无线振动检测与结构损伤诊断在海洋平台的工程应用

官耀华， 周 雷， 仲 华， 王巍巍， 王树青

(1．中海石油(中国)有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中国海洋大学工程学院， 山东 青岛 266100)



无线振动检测与结构损伤诊断在海洋平台的工程应用

官耀华1， 周 雷2， 仲 华1， 王巍巍2， 王树青3

(1．中海石油(中国)有限公司上海分公司， 上海 201648； 2. 海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452；3. 中国海洋大学工程学院， 山东 青岛 266100)

首次将结构无线振动检测及结构损伤诊断的最新研究成果应用于东海平湖DPP平台的结构完整性管理工程实践中。基于振动检测的实测数据，通过结构模态识别、模型修正等技术实现了平台结构完整性状态的快速判断。此工程示范案例说明了该方法工程应用的可行性和可靠性，对实现在役海洋平台结构的快速安全巡检有重要的工程意义。该方法是一种对常规无损检测和评估方法的有益补充,在平台结构延寿及优化水下无损检测方案方面具有很大的推广应用价值和前景。

振动检测；模态参数识别；损伤诊断；结构完整性管理

0 引言

海洋平台是海上油气资源开发的基础性设施，其结构的安全性至关重要。海洋平台结构服役期间，长期受风、浪、流及腐蚀等恶劣海洋环境的作用，抗力将发生衰减。目前的常规做法是按照《海上固定平台安全规则》的规定，对平台结构执行年度检测、定期检测和临时检测。

这类检测通常是使用无损检测的方法，主要包括：目视检测、超声检测、磁粉探伤、透水杆件检测(FMD)、交流电磁场检测法(ACFM)等。这类检测方法应用于水下时往往受到检测人员经验与水平的影响导致精确度不高。一旦水深超过50 m还需用饱和潜水资源，费用高昂。此外在实践过程中受各种因素制约，常规检测一般只能做到抽检，难以全面反映结构的整体安全健康状况。

相对于传统检测来说，结构动力检测和监测技术不仅提高了经济性和安全性，而且消除了各种制约因素造成的局限性，因此是对传统检测的完善和补充，未来将会是海洋平台结构检测不可或缺的重要手段。该技术的研究始于20世纪70年代末，近年来随着无线传感技术的发展，在大型结构动力检测实践中开始逐步采用无线通讯传输技术和相配套的模态参数识别技术[1-3]、模型修正技术[4]及损伤识别技术[5，6]。基于此技术发展而来的便携式振动检测具有方法简单、操作成本低等特点。工业界也引入了相关技术标准[7]，为相关技术的工程实践奠定了基础。

1 无线振动检测及其配套技术

无线振动信号采集的仪器为便携式海洋平台结构振动检测仪。该无线振动信号采集仪采用分布式网络化的无线传感器布置，比常规有线振动测量节省了大量的布缆工作和辅助设备，可以实现对多点振型的实时、同步、高精度采集。采用的传感器是一种微机电系统(MEMS)固态加速度型传感器，它具有体积小、重量轻、低功耗、高灵敏度、低噪声、宽频带、性价比高等优点。尤其是该传感器对超低频的振动信号非常灵敏，静态噪声带内有效值约为0.1 mg～0.2 mg，满足大尺度导管架平台超低频段振动振型的测量要求。

利用振动检测仪采集到的实测数据还需要经过滤波去噪、去均值、去趋势项等预处理步骤，然后进行时域分析和频域分析，得到加速度时间历程图(时域图)和频谱图(PSD图)。通过分析可以实现检验数据预处理效果，为模态参数识别做准备。该文采用的具体的识别方法是“基于模型定阶和信号消噪的特征系统实现算法(ERA)”[2]，其基本原理为利用环境荷载作用下的结构振动响应数据，采用自然激励技术获取其脉冲响应，然后通过hankel矩阵秩估计法来合理确定识别模型的阶次，并进行信号消噪处理，最后进行模态参数识别。通过模型定阶和信号消噪，极大地提高了模态参数识别的精度和准确性，消除了虚假模态对模型修正和损伤识别的影响，提高了海洋平台振动测量技术的实用性。在得到实测的平台结构模态特征参数后，可以通过修正平台模型的质量和刚度，如海生物厚度、上部质量、边界条件等来修正原始的结构有限元模型，通过修正使其计算结果与实测识别出模态趋于一致，该方法利用结构实测的振动信息修正结构的有限元，弥补了建立模型过程中产生的误差和不确定性，使修正后的模型更好地反映实际结构的动力特性。

2 无线振动检测应用

2.1 无线传感器实测布置

结构振动测量应用工程为东海平湖DPP平台。首次振动测量依据布点原则，并根据现场情况共布设20个无线振动传感器，分别是带缆走道层6个，工作甲板7个，下层甲板4个，上层甲板2个以及直升机甲板1个，每个传感器可测量三个方向的加速度，具体布置如图1所示。

