基于振動(dòng)與聲發(fā)射信息融合的海洋平臺(tái)損傷定位方法實(shí)驗(yàn)

李洪濤 劉 躍 徐長(zhǎng)航 陳國明 徐戰(zhàn)強(qiáng) 趙立前 樸文龍

1．中國石油天然氣管道工程有限公司市政工程室 2．中國石油大學(xué)（華東）海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心

海洋平臺(tái)特別是進(jìn)入中后期服役階段海洋平臺(tái)的安全問題越來越成為制約其正常作業(yè)的重要因素。海洋平臺(tái)出現(xiàn)損傷后如何及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)損傷位置，是海洋平臺(tái)安全維護(hù)的重要課題［1－2］。為此，中外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了分析研究。結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)變化，引起其振動(dòng)特性改變，對(duì)比損傷前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)，可揭示振動(dòng)特性并找到缺陷位置［3－4］。結(jié)構(gòu)響應(yīng)屬于物理性能函數(shù)，響應(yīng)數(shù)據(jù)反映結(jié)構(gòu)物理性能的改變情況，包括頻率、頻率響應(yīng)函數(shù)等［5－6］。頻率易于測(cè)量，并且準(zhǔn)確度高，低阻尼結(jié)構(gòu)的頻率識(shí)別分辨率可達(dá)到0．1%，而振型誤差可達(dá)5%［7－8］。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會(huì)引起頻率響應(yīng)函數(shù)的改變，因?yàn)樵摵瘮?shù)包含的信息豐富，且較易獲得［9－10］。針對(duì)海洋平臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選用合適的信號(hào)處理方法同樣能夠進(jìn)行損傷定位，且效果良好。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)能量傳播衰減特點(diǎn)，將定位問題轉(zhuǎn)化為估計(jì)問題，建立能量衰減模型，基于能量比進(jìn)行海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷定位［11］。

振動(dòng)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)均適用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，但現(xiàn)階段尚未有效地定位損傷。振動(dòng)技術(shù)對(duì)早期的裂紋故障不敏感，而聲發(fā)射技術(shù)可以起到很好的補(bǔ)充作用；但隨著裂紋的擴(kuò)展，聲發(fā)射特征參數(shù)變化程度變小，表達(dá)缺陷能力降低，這時(shí)振動(dòng)技術(shù)又可起到補(bǔ)充的作用。筆者采用加載系統(tǒng)模擬海洋平臺(tái)實(shí)際受力環(huán)境，經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)中的濾波功能將誤差降至最低。根據(jù)振動(dòng)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)，使用細(xì)化FFT變換等信號(hào)處理方法分析了振動(dòng)信號(hào)的幅值變化率與損傷位置的縱向?qū)?yīng)關(guān)系，采用聲發(fā)射法得出其特征參數(shù)與損傷位置的橫向?qū)?yīng)關(guān)系。最后將兩種方法進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)了海洋平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的損傷定位。經(jīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，表明該定位方法可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)損傷有效定位，工程應(yīng)用前景良好。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1．1 加載裝置

激勵(lì)設(shè)備控制臺(tái)為丹麥B＆K加載系統(tǒng)，包括加載控制儀器與觸發(fā)裝置。加載控制儀器用于設(shè)置加載頻率與增益，觸發(fā)裝置產(chǎn)生激振力，作用于模型底部區(qū)域，使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，模擬海洋平臺(tái)實(shí)際受力環(huán)境。實(shí)驗(yàn)時(shí)打開加載控制裝置，調(diào)節(jié)頻率與增益至合適數(shù)值，觀察振動(dòng)波形，不斷調(diào)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)從而模擬最佳的工程狀態(tài)。

1．2 海洋平臺(tái)模型

圖1 海洋平臺(tái)模型圖

模型為固定式導(dǎo)管架平臺(tái)，依照南海某導(dǎo)管架平臺(tái)以一定比例縮建而成（圖1）。模型高1 980mm，分為4層，頂層甲板為鋼板，厚10mm，其余3層采用鋼制管件焊接而成；樁腿共4個(gè)，所用管件外徑34．05 mm，壁厚3．5mm；除頂層外，每層甲板的管件外徑21．95mm，壁厚2．6mm。在此之前，使用4個(gè)螺栓將海洋平臺(tái)模型4角固定，以防加載時(shí)模型移動(dòng)，產(chǎn)生不必要的噪聲。在模型第3層某桿件處預(yù)制損傷，表征平臺(tái)的完好與損傷兩種狀態(tài)。

2 振動(dòng)定位法實(shí)驗(yàn)

發(fā)現(xiàn)平臺(tái)出現(xiàn)損傷以后，通過使用少量振動(dòng)傳感器，快速判定損傷所處的大致范圍，是振動(dòng)定位法研究的內(nèi)容。通過在海洋平臺(tái)模型的不同高度處布置振動(dòng)傳感器，不斷改變外界加載狀態(tài)，找出使用振動(dòng)檢測(cè)進(jìn)行損傷定位的方法。傳感器布置如圖2所示，1號(hào)位于第一層，2號(hào)位于1號(hào)下部315mm的第二層，3號(hào)與5號(hào)位于平臺(tái)模型第三層，即預(yù)制損傷所在層。第三層距離第二層502mm，再往下590mm是第四層，布置4號(hào)傳感器，第四層距離底部573mm。

