李洪涛 刘 跃 徐长航 陈国明 徐战强 赵立前 朴文龙

1．中国石油天然气管道工程有限公司市政工程室 2．中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心

海洋平台特别是进入中后期服役阶段海洋平台的安全问题越来越成为制约其正常作业的重要因素。海洋平台出现损伤后如何及时有效地发现损伤位置，是海洋平台安全维护的重要课题［1－2］。为此，中外学者对此进行了分析研究。结构损伤导致海洋平台结构变化，引起其振动特性改变，对比损伤前后的振动数据，可揭示振动特性并找到缺陷位置［3－4］。结构响应属于物理性能函数，响应数据反映结构物理性能的改变情况，包括频率、频率响应函数等［5－6］。频率易于测量，并且准确度高，低阻尼结构的频率识别分辨率可达到0．1%，而振型误差可达5%［7－8］。海洋平台结构发生损伤会引起频率响应函数的改变，因为该函数包含的信息丰富，且较易获得［9－10］。针对海洋平台振动监测数据，选用合适的信号处理方法同样能够进行损伤定位，且效果良好。根据声发射信号能量传播衰减特点，将定位问题转化为估计问题，建立能量衰减模型，基于能量比进行海洋平台结构损伤定位［11］。

振动与声发射检测技术均适用于海洋平台结构损伤识别，但现阶段尚未有效地定位损伤。振动技术对早期的裂纹故障不敏感，而声发射技术可以起到很好的补充作用；但随着裂纹的扩展，声发射特征参数变化程度变小，表达缺陷能力降低，这时振动技术又可起到补充的作用。笔者采用加载系统模拟海洋平台实际受力环境，经信号采集系统中的滤波功能将误差降至最低。根据振动与声发射检测技术特点，使用细化FFT变换等信号处理方法分析了振动信号的幅值变化率与损伤位置的纵向对应关系，采用声发射法得出其特征参数与损伤位置的横向对应关系。最后将两种方法进行信息融合，实现了海洋平台整体结构的损伤定位。经验证性实验，表明该定位方法可以实现平台损伤有效定位，工程应用前景良好。

1 实验设备

1．1 加载装置

激励设备控制台为丹麦B＆K加载系统，包括加载控制仪器与触发装置。加载控制仪器用于设置加载频率与增益，触发装置产生激振力，作用于模型底部区域，使其产生强迫振动，模拟海洋平台实际受力环境。实验时打开加载控制装置，调节频率与增益至合适数值，观察振动波形，不断调试实验参数从而模拟最佳的工程状态。

1．2 海洋平台模型

图1 海洋平台模型图

模型为固定式导管架平台，依照南海某导管架平台以一定比例缩建而成（图1）。模型高1 980mm，分为4层，顶层甲板为钢板，厚10mm，其余3层采用钢制管件焊接而成；桩腿共4个，所用管件外径34．05 mm，壁厚3．5mm；除顶层外，每层甲板的管件外径21．95mm，壁厚2．6mm。在此之前，使用4个螺栓将海洋平台模型4角固定，以防加载时模型移动，产生不必要的噪声。在模型第3层某杆件处预制损伤，表征平台的完好与损伤两种状态。

2 振动定位法实验

发现平台出现损伤以后，通过使用少量振动传感器，快速判定损伤所处的大致范围，是振动定位法研究的内容。通过在海洋平台模型的不同高度处布置振动传感器，不断改变外界加载状态，找出使用振动检测进行损伤定位的方法。传感器布置如图2所示，1号位于第一层，2号位于1号下部315mm的第二层，3号与5号位于平台模型第三层，即预制损伤所在层。第三层距离第二层502mm，再往下590mm是第四层，布置4号传感器，第四层距离底部573mm。

图2 振动传感器布置示意图

海洋平台模型处于完好状态时，调整激振台加载平台模型，加载频率定为5Hz，增益为大，针对振动传感器垂直于加载方向（X方向）的加速度数据，经滤波后分析5个传感器数据，从而得出这5个位置的细化快速傅里叶变化（细化FFT）后的幅值。

如图3，对比1号与2号可知，平台第一层与第二层产生信号的频率范围集中于19．78Hz，幅值分别为0．91mV与0．81mV。对比同为第三层的3号与5号，其频率范围同样集中于19．78Hz，幅值分别约为0．72mV与0．74mV。观察布置于平台模型第四层的4号传感器可知，该层所测信号的频率范围也集中于19．78Hz，幅值为0．48mV。

图3 振动传感器1号与2号处理结果图

加载条件不变，海洋平台模型处于损伤状态时，经滤波后分析各传感器数据，从而得出这5个位置的细化FFT幅值。分析结果为平台第一层与第二层所得信号的频率范围集中于19．29Hz，幅值分别约为0．71 mV与0．57mV。对比同为第三层的3号与5号，其频率范围同样集中于19．29Hz，幅值均约为0．44 mV。观察布置于平台模型第四层的5号传感器可知，该层所测信号的频率范围也集中于19．29Hz，幅值约为0．36mV。完好与损伤状态下不同位置的传感器数据经细化FFT处理后的幅值及变化率见表1。

表1 幅值对比表

分析表1数据可知，高度相同的两传感器所测数据经信号处理后的幅值基本相同，说明振动传感器所得数据与布置的高度有关，高度相等时，横向改变位置不影响数据的准确性。同时，测点位置距损伤位置的垂直距离越远，幅值的变化率越小。