由于测点较多，为方便数据对比和处理分析。将数据分为四组进行分析(如图2所示)，分别为：

(1)第一组包括各层东南角点，共五个，从上到下组成一“串”，此选择方式是常规选点方式，更利于水平方向振型显示。

(2)第二组包括位于带缆走道层的六个点。

(3)第三组包括位于工作甲板的七个点。

(4)第四组包括位于下层甲板的四个点。

图1 无线传感器布设图

图2 传感器数据处理分组图

2.2 典型测量数据时域和频域分析

首次现场测试共采集有效数据2 730段。该文根据现场环境条件选取10个时间点的180段典型数据进行分析。测量期间平台现场海况条件为：瞬时风速为4 m/s ～10 m/s，表层流速10 cm/s ～50 cm/s，有效波高为0.77 m～1.29 m。

综合考虑，选择现场海况最恶劣的测量时间点进行处理分析。现场获取数据经过滤波、去均值、去趋势项等预处理，然后再进行时域、频域分析，得到时域图、PSD图。图3为时域图，分别给出了第1组、第2组测量点的测量数据，时域图中横坐标表示时间/s，纵坐标表示加速度/(m/s2)。图4为测点的PSD图，其横坐标表示频率/Hz，纵坐标表示功率谱密度/(m2/s3)，其中通道标号、方向等信息见表1、表2。

表1 第一组测点基本信息

表2 第二组测点基本信息

图3 典型恶劣海况下两组测点时域图

图4 典型恶劣海况下两组测点PSD图

从图3和图4可以看出，该段加速度明显比其他时段大，此次测量的最大加速度出现在此段，为3.17 gal。对初步处理的加速度信号进行频域分析得到加速度谱图。采用改进的快速傅里叶变换(FFT)进行频域分析，得出两个明显特征频率，分别是一阶频率0.412 Hz和二阶频率0.549 Hz，分别代表平台结构在南北方向及东西方向上的平动固有频率，为下一步ERA识别方法提供对比依据。

3 模态参数识别与模型修正

3.1 模态参数识别

综合比较测量数据，选取现场实测中激励最大，信号稳定的数据段，采用ERA法开展时域分析，识别结果见表3。

表3 基于第一次实测的ERA模态识别结果

由表3可以看出，MAC、MPC、CMI为衡量模态参数识别质量的三个指标参数，越接近阶次1，表明识别越接近实际值。表中MAC(Modal Assurance Criteria)为模态幅值相干系数，表示两个向量夹角的余弦，在此处用来表示理论振型和识别振型的符合程度；MPC(Mode Phase Collinearity)为模态相位共线性，对小阻尼系统，MPC用来表示模态空间一致性，用来计算模态振型系数的实、虚部之间的函数线性关系；CMI(Consistent Mode Indicator)为一致模态指标，表示空间和时间信息要同时保持一致[8，9]。

从多段数据的识别结果来看，可以识别得到稳定的前三阶模态参数包括频率、阻尼比及振型，且前二阶固有频率与采用频域方法得到的结果相近。图5是识别关键节点的前三阶振型，由图5可以看出，第1阶振型为南北方向的平动振型，第2阶为东西方向上的平动振型，第3阶为平台三阶扭转振动。

图5 识别得到的平台前三阶振型

第二次现场测量和第一次测量时隔三个月左右。期间连续经历两次台风，中心风力分别为10级和11级。第二次测量传感器的布置方案和测点分组和第一次测量基本一致，测量期间海况条件明显恶劣，瞬时风速为8 m/s ～18 m/s，表层流速9 cm/s ～51 cm/s，有效波高为0.94 m ～2.9 m。

综合比较测量数据，选取激励最大、信号稳定的数据段，采用基于模型定阶和信号消噪的特征系统实现法(ERA方法)进行识别，识别结果见表4。

表4 基于第二次实测的ERA模态识别结果

3.2 基于振动检测的模型修正

平湖DPP平台以往采用的评估模型是在详细设计模型基础上考虑了平台服役期间的历次改造和历年的无损检测结果。由于设计的保守性和无损检测的一些缺陷造成原先的评估模型和实际平台现状有一定的差距，可靠性较低，该文依据2011年评估模型并基于实测模态信息进行模型修正。结合两次实测，在2011年模型基础上对模型质量和P-y曲线(刚度)进行修正，以实测模态参数为依据，通过参数的调整使得所修正模型和实际模态的振型相关性达到0.98以上，可认为修正模型已与实际平台动力特性基本一致。表5列出详细设计、2011年评估模型及该文两次实测的频率。由表5可以看出，详细设计和2011年版模型的各阶频率均小于实测值。这主要是设计考虑的平台质量比实际偏大，因而造成计算频率偏小。