圖2 振動(dòng)傳感器布置示意圖

海洋平臺(tái)模型處于完好狀態(tài)時(shí)，調(diào)整激振臺(tái)加載平臺(tái)模型，加載頻率定為5Hz，增益為大，針對(duì)振動(dòng)傳感器垂直于加載方向（X方向）的加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后分析5個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個(gè)位置的細(xì)化快速傅里葉變化（細(xì)化FFT）后的幅值。

如圖3，對(duì)比1號(hào)與2號(hào)可知，平臺(tái)第一層與第二層產(chǎn)生信號(hào)的頻率范圍集中于19．78Hz，幅值分別為0．91mV與0．81mV。對(duì)比同為第三層的3號(hào)與5號(hào)，其頻率范圍同樣集中于19．78Hz，幅值分別約為0．72mV與0．74mV。觀察布置于平臺(tái)模型第四層的4號(hào)傳感器可知，該層所測(cè)信號(hào)的頻率范圍也集中于19．78Hz，幅值為0．48mV。

圖3 振動(dòng)傳感器1號(hào)與2號(hào)處理結(jié)果圖

加載條件不變，海洋平臺(tái)模型處于損傷狀態(tài)時(shí)，經(jīng)濾波后分析各傳感器數(shù)據(jù)，從而得出這5個(gè)位置的細(xì)化FFT幅值。分析結(jié)果為平臺(tái)第一層與第二層所得信號(hào)的頻率范圍集中于19．29Hz，幅值分別約為0．71 mV與0．57mV。對(duì)比同為第三層的3號(hào)與5號(hào)，其頻率范圍同樣集中于19．29Hz，幅值均約為0．44 mV。觀察布置于平臺(tái)模型第四層的5號(hào)傳感器可知，該層所測(cè)信號(hào)的頻率范圍也集中于19．29Hz，幅值約為0．36mV。完好與損傷狀態(tài)下不同位置的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)細(xì)化FFT處理后的幅值及變化率見表1。

表1 幅值對(duì)比表

分析表1數(shù)據(jù)可知，高度相同的兩傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)處理后的幅值基本相同，說明振動(dòng)傳感器所得數(shù)據(jù)與布置的高度有關(guān)，高度相等時(shí)，橫向改變位置不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置距損傷位置的垂直距離越遠(yuǎn)，幅值的變化率越小。

平臺(tái)模型第三層出現(xiàn)損傷，布置在該層3號(hào)與5號(hào)的變化率約40%，位于第二層2號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的25%，位于第一層1號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的40%，位于第四層4號(hào)與第三層的垂直高度約占整個(gè)平臺(tái)的30%，說明假如平臺(tái)高度為H，那么幅值變化率超過40%，損傷大致發(fā)生在測(cè)點(diǎn)高度相同的位置；變化率在30%～40%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為0～25%H之間的位置；變化率在25%～30%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為25%H～30%H之間的位置；變化率在20%～25%之間，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為30%H～40%H之間的位置；變化率小于20%，損傷發(fā)生在距測(cè)點(diǎn)垂直高度為40%H以外的位置。

3 聲發(fā)射定位法實(shí)驗(yàn)

聲發(fā)射信號(hào)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的傳播特性是進(jìn)行科學(xué)合理利用該技術(shù)進(jìn)行損傷定位以及確定傳感器布設(shè)方案的重要參考依據(jù)。在平臺(tái)模型樁腿、橫梁等位置進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，模擬聲發(fā)射源，記錄各傳感器所測(cè)得的能量計(jì)數(shù)，從而找出其中規(guī)律，確定聲發(fā)射定位法。

3．1 樁腿實(shí)驗(yàn)

在平臺(tái)4根支架（A、B、C、D）頂部分別布置一個(gè)傳感器，對(duì)應(yīng)記為a、b、c、d，如圖4所示。

在每根樁腿的第三層與第四層之間進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，采集4組聲發(fā)射信號(hào)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。通過觀察表2中數(shù)據(jù)，斷鉛位置所在桿件上的傳感器所測(cè)得能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)大于其他桿件。所以某樁腿出現(xiàn)損傷，其上的傳感器所測(cè)得的能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)高于同等高度下其他樁腿的傳感器。

對(duì)于4根樁腿，改變斷鉛位置，選擇在第一層與第二層之間分別斷鉛，其他條件不變，能量計(jì)數(shù)見表3。通過觀察表3中數(shù)據(jù)，盡管高度發(fā)生改變，斷鉛位置對(duì)用桿件上的傳感器所測(cè)能量計(jì)數(shù)仍遠(yuǎn)大于其他桿件，與前一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，驗(yàn)證結(jié)果的正確性。

圖4 聲發(fā)射傳感器布置示意圖

表2 每根樁腿第三、四層之間斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表3 每根樁腿第一、二層之間斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3．2 橫梁實(shí)驗(yàn)

