聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺安全評估中的應(yīng)用

張錫斌 王 薇 李伯群

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 海洋采油廠，東營 257000）

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聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺安全評估中的應(yīng)用

張錫斌 王 薇 李伯群

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 海洋采油廠，東營 257000）

摘 要：海洋平臺造價極高，所處環(huán)境又極度惡劣，其安全評估是海上平臺日常管理工作中的重要部分。傳統(tǒng)無損檢測及評估方法不具有實時性，而聲發(fā)射技術(shù)的特點能夠很好地彌補傳統(tǒng)方法的不足，為海上平臺安全評估工作開辟新的方向。本文將結(jié)合實際進(jìn)行聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺安全評估中應(yīng)用的研究。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 海上平臺 安全評估

引言

隨著人類科技的進(jìn)步，石油以及石油制品在人類生活中扮演著不可或缺的角色。海上平臺作為海洋石油生產(chǎn)的重要設(shè)施與生活區(qū)域，其安全性對海上石油開采、運輸具有極其重要的意義。海洋平臺的生產(chǎn)運行環(huán)境存在多種不利因素，如風(fēng)浪、載荷、海水腐蝕、北方海域的海冰撞擊等。在如此環(huán)境下長期運行，平臺的結(jié)構(gòu)、設(shè)備等容易產(chǎn)生內(nèi)部、外部損傷。這不僅會影響平臺的安全性，也將影響平臺的使用壽命。海洋平臺一旦發(fā)生坍塌，將會造成大量人員傷亡以及財產(chǎn)損失。

安全生產(chǎn)不應(yīng)是以犧牲經(jīng)濟(jì)利益為基礎(chǔ)的。調(diào)節(jié)好安全與利益的平衡，是海上平臺安全評估的重點問題。聲發(fā)射檢測技術(shù)，作為一種被動的檢測手段，可以做到對平臺結(jié)構(gòu)、主要設(shè)備進(jìn)行在線檢測，不需停產(chǎn)，進(jìn)行實施監(jiān)測。

聲發(fā)射技術(shù)可以應(yīng)用在平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、海冰撞擊監(jiān)測、吊機監(jiān)測以及整體安全評估中，可使企業(yè)在有限的時間、資金范圍內(nèi)對危險實施最有針對性的措施，以保證安全的前提下最大限度地保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。

盡管用無損技術(shù)進(jìn)行定期檢查已經(jīng)被規(guī)定到生產(chǎn)程序中，但仍然不足以發(fā)現(xiàn)全部潛在的結(jié)構(gòu)缺陷及這些缺陷在生產(chǎn)過程中的發(fā)展趨勢。究其原因，在于定期檢查是被安排在一個特定的時間間隔內(nèi)。因此，有限的技術(shù)并不能檢測到活躍的缺陷和它們真正在生產(chǎn)過程中的發(fā)展。因此，需要用在線實時監(jiān)測尤其是聲發(fā)射監(jiān)測，保障生產(chǎn)和使用過程中的結(jié)構(gòu)完整性。

1 聲發(fā)射技術(shù)

1.1 聲發(fā)射檢測原理

聲發(fā)射（AE），即材料中某局域中聲發(fā)射源釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射檢測技術(shù)是一種被動檢測技術(shù)。它是通過“聽”被檢測對象所發(fā)出的聲發(fā)射信號，來判斷這些信號所載有的聲發(fā)射源的信息。在聲發(fā)射檢測過程中，由于內(nèi)部壓力、應(yīng)力等原因，被檢測材料誘發(fā)瞬態(tài)彈性波，并沿材料傳播到表面，再通過聲發(fā)射傳感器利用壓電效應(yīng)將材料表面的微位移轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)放大、傳輸后顯示和處理，再通過分析載有聲發(fā)射源特征信息的AE信號來解析缺陷部位的情況［1］。

基于以上原理，聲發(fā)射技術(shù)可以動態(tài)檢測出材料、結(jié)構(gòu)的微觀變形、裂紋開裂、腐蝕發(fā)展等情況。

1.2 聲發(fā)射技術(shù)特征

聲發(fā)射技術(shù)檢測應(yīng)用于海上平臺安全評估的主要優(yōu)點［2］：

（1）聲發(fā)射動態(tài)的檢驗方法。它檢測到的能量是由被測物體所發(fā)出，而非由無損檢測儀器提供。

（2）聲發(fā)射檢測對線性缺陷較為敏感。進(jìn)行海上平臺安全評估時，它可以有效提供缺陷信息。

①聲發(fā)射檢測方法對線性缺陷較為敏感，能探測到在外加結(jié)構(gòu)應(yīng)力下這些缺陷的活動情況。

②在一次檢測過程中，聲發(fā)射能夠?qū)φw結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，并且評價整個結(jié)構(gòu)中缺陷的狀態(tài)。

③聲發(fā)射檢測可提供被測材料中，缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息，有助于了解在當(dāng)前環(huán)境中設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，使海上平臺安全評估更加貼近設(shè)備所在環(huán)境。

