顏昌德，陳祥余，周 雷，王巍巍，李記忠

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展， 現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)如大型海洋平臺、高層建筑、大跨度橋梁正在向著大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展。此類結(jié)構(gòu)在一定的環(huán)境條件下產(chǎn)生損傷，損傷累積可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，后果不堪設(shè)想[1-2]。目前，我國僅中國海洋石油公司就有近200座固定平臺，盡管固定平臺的設(shè)計壽命一般為20年，但由于油田生產(chǎn)的需要，絕大部分平臺在達(dá)到設(shè)計壽命后依然繼續(xù)服役。這就要求對目標(biāo)平臺進(jìn)行系統(tǒng)、充分和具體的健康檢測和損傷診斷，綜合評價平臺繼續(xù)服役的安全性和超期服役的可能性，因此對平臺的損傷診斷變得越來越重要[3]。

損傷診斷，特別是利用結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和系統(tǒng)動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷，近幾十年來成為國內(nèi)外研究的熱點。其基本思想是:結(jié)構(gòu)損傷時，認(rèn)為僅結(jié)構(gòu)的剛度降低，而忽略結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化，根據(jù)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù) （如模態(tài)頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等）改變量，確定損傷的位置與程度。由于固有頻率比較容易測量，而且可以達(dá)到很高的測量精度，在工程實際中可采用固有頻率檢測法判斷損傷的存在。目前，固有頻率檢測法正廣泛應(yīng)用于海洋平臺健康檢測和損傷診斷中。本文針對JZ20-2MUQ平臺，根據(jù)其設(shè)計資料和歷年的檢測數(shù)據(jù)以及定量檢測的結(jié)果，對其進(jìn)行初步的損傷評估。

JZ20-2MUQ為四腿導(dǎo)管架平臺，上部結(jié)構(gòu)有底層甲板、下層甲板、主甲板、頂甲板，質(zhì)量約1 400 t，所在海域年平均水深約15.5 m，平臺于1992年8月投產(chǎn)，生產(chǎn)年限20年，結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命20年。JZ20-2MUQ平臺固有頻率振動檢測的測點布置在導(dǎo)管架平臺下層甲板、主甲板與主樁腿連接的節(jié)點上，總計8個測點位置，如圖1所示。

圖1 傳感器布置方案

1 基于固有頻率的損傷檢測方法

基于固有頻率的變化進(jìn)行損傷識別有很多方法[4-6]。損傷使結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度減小，一般來說，結(jié)構(gòu)質(zhì)量變化較小，剛度變化較大，所以當(dāng)損傷出現(xiàn)后，結(jié)構(gòu)固有頻率降低，阻尼升高。因此，可以通過比較結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生前后固有頻率的變化來識別結(jié)構(gòu)損傷。由于頻率比較容易測量，而且可以達(dá)到很高的測量精度，在識別工程結(jié)構(gòu)的損傷時簡單易行。常用的檢測參數(shù)為頻率變化量與頻率之比以及任二階頻率變化量之比[7]。

頻率變化量與頻率之比為有損傷和無損傷時某一階頻率的差值與結(jié)構(gòu)無損傷時頻率的比值，即：

式中 ωk——有損傷時結(jié)構(gòu)的第k階頻率；

ωk0——無損傷時結(jié)構(gòu)的第k階頻率。

另一個頻率檢測參數(shù)為任二階頻率變化量之比，第i階與第j階固有頻率變化比定義為：

式中 ωi、ωj——損傷結(jié)構(gòu)的第i階和第j階固有頻率；

ωi0、ωj0——無損傷結(jié)構(gòu)的第i階和第j階固有頻率。

當(dāng)結(jié)構(gòu)物的固有頻率出現(xiàn)較大的變化或者發(fā)生突變時，認(rèn)為結(jié)構(gòu)物可能出現(xiàn)了較大的損傷，則需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的檢測。