選擇平臺(tái)模型的第三層橫梁處斷鉛，A、B之間橫梁記為AB3，同理其他3根分別記為 AC3、BC3、BD3。分別在4處進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)見表4。觀察表4中數(shù)據(jù)可知，AB3處斷鉛，a、b所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于c、d；AD3處斷鉛，a、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于b、c；CD3處斷鉛，c、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、b；BC3處斷鉛，b、c所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、d。可見斷鉛一側(cè)兩傳感器所測(cè)信號(hào)的能量計(jì)數(shù)基本相同，均遠(yuǎn)大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計(jì)數(shù)也大致相等。

改變斷鉛實(shí)驗(yàn)位置的高度，選擇平臺(tái)模型的第四層橫梁處斷鉛，橫梁標(biāo)記方法不變，分別在4處進(jìn)行斷鉛實(shí)驗(yàn)，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)見表5。觀察表5中數(shù)據(jù)可知，AB4處斷鉛，a、b所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于c、d；AD4處斷鉛，a、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于b、c；CD4處斷鉛，c、d所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、b；BC4處斷鉛，b、c所測(cè)信號(hào)能量計(jì)數(shù)大致相等并遠(yuǎn)高于a、d。兩組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相同：斷鉛一側(cè)兩傳感器所測(cè)信號(hào)的能量計(jì)數(shù)基本相同，均遠(yuǎn)大于另一側(cè)的兩傳感器，并且另一側(cè)兩傳感器能量計(jì)數(shù)也大致相等。

表4 第三層橫梁處斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表5 第三層橫梁處斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

3．3 其他位置實(shí)驗(yàn)

選擇平臺(tái)模型每層中間位置斷鉛，傳感器位置不變，對(duì)比所得的能量計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)見表6。對(duì)比每層4個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量計(jì)數(shù)，結(jié)果為能量計(jì)數(shù)大致相等。

表6 每層中間位置斷鉛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

在平臺(tái)4根樁腿頂端各布設(shè)一個(gè)聲發(fā)射傳感器，如果某處測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)遠(yuǎn)大于其他3處，表明該測(cè)點(diǎn)所在的樁腿出現(xiàn)損傷；如果某兩處測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)大致相等，且遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)數(shù)據(jù)大致相等的測(cè)點(diǎn)，表明這兩個(gè)點(diǎn)所在一側(cè)的某一層橫梁出現(xiàn)損傷；如果4個(gè)測(cè)點(diǎn)所得能量計(jì)數(shù)差別不明顯，說明某層中間位置，即非樁腿與橫梁部分出現(xiàn)損傷。

綜上分析可知，聲發(fā)射定位法可以在海洋平臺(tái)水平方向上定位損傷，與能夠進(jìn)行垂直方向定位的振動(dòng)定位技術(shù)結(jié)合起來可以對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體損傷定位。

4 基于信息融合的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

布置振動(dòng)傳感器于平臺(tái)模型甲板處，聲發(fā)射傳感器布置與圖4相同。針對(duì)海洋平臺(tái)完好與損傷兩種狀態(tài)，調(diào)整加載設(shè)備使其0°角加載，頻率定為30Hz。

第一步，記錄a、b、c、d 4個(gè)位置上各傳感器在平臺(tái)模型損傷后的能量計(jì)數(shù)，分別為401、392、280、267。可以判斷，損傷發(fā)生在a、b傳感器一側(cè)的橫梁上。

第二步，針對(duì)振動(dòng)傳感器X方向的加速度數(shù)據(jù)，采用巴特沃斯濾波器低通濾波方式對(duì)其進(jìn)行處理，所得數(shù)據(jù)經(jīng)細(xì)化FFT變換后結(jié)果見圖5。完好與損傷狀態(tài)經(jīng)處理后的幅值分別為6．62mV與5．20mV，變化率為21．5%，說明損傷發(fā)生在距傳感器垂直高度為30%H～40%H之間的位置，并接近40%H，即位于傳感器下方800mm附近，也就是位于第三層橫梁處，與實(shí)際情況相符。

圖5 完好與損傷狀態(tài)幅值對(duì)比圖

5 結(jié)論

為發(fā)現(xiàn)海洋平臺(tái)損傷位置，進(jìn)行了基于振動(dòng)與聲發(fā)射信息融合的損傷定位研究。結(jié)論如下：

1）針對(duì)海洋平臺(tái)模型完好與損傷狀態(tài)下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后采用細(xì)化FFT法進(jìn)行信號(hào)處理。對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行分析，分析幅值變化率與損傷位置之間量化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在海洋平臺(tái)的垂直方向上對(duì)損傷位置進(jìn)行損傷定位。

2）設(shè)計(jì)樁腿實(shí)驗(yàn)、橫梁實(shí)驗(yàn)及其他位置實(shí)驗(yàn)，針對(duì)海洋平臺(tái)模型完好與損傷狀態(tài)下的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析能量計(jì)數(shù)與損傷位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)在海洋平臺(tái)水平方向上對(duì)損傷進(jìn)行定位。

將聲發(fā)射與振動(dòng)技術(shù)進(jìn)行信息融合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體損傷定位。

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