平台模型第三层出现损伤，布置在该层3号与5号的变化率约40%，位于第二层2号与第三层的垂直高度约占整个平台的25%，位于第一层1号与第三层的垂直高度约占整个平台的40%，位于第四层4号与第三层的垂直高度约占整个平台的30%，说明假如平台高度为H，那么幅值变化率超过40%，损伤大致发生在测点高度相同的位置；变化率在30%～40%之间，损伤发生在距测点垂直高度为0～25%H之间的位置；变化率在25%～30%之间，损伤发生在距测点垂直高度为25%H～30%H之间的位置；变化率在20%～25%之间，损伤发生在距测点垂直高度为30%H～40%H之间的位置；变化率小于20%，损伤发生在距测点垂直高度为40%H以外的位置。

3 声发射定位法实验

声发射信号在海洋平台结构系统中的传播特性是进行科学合理利用该技术进行损伤定位以及确定传感器布设方案的重要参考依据。在平台模型桩腿、横梁等位置进行断铅实验，模拟声发射源，记录各传感器所测得的能量计数，从而找出其中规律，确定声发射定位法。

3．1 桩腿实验

在平台4根支架（A、B、C、D）顶部分别布置一个传感器，对应记为a、b、c、d，如图4所示。

在每根桩腿的第三层与第四层之间进行断铅实验，采集4组声发射信号，实验数据见表2。通过观察表2中数据，断铅位置所在杆件上的传感器所测得能量计数远大于其他杆件。所以某桩腿出现损伤，其上的传感器所测得的能量计数远高于同等高度下其他桩腿的传感器。

对于4根桩腿，改变断铅位置，选择在第一层与第二层之间分别断铅，其他条件不变，能量计数见表3。通过观察表3中数据，尽管高度发生改变，断铅位置对用杆件上的传感器所测能量计数仍远大于其他杆件，与前一次实验结果相同，验证结果的正确性。

图4 声发射传感器布置示意图

表2 每根桩腿第三、四层之间断铅实验结果表

表3 每根桩腿第一、二层之间断铅实验结果表

3．2 横梁实验

选择平台模型的第三层横梁处断铅，A、B之间横梁记为AB3，同理其他3根分别记为 AC3、BC3、BD3。分别在4处进行断铅实验，对比所得的能量计数见表4。观察表4中数据可知，AB3处断铅，a、b所测信号能量计数大致相等并远高于c、d；AD3处断铅，a、d所测信号能量计数大致相等并远高于b、c；CD3处断铅，c、d所测信号能量计数大致相等并远高于a、b；BC3处断铅，b、c所测信号能量计数大致相等并远高于a、d。可见断铅一侧两传感器所测信号的能量计数基本相同，均远大于另一侧的两传感器，并且另一侧两传感器能量计数也大致相等。

改变断铅实验位置的高度，选择平台模型的第四层横梁处断铅，横梁标记方法不变，分别在4处进行断铅实验，对比所得的能量计数，数据见表5。观察表5中数据可知，AB4处断铅，a、b所测信号能量计数大致相等并远高于c、d；AD4处断铅，a、d所测信号能量计数大致相等并远高于b、c；CD4处断铅，c、d所测信号能量计数大致相等并远高于a、b；BC4处断铅，b、c所测信号能量计数大致相等并远高于a、d。两组实验现象相同：断铅一侧两传感器所测信号的能量计数基本相同，均远大于另一侧的两传感器，并且另一侧两传感器能量计数也大致相等。

表4 第三层横梁处断铅实验结果表

表5 第三层横梁处断铅实验结果表

3．3 其他位置实验

选择平台模型每层中间位置断铅，传感器位置不变，对比所得的能量计数，数据见表6。对比每层4个测点的能量计数，结果为能量计数大致相等。

表6 每层中间位置断铅实验结果表

在平台4根桩腿顶端各布设一个声发射传感器，如果某处测点所得能量计数远大于其他3处，表明该测点所在的桩腿出现损伤；如果某两处测点所得能量计数大致相等，且远大于另外两个数据大致相等的测点，表明这两个点所在一侧的某一层横梁出现损伤；如果4个测点所得能量计数差别不明显，说明某层中间位置，即非桩腿与横梁部分出现损伤。

综上分析可知，声发射定位法可以在海洋平台水平方向上定位损伤，与能够进行垂直方向定位的振动定位技术结合起来可以对海洋平台结构进行整体损伤定位。

4 基于信息融合的实验验证

布置振动传感器于平台模型甲板处，声发射传感器布置与图4相同。针对海洋平台完好与损伤两种状态，调整加载设备使其0°角加载，频率定为30Hz。

第一步，记录a、b、c、d 4个位置上各传感器在平台模型损伤后的能量计数，分别为401、392、280、267。可以判断，损伤发生在a、b传感器一侧的横梁上。

第二步，针对振动传感器X方向的加速度数据，采用巴特沃斯滤波器低通滤波方式对其进行处理，所得数据经细化FFT变换后结果见图5。完好与损伤状态经处理后的幅值分别为6．62mV与5．20mV，变化率为21．5%，说明损伤发生在距传感器垂直高度为30%H～40%H之间的位置，并接近40%H，即位于传感器下方800mm附近，也就是位于第三层横梁处，与实际情况相符。

图5 完好与损伤状态幅值对比图

5 结论

为发现海洋平台损伤位置，进行了基于振动与声发射信息融合的损伤定位研究。结论如下：

1）针对海洋平台模型完好与损伤状态下的振动监测数据，经滤波后采用细化FFT法进行信号处理。对处理结果进行分析，分析幅值变化率与损伤位置之间量化的对应关系，从而实现在海洋平台的垂直方向上对损伤位置进行损伤定位。

2）设计桩腿实验、横梁实验及其他位置实验，针对海洋平台模型完好与损伤状态下的声发射监测数据，分析能量计数与损伤位置的对应关系，从而实现在海洋平台水平方向上对损伤进行定位。

将声发射与振动技术进行信息融合，从而实现了对海洋平台结构进行整体损伤定位。

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