,可以推测该位移可信,可用于预警。

2. 位移阈值的获取

在我国东海或南海海域导管架平台结构设计中,选取一年一遇的海洋环境条件作为操作工况的参数,选取百年一遇的环境条件作为极端工况计算参数。采用这两个环境参数得到测点位置的位移,该位移用于预警位移阈值。也可以用实测的实时环境参数作为预警阈值。表1是东海DPP平台的对应数据,其中,实测数据是半个月测量中的最大值,跟图4的位移数值对应。

表1 环境参数

从表中可以看出,无论是实际的操作工况或者极端工况,得到的位移值远大于实际的位移,用来作为预警阈值较为保守,采用实测值比较合适。但长期看,可以通过长期环境载荷和响应对应值的趋势进行智能诊断预警。

3 后评估

3.1 评估流程

振动监测数据除现场实时预警外,可以进行基于振动数据的后评估。后评估步骤分为:

(1) 对现场数据进行详细的数据处理,包括模态分析、统计数据分析,得到基于统计分析的频率、振型等信息。

(2) 结合实际检测、调研情况和模态分析结果,对计算模型进行修正,主要针对重量、导管架刚度、P-Y曲线等。

(3) 根据修正模型修正动力响应系数,现场测量结果频率一般会比实际计算大;根据实测频率修正的模型,动力响应系数一般会比原计算小。

(4) 利用修正的动力系数进行具体分析(静力分析、倒塌分析),结果一般会比原始的理想,因有实际测量支持结果也容易被各方接受。

(5) 采用修正的模型计算疲劳分析也可以得到更理想的结果,但由于疲劳分析规范有明确的模型,计算有明确的要求,因此该步更多的是辅助疲劳分析,指导检测。

3.2 案例

对南海某导管架平台进行了5天的不间断振动测量。根据现场情况共布设5台海洋平台主体结构振动检测仪器,分别是非作业甲板3个,底层甲板1个,以及直升机甲板下生活区4层1个,每台仪器可测量3个方向的加速度,具体布置如图5所示。

图5 现场测点布置示意图

图6 长时测量时域图

其中一个测点在水平方向全天测振数据。在无特殊海况的情况下,该平台环境激励振动幅度比较微弱,水平XY方向振幅仅约为±0.2gal。

对单独方向(X向和Y向)分别进行模态参数识别,并对多天数据进行统计,可以看出X轴方向(平台东西方向)上0.44Hz模态成分明显,Y轴方向(平台南北方向)上0.39Hz、 0.72Hz模态成分明显,如图7和图8所示。

图7 X分量识别结果

图8 Y分量识别结果

原始分析前三阶模态频率分别为0.30、 0.33、 0.52,现场测量频率分别为0.39、 0.44和0.72,经过模型修正(修正包括活荷载、海生物、桩土文件等),得到更真实的模型频率分别为0.39、 0.43、 0.70。

基于上面模型得到的动力系数同原始比较见表2。

表2 动力系数比较

根据修正的系数得到的RSR值与原始比较见表3。

表3 RSR值对比

4 结 论

通过模态参数识别、小波变换、位移反推,以及基于模型修正后评估等方法,对老龄平台的监测数据进行分析研究。模态参数识别方法可以更精确得到振型、阻尼等模态参数。由于效率较低更适合于振动检测,长期的振动监测可以采用时域方法得到实时的频率变化用于预警。通过研究还发现,可以通过位移反推的方法,对平台结构位移进行测量并预警。利用振动监测数据完成计算模型的修正进而评估,可以得到更为理想的评估结果,是一种极限平台结构挖潜的有效手段。

由于监测时间较短,未形成长期大量的统计数据,后期的研究可以针对现场大量的数据并结合实时环境数据,研究监测手段对平台预警的影响。相信长期大数据的积累也可以为平台结构的智能诊断甚至是智能设计提供参考。