（3）聲發(fā)射檢測對于被測物體的接近要求不高。進(jìn)行海上平臺安全評估時，它可用于難于或不能接近的環(huán)境下檢測。

（4）在進(jìn)行海上平臺安全評估時，聲發(fā)射技術(shù)對壓力容器、常壓容器等檢測方便有效。對于壓力容器的耐壓試驗，聲發(fā)射檢驗方法可以預(yù)防由未知不連續(xù)缺陷引起系統(tǒng)的災(zāi)難性失效和限定系統(tǒng)的最高工作壓力。

（5）被檢測對象的幾何形狀對聲發(fā)射檢測的影響不明顯。由于這種對構(gòu)件的幾何形狀的不敏感，故而在進(jìn)行海上平臺安全評估時，它適用于檢測形狀復(fù)雜的構(gòu)件。

（6）聲發(fā)射檢測對設(shè)備完整性不產(chǎn)生任何影響，不需拆卸，通過在被測設(shè)備材料表面布置高靈敏度的AE傳感器，判定內(nèi)部是否存在缺陷，檢測方便、結(jié)果直觀。在開車前進(jìn)行的海上平臺安全評估不可能將設(shè)備再次拆卸下來檢測，故而聲發(fā)射檢測技術(shù)在此時的優(yōu)勢顯得格外明顯。

2 聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺海冰撞擊安全評估監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 海冰撞擊安全評估監(jiān)測的意義

渤海海域隨著冬季冰期的到來，海面上會逐漸生成海冰，而浮冰受到風(fēng)浪、潮汐等作用，會對海上平臺形成周期性的沖擊，這就將給平臺結(jié)構(gòu)健康帶來安全隱患。海冰撞擊這類時常發(fā)生的持續(xù)性影響，將會在潛移默化中影響平臺結(jié)構(gòu)安全。為了獲取海冰撞擊帶來的影響，我們采用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行海冰撞擊的監(jiān)測與評估。

2.2 海冰撞擊安全評估監(jiān)測的目的

對于冰期海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測，主要從以下幾個方面循序進(jìn)行。

（1）監(jiān)測、記錄海洋流動浮冰對平臺結(jié)構(gòu)的撞擊強度、頻率，結(jié)合其他外參數(shù)，如風(fēng)向、風(fēng)速、機械運轉(zhuǎn)記錄等，綜合評估海冰撞擊對于平臺的影響。

（2）經(jīng)過一段時間的監(jiān)測分析，對發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱點加大監(jiān)測密度，更合理地布置傳感器位置，從而捕捉平臺結(jié)構(gòu)的裂紋發(fā)生及擴(kuò)展。

（3）將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向與縱向的對比。具體來說，就是進(jìn)行冰期與非冰期的數(shù)據(jù)對比，同時與海況水紋記錄、振動監(jiān)測等進(jìn)行對比，從而建立海冰撞擊信號的數(shù)據(jù)庫。

（4）研究聲發(fā)射信號參數(shù)與實際海冰撞擊之間的關(guān)系。

另外，英國和美國之間還有一些明面上的文化差異，比如“floor”一詞在雖然在書寫上沒有差異，但在兩國之間的發(fā)音和意思卻截然不同，在英國“the ground floor”為“一樓”的意思，“the first floor”為“二樓”；而在美國，“一樓”的表達(dá)為“the first floor”，“二樓”則表示“the second floor”與英國的表達(dá)正好差一層。這些基本的知識細(xì)節(jié)，在教學(xué)中筆者都曾告知學(xué)生注意。

（5）實踐在海洋平臺上開展遠(yuǎn)程全天候結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

2.3 海冰撞擊安全評估監(jiān)測的實施及發(fā)現(xiàn)

聲發(fā)射傳感器均勻布置于平臺的樁腿及立管上，且在平臺上設(shè)置氣象、位移、振動監(jiān)測設(shè)備。

圖1 海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測信號

圖1為冰期一段時間內(nèi)海冰撞擊聲發(fā)射監(jiān)測信號情況，得出以下初步結(jié)論。

（1）在非冰期，聲發(fā)射信號基本處于26dB以下，而海冰撞擊作用下信號幅度明顯高于26dB。所以，聲發(fā)射能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)映海冰撞擊對于平臺的影響，即通過聲發(fā)射監(jiān)測，可得到海冰撞擊的頻次與能量程度。

（2）在海洋的結(jié)冰期，海冰對于平臺的撞擊與潮汐存在比較緊密的聯(lián)系。在漲、落潮期間，海冰撞擊的相對作用越強；在穩(wěn)定期間，海冰撞擊作用相對作用較弱。

（3）聲發(fā)射信號往往受到噪聲的干擾，在平臺上常見的為機械、泊船、風(fēng)浪、下雨等。監(jiān)測過程中通過特征識別、數(shù)據(jù)過濾、輔助分析等手段，可以基本將影響控制在可接受范圍內(nèi)。