对两次实测数据进行对比发现，前三阶的固有频率变化均在2.5%以内，也说明两次实测之间平台结构整体未出现明显变化。

表5 模型修正前后平台结构固有频率比较

4 结论

(1) 首次将无线结构振动检测技术应用于国内工程实践中，实现了大型复杂导管架平台结构的三维、高精度、同步测量。与常规有线测量技术相比，该方法避免了大规模布置电缆、辅助设备应用及系统集成调试的工作，缩短了工期，可用于异常情况或极端海况之后的快速巡检和整体评估。

(2) 首次将基于模型定阶与信号消噪的模态参数识别技术进行了工程应用。该技术通过hankel矩阵秩估计法来合理确定识别模型的阶次，并进行信号消噪处理，最后进行模态参数识别。通过模型定阶和信号消噪，极大提高了模态参数识别的精度和准确性，消除了虚假模态对模型修正和损伤识别的影响，提高了海洋平台振动测量技术的实用性。

(3) 基于振动实测模态识别结果对平台估模型进行了修正，使得修正后的有限元模型的动力特性与实测结果吻合较好，为后续该平台结构的安全评估和完整性管理提供了基础。

鉴于该文方法的可行性，可在新建平台运营初期开展无线振动检测，建立结构完整性管理的动力基准模型，为后期运维提供参考。此方法可作为常规无损检测的有益补充，纳入到平台结构完整性管理计划中。通过基于振动检测的损伤识别判断水下结构是否异常，可辅助制定和优化水下NDT检测，节省资源和费用，对于通过结构预评估制定检测计划的方案提供了一种补充手段。通过修正后的模型比理论模型更客观，可在修正模型的基础上根据常规无损检测的结果进行结构安全评估。利用修正的评估模型，还可以在平台升级改造评估、延寿评估中提供更有参考价值的结论，同时，对年检和特检计划的制定以及清除海生物作业具有重要的指导作用。

[1] 王树青, 林裕裕, 孟元栋，等. 一种基于奇异值分解技术的模型定阶方法[J].振动与冲击，2012，31(15):87-91.

[2] 李萍，王树青，李华军.特征系统实现算法识别中的噪声问题研究[J].中国海洋大学学报，2011，41(7)，176-182.

[3] LI H J, LI P, HU S J. Modal parameter estimation for jacket-type platforms using noisy free-vibration data: Sea test study[J]. Applied Ocean Research, 2012,37:45- 53.

[4] WANG S Q, LI Y C, LI H J. Structural model updating of an offshore platform using the cross model cross mode method: An experimental study[J].Ocean Engineering, 2015,97:57-64.

[5] WANG S Q, LIU F S, ZHANG M. Modal Strain Energy Based Structural Damage Localization for Offshore Platform using Simulated and Measured Data[J]. Journal of Ocean University of China (Oceanic and Coastal Sea Research), 2014,13 (3): 397-406.

[6] LI H J, WANG J, HU S J. Using incomplete modal data for damage detection in offshore jacket structures[J]. Ocean Engineering, 2008, 35 (17): 1793-1799.

[7] 中国船级社.海上固定平台振动检测与结构安全评估指南[M].2014.

[8] JUANG J N,PAPPA R S. An Eigensystem Realization Algorithm for Modal Parameter Identification and Model Reduction[J]. Guidance，Control and Dynamics，1985，8(5):620-627.

[9] PAPPA R S,ELLIOTT K B,SEHENK A. Consistent-mode indicator for the Eigensystem Realization Algorithm[J].Journal of Guidance Control and Dynamics,1993,16(5):852-858.

An Application of Wireless Vibration Test and Structural Damage Detection to Offshore Platform

GUAN Yao-hua1, ZHOU Lei2, ZHONG Hua1, WANG Wei-wei2, WANG Shu-qing3

(1. CNOOC (China) Co., Ltd， Shanghai Branch, Shanghai 201648， China; 2. Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300452, China; 3. College of Engineering, Ocean University of China, Shandong Qingdao 266100, China)

This paper presents the first engineering application of wireless vibration test and structural damage detection to the structural integrity management (SIM) engineering practice of a platform in East China Sea. Base on the measured data of vibration test, the structural modal detection and structural modal updating have been utilized to achieve a fast structural safety prediction for offshore fixed platform. The engineering case showed in this paper demonstrates the feasibility and reliability of the presented method. It creates a sort of possibility of using wireless vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structure. The presented method can be regarded as a useful supplement to the traditional NDT method and it has brilliant application future in structure life-extension and NDT scheme optimization.

vibration test; modal parameter identification； damage detection; structural integrity management

2016-04-25

国家自然基金项目(51379196)。

官耀华(1958-)，男，高级工程师。

1001-4500(2016)05-0027-07

P75

A