導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷診斷方法探討

張金輝(天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司)

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷診斷方法探討

張金輝(天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司)

海洋石油平臺(tái)的導(dǎo)管架時(shí)常因?yàn)楸淮白矒簟⒑Ｑ蟾g而發(fā)生損傷，假如無法盡快有效的給予判斷及處理，會(huì)對此后的石油生產(chǎn)工作造成影響，本文對目前較為普遍的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)損傷診斷方法給予簡要分析與總結(jié)。

導(dǎo)管架；海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)；損傷診斷；診斷方法

海洋平臺(tái)作為海洋生產(chǎn)與生活的基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)的體積方面較大，造價(jià)較高，且長時(shí)間處在環(huán)境惡劣的海洋中，不但會(huì)被風(fēng)浪所侵襲，還會(huì)被海洋的環(huán)境乃至海生物所影響，甚至?xí)灰恍O端狀況所侵害，所以對于導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)問題而言具備了較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。對于海洋的開發(fā)而言，因?yàn)椴痪邆淞己玫募夹g(shù)保障，出現(xiàn)了諸多平臺(tái)損傷問題，不但要付出較大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對環(huán)境造成污染，對社會(huì)的發(fā)展極為不利。所以海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷愈發(fā)被重視，已經(jīng)變成海洋工程結(jié)構(gòu)探究的一個(gè)重要話題。

1 一處一種損傷的診斷方法

(1)主腿局部腐蝕的損傷識別 處在海水內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)因?yàn)楦黝愐蛩剌^易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，比如因?yàn)楹Ｋ畠?nèi)具有不同鹽類，屬于電解質(zhì)溶液，較易與金屬組成電池產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕金屬。雖然對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)而言，通常使用涂層或金屬保護(hù)等方法，可是在活潑金屬板或者涂層被破壞時(shí)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)則較易造成局部腐蝕損傷，并且當(dāng)貼近海底時(shí)，因?yàn)榱魃抽L時(shí)間被沖刷，較易出現(xiàn)導(dǎo)管底端腐蝕的狀況。導(dǎo)管架通常高幾十米至一百多米。深海區(qū)通常含氧量較低，位于淺海區(qū)的海水大多為氧飽和狀態(tài)，所以淺海導(dǎo)管架腐蝕速度超出深海導(dǎo)管架。除卻氧含量的問題，污染物、海洋生物、沉積物等均會(huì)令淺海導(dǎo)管架出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。在導(dǎo)管架四根主腿中設(shè)定局部腐蝕30%損傷，在ANSYS中通過主腿產(chǎn)生損傷單元的壁厚降低30%而模仿腐蝕損傷，主要是修改主腿單元壁厚的參數(shù)[1]。

(2)主腿局部彎曲的損傷識別 對于制造、運(yùn)輸以及安裝當(dāng)中的結(jié)構(gòu)碰撞，會(huì)令導(dǎo)管架主腿產(chǎn)生一些損傷，因?yàn)橹魍缺诤衽c外徑均較大，不宜被斷裂，卻較易造成彎曲類機(jī)械損傷，并且在導(dǎo)管架工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)重物掉落或船舶碰撞而出現(xiàn)的彎曲損傷。對導(dǎo)管架四根主腿水下端設(shè)定局部彎曲0.5m損傷，所有主腿單元長度是2m，對主腿在導(dǎo)管架高度方位22.6m以下的一切位置設(shè)定損傷且依照順序給予診斷。

(3)細(xì)桿件斷裂的損傷診斷 在細(xì)桿件腐蝕到相應(yīng)程度后會(huì)出現(xiàn)斷裂，并且細(xì)桿件被激烈撞擊后也會(huì)產(chǎn)生斷裂。通過鑒別細(xì)桿件不同單元損傷處，辨別結(jié)論完全正確。

(4)細(xì)桿件多單元彎曲損傷識別 導(dǎo)管架細(xì)桿被撞擊后會(huì)出現(xiàn)桿件不同長度及不同程度彎曲的狀況，當(dāng)僅具有單個(gè)損傷的狀況下，通過ANSYS優(yōu)化方式對模型給予修改，從而識別不同單個(gè)損傷，損傷點(diǎn)的識別正確率都超出了80%，執(zhí)行優(yōu)化后獲得的損傷程度與真實(shí)損傷狀況相差20%以內(nèi)的幾率超出了85%，體現(xiàn)出這一方式能夠較為正確的識別出單個(gè)損傷。并且，主腿彎曲和主腿腐蝕的識別正確率極為靠近，體現(xiàn)出兩種損傷的設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)相同時(shí)，損傷類別不會(huì)過于影響到識別的正確率。