3 聲發(fā)射技術(shù)在海洋平臺裂紋安全評估中的應(yīng)用

3.1 平臺裂紋安全評估意義

在一些高應(yīng)力點的近海平臺結(jié)構(gòu)中，如樁靴，缺陷的尺寸太小很難通過常規(guī)的設(shè)備與定期檢測來有效觀察缺陷及其發(fā)展過程。為了保證使用的安全，對缺陷萌生的監(jiān)測被視為安全情況保障的最關(guān)鍵部分。許多時候，當(dāng)停工檢查期間，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)部件可能在特殊部位已經(jīng)產(chǎn)生裂紋。而這些裂紋產(chǎn)生的原因卻無法解釋。實時在線監(jiān)測能夠用來確定當(dāng)斷裂發(fā)生時的情況，從而確定斷裂發(fā)生的原因。

3.2 平臺裂紋監(jiān)測實施

聲發(fā)射是一項全局性的監(jiān)測技術(shù)。例如，傳感器可以布置在想要監(jiān)測的區(qū)域，并探測到離傳感器一定距離的缺陷。理論上，想要監(jiān)測的區(qū)域放置的傳感器越多越好。盡管如此，實際使用中，考慮到成本問題，要在滿足衰減和需要的情況下用最少的傳感器覆蓋到最大的范圍。考慮到無齒條板的結(jié)構(gòu)，只有很少的布局方式可以考慮。

圖2 裂紋定位圖

圖2為裂紋定位圖。可以明顯看出，在6、7、8號傳感器之間形成的陣列中存在明顯的定位點。經(jīng)過信號處理與波形分析后，確定為結(jié)構(gòu)缺陷信號［3］。經(jīng)超聲檢測的結(jié)果對比，在實際的檢測區(qū)域位置上確實存在此裂紋，并且經(jīng)過長時間監(jiān)測后，可以觀測出裂紋是否存在發(fā)展的趨勢。

4 海上平臺吊機監(jiān)測

吊機作為海上平臺重要的作業(yè)動設(shè)備，其安全性尤為重要。結(jié)合國外聲發(fā)射在動設(shè)備監(jiān)測、評估方面的優(yōu)秀成果，對吊機基座進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測，有助于我們了解吊機在進(jìn)行作業(yè)過程中缺陷的發(fā)生和發(fā)展［4］。

由圖3可以看出，經(jīng)過一定時間的監(jiān)測后，吊機基座部門出現(xiàn)部分聲發(fā)射信號。經(jīng)過信號分析，并結(jié)合作業(yè)工況以及信號特征，可以初步分析出：定位圖中，信號并沒有呈現(xiàn)聚類的情況，所以判定并沒有新生裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，也并沒有舊的缺陷發(fā)展生長的情況。結(jié)合天氣及作業(yè)情況報告，確定信號來源主要為作業(yè)噪聲及天氣影響。

圖3 信號定位圖

5 聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺容器安全評估中的應(yīng)用

對于海上平臺的容器類設(shè)備，聲發(fā)射技術(shù)最大的優(yōu)勢就是可以進(jìn)行不開罐、不停產(chǎn)的在線檢測安全評估，可以為我們的安全工作節(jié)約大量的時間和資金資源。

目前，海上平臺已經(jīng)成功運用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行壓力容器、常壓方罐、沉箱等的檢測、安全評估工作，并取得了寶貴的工作成果。

罐體聲發(fā)射監(jiān)測，是通過安裝在罐體上的聲發(fā)射傳感器陣列，來探測罐體母材和焊縫的表面與內(nèi)部缺陷開裂及擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射源。

對罐體進(jìn)行的聲發(fā)射監(jiān)測能探測到加壓過程中由應(yīng)力增加導(dǎo)致的缺陷開裂部位。這些部位包括壁板、罐壁與墊板和接管相連接的角焊縫、罐壁與加強板相連接的環(huán)焊縫等。這種部位可能出現(xiàn)潛在的聲發(fā)射源［5］。

6 結(jié)論

聲發(fā)射技術(shù)于近些年快速發(fā)展。相較于海洋石油，它在陸地的應(yīng)用更加廣泛。聲發(fā)射技術(shù)的整體監(jiān)測、被動檢測等特性是其他無損檢測手段所不具備的，而這些特性也決定了其在海洋石油特別是海上平臺安全評估中應(yīng)用的可能性與重要意義。

本文通過理論研究并結(jié)合相關(guān)的實際工程應(yīng)用案例，分析聲發(fā)射技術(shù)在海上平臺安全評估中的應(yīng)用。從各項應(yīng)用情況來講，聲發(fā)射技術(shù)可以為我們在海上平臺的安全評估、安全管理工作提供高效的幫助。但在應(yīng)用過程中也伴隨著一些需要在今后進(jìn)一步解決和發(fā)展的問題：（1）對于噪聲干擾，應(yīng)從信號分析、現(xiàn)場排除等角度進(jìn)一步研究海上平臺聲發(fā)射信號處理技術(shù)。（2）建立聲發(fā)射結(jié)合其他相關(guān)技術(shù)的全天候?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)。

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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