2 JZ20-2MUQ平臺詳細(xì)設(shè)計的固有頻率分析及歷年檢測數(shù)據(jù)

2.1 JZ20-2MUQ平臺詳細(xì)設(shè)計的固有頻率分析

根據(jù) 《JZ20-2MUQ平臺詳細(xì)設(shè)計報告》，應(yīng)用專業(yè)軟件SACS對該平臺進(jìn)行建模，計算模型的前6階頻率，如表1所示；圖2（a）～（b）給出了代表性的水平向振動和扭轉(zhuǎn)振動的振型。

表1 設(shè)計模型的前6階頻率

2.2 1994年振動測試結(jié)果

受渤海石油采油公司的委托，渤海石油海洋結(jié)構(gòu)物檢測公司技術(shù)一室于1994年9月至10月用脈動法對JZ20-2MUQ平臺進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力特性測試。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析得到前3階頻率如表2所示，相應(yīng)的時域振動響應(yīng)及自功率譜如圖3所示。

2.3 2011年測試數(shù)據(jù)

圖2 設(shè)計模型的計算振型示意

表2 前3階測試頻率

2011年， “基于振動檢測的現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)研究”項目組對JZ20-2MUQ平臺進(jìn)行了測試。測試的加速度傳感器為Model 4803A-0002型三向加速度傳感器，振動信號采集儀為德國Imc集成測控有限公司的CRONOS PL16-DCB8數(shù)據(jù)采集儀。本次測試采用環(huán)境振動 （即冰激勵）作為振動源。截取不同時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)識別，測試數(shù)據(jù)如圖4所示，模態(tài)識別結(jié)果如表3所示。

表3 各段數(shù)據(jù)模態(tài)識別的前5階頻率

2.4 2012年測試結(jié)果

圖3 1994年平臺測點的位移時程曲線和位移自功率譜曲線

圖4 2011年冰激振加速度—時程測試曲線

“基于振動檢測的現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)研究”項目組于2012年再次對JZ20-2MUQ平臺進(jìn)行了測試。測試的儀器為項目組自主研制的便攜式平臺結(jié)構(gòu)振動檢測系統(tǒng)。本次測試采用環(huán)境振動 （即冰激勵）作為振動源，主要測試結(jié)構(gòu)特征點的振動響應(yīng)加速度，以對目標(biāo)平臺的動力響應(yīng)特性進(jìn)行描述。在如圖5（a）～（d）所示的實測冰激振動數(shù)據(jù)中，取四段比較明顯的冰激振動過程。分別對每段的X、Y向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。

圖5 2012年冰激振加速度—時程測試曲線

分析以上數(shù)據(jù)，得各階頻率如表4所示。

表4 各段數(shù)據(jù)模態(tài)識別的前5階頻率

2.5 歷年檢測數(shù)據(jù)對比

利用頻率變化量與頻率之比對歷年檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于詳細(xì)設(shè)計計算的模態(tài)數(shù)據(jù)和實際情況有一定的差距，僅作參考。1994年檢測數(shù)據(jù)的時間距離平臺建成使用的時間較短，可認(rèn)為是無損傷時結(jié)構(gòu)的頻率。2011年和2012年檢測數(shù)據(jù)的時間較接近，認(rèn)為其頻率的算術(shù)平均值為有損傷時結(jié)構(gòu)的頻率。歷年振動檢測數(shù)據(jù)如表5所示。

通過對JZ20-2MUQ平臺上部模塊進(jìn)行調(diào)研，查找其改造和維修記錄，發(fā)現(xiàn)其上部模塊的質(zhì)量變化較小。應(yīng)用固有頻率的損傷檢測方法，以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)，通過對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以得出如下結(jié)論：

表5 歷年振動檢測數(shù)據(jù)分析

（1）其頻率變化量與頻率之比的數(shù)值較小，幾乎沒有太大的變化，表明JZ20-2MUQ平臺的基頻相對穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)完整性沒有異常變化，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)整體安全的損傷。