2 兩處同種損傷的識別

大多導(dǎo)管架產(chǎn)生損傷時(shí)，不但屬于某個(gè)點(diǎn)的某個(gè)損傷，還是不同點(diǎn)或不同損傷，例如腐蝕損傷的產(chǎn)生極有可能為多處大范疇的損傷。在進(jìn)行模擬時(shí)，多處損傷能夠通過多個(gè)不同點(diǎn)單元的損傷給予取代，而大范疇的損傷可以當(dāng)作多個(gè)持續(xù)單元出現(xiàn)的損傷。兩處腐蝕損傷都具備的位置識別率與程度識別率均和兩個(gè)彎曲損傷一同具備的識別率相似，可是兩個(gè)斷裂損傷具備的狀況的點(diǎn)，識別率都超出前兩個(gè)狀況。這是由于斷裂損傷不具備描述損傷程度的設(shè)計(jì)變量，并且其個(gè)數(shù)的降低令損傷識別的正確率有所提升。

3 兩處不同種損傷的識別

導(dǎo)管架在真實(shí)的工況內(nèi)會(huì)同時(shí)具有多種損傷產(chǎn)生于不同點(diǎn)的狀況，例如導(dǎo)管架主腿的某個(gè)點(diǎn)出現(xiàn)腐蝕損傷，并且其他桿件產(chǎn)生彎曲或斷裂損傷。區(qū)分兩種同時(shí)具備的損傷與一種損傷則可以通過分辨兩種損傷時(shí)，設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)為辨別一種損傷的雙倍。設(shè)定了同時(shí)存在導(dǎo)管架主腿腐蝕與主腿彎曲、共同具備細(xì)桿件的斷裂與主腿腐蝕乃至一同存在主腿彎曲與細(xì)桿件斷裂等情況，通過測試可以發(fā)現(xiàn)，4000步識別率遠(yuǎn)低于20000步，體現(xiàn)出計(jì)算步數(shù)的增多提升了損傷識別的結(jié)論。識別位置差別超出一個(gè)單元以上的狀況大部分是把損傷點(diǎn)當(dāng)作導(dǎo)管架關(guān)于YOZ對于秤桿件中的相關(guān)點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著設(shè)計(jì)變量的加大，令優(yōu)化解的范圍自由度數(shù)加大，令靠近最優(yōu)化解的難度加大[2]。

4 導(dǎo)管架頂層測試點(diǎn)數(shù)據(jù)識別導(dǎo)管架水下方損傷試驗(yàn)方法

(1)所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)管架的模型、一個(gè)2.5m深的水坑或3000×2500×2500的水缸。

(2)實(shí)驗(yàn)的方法 首先，設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)導(dǎo)管架模型，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)施將水面以上敏感點(diǎn)的模態(tài)提出，并且在ANSYS軟件內(nèi)依照測試的導(dǎo)管架模型規(guī)模創(chuàng)建模擬試驗(yàn)導(dǎo)管架模型，將相關(guān)敏感節(jié)點(diǎn)的模態(tài)提取出來。其次，通過ANSYS內(nèi)提取的模擬導(dǎo)管架模型敏感節(jié)點(diǎn)模態(tài)與測試導(dǎo)管模型敏感節(jié)點(diǎn)模態(tài)建立目標(biāo)函數(shù)。再次，設(shè)定測試導(dǎo)管架模型損傷，通過測試獲得損傷后測試導(dǎo)管架模型水面中敏感節(jié)點(diǎn)的模態(tài)。最后，通過ANSYS的優(yōu)化能力自動(dòng)改變設(shè)計(jì)變量，令兩個(gè)模態(tài)相同，以此完成辨別導(dǎo)管架測試模型的損傷類別及損傷點(diǎn)。

5 結(jié)語

通過對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)損傷的相關(guān)問題進(jìn)行探討，分析通過有限元軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和損傷識別，探尋出較為經(jīng)濟(jì)且極為便利的損傷識別方式。通過這一方式可以完成在導(dǎo)管架損傷點(diǎn)處在海洋中時(shí)，判定損傷點(diǎn)和損傷的程度。并透過對導(dǎo)管架一處一種損傷乃至兩處損傷共同具備的情況給予識別，進(jìn)一步探討導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷的診斷。

[1]張若瑜，唐友剛，劉利琴.不同因素對于深海系伯系統(tǒng)動(dòng)張力的影響分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(44)：313-318.

[2]戴亞文.面向工程結(jié)構(gòu)的無線分布式監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2011：21-24.