（2）其頻率出現(xiàn)了逐年遞減的趨勢，說明結(jié)構(gòu)物的剛度出現(xiàn)了一定的減小。可能是由于疲勞、腐蝕或者材料的老化導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)物剛度發(fā)生了變化。

3 水下結(jié)構(gòu)定量檢測數(shù)據(jù)

2012年5月30日至6月12日， “基于振動檢測的現(xiàn)役海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評估技術(shù)研究”項目組對JZ20-2MUQ平臺進(jìn)行了水下結(jié)構(gòu)定量檢測。

3.1 導(dǎo)管架桿件I類檢測

潛水員下水按照既定路線對桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行I類觀察，全程對水下檢測過程進(jìn)行水下錄像。檢測任務(wù)完成后，將檢測的情況寫入第一手檢測報告。本次檢測完成了對JZ20-2MUQ平臺導(dǎo)管架水下大約70根桿件的I類檢查。所檢測水下桿件沒有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷，桿件外圍海生物覆蓋正常。

3.2 導(dǎo)管架桿件測厚及電位檢測

總共對8處桿件進(jìn)行了壁厚測量。桿件設(shè)計壁厚為25.4 mm，本次測量結(jié)果基本大于設(shè)計值。

還對8處桿件進(jìn)行了電位測量。按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范，平臺桿件的正常保護(hù)電位應(yīng)在-800 mV到-1 020 mV。本次8處桿件電位測量值基本分布在-970 mV至-1 030 mV，桿件電位顯示正常。

3.3 陽極II類檢測

潛水員按照檢測計劃，清理了9塊陽極表面的海生物。陽極以及連接架結(jié)構(gòu)完好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的破損和結(jié)構(gòu)損傷。陽極電位顯示正常。

3.4 海生物檢測

潛水員對導(dǎo)管架4根樁腿水下部分的海生物覆蓋情況進(jìn)行檢測，記錄了海生物的種類、覆蓋率和厚度。據(jù)業(yè)主介紹，JZ20-2MUQ平臺近期進(jìn)行了平臺水下結(jié)構(gòu)海生物清理，并進(jìn)行了五年特檢。因此，該導(dǎo)管架水下結(jié)構(gòu)海生物覆蓋較少。

3.5 節(jié)點焊縫ACFM檢測

潛水員按照檢測計劃，總共清理了6個節(jié)點焊縫海生物，海生物的清理范圍是以焊縫為中心兩邊各10 cm寬的區(qū)域帶。水上人員將ACFM檢測設(shè)備連接好，進(jìn)行水上試塊檢測之后，對節(jié)點焊縫進(jìn)行了ACFM檢測。焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。

3.6 定量檢測結(jié)果

通過定量檢測發(fā)現(xiàn)，JZ20-2MUQ平臺相關(guān)構(gòu)件沒有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

（1）以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)，應(yīng)用固有頻率的損傷檢測方法，分析歷年的振動檢測數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：因JZ20-2MUQ平臺的基頻相對穩(wěn)定，說明其結(jié)構(gòu)完整性沒有異常變化，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)整體安全的損傷。

（2）其頻率出現(xiàn)了逐年遞減的趨勢，說明結(jié)構(gòu)物剛度出現(xiàn)了一定的減小?？赡苁怯捎谄?、腐蝕或者材料的老化導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)物剛度發(fā)生變化，但其變化量非常小。

（3）通過定量檢測發(fā)現(xiàn)，JZ20-2MUQ平臺相關(guān)構(gòu)件沒有發(fā)現(xiàn)變形和明顯的機(jī)械損傷、凹陷、腐蝕和裂紋，平臺狀態(tài)良好。

（4）通過水下結(jié)構(gòu)定量檢測，驗證了損傷診斷和安全評估結(jié)果，對本文所應(yīng)用的基于固有頻率，以頻率變化量與頻率之比為參數(shù)的損傷診斷和安全評估方法進(jìn)行了初步的驗證，為現(xiàn)役海洋平臺的損傷診斷和安全評估技術(shù)的發(fā)展提供一定的借鑒作用。

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