老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法

摘要

本发明提出一种老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法，该方法一方面能够克服传统损伤评估指标以有限元模型刚度矩阵代替真实结构刚度矩阵的缺点，另一方面能够有效排除海洋平台首次测试前累积损伤对后期损伤的影响，借助海洋平台相邻两次的振动测试数据，实现对两次动力测试期间平台损伤情况的清晰判断，进而解决了现有海洋平台缺少实测资料但又必须借助现有测试数据评估海洋平台的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法。 

背景技术

海洋石油开发，是一项涉及多种学科和工艺部门的综合工程。海洋平台，作为钻井、采油、生活供应等各种用途的大型复杂结构，其技术发展将直接影响海洋石油开发的进程。海洋平台结构形式复杂、造价昂贵，与陆地结构相比，服役环境更加恶劣。海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中，受到各种载荷的交互作用，如风载荷、海流、波浪载荷、冰载荷等，有时还要遭到地震、台风、海啸、船碰撞等意外打击，结构本身还要遭受环境腐蚀、海洋生物附着、海底冲刷等影响。在这些恶劣的环境载荷长期作用下，再加上设计或使用不当，结构容易产生各种形式的损伤，使结构的承载能力下降，严重的还会导致平台失效。一旦发生事故，不仅会对海洋环境造成很大的污染，还会带来不可估量的经济损失和人员伤亡，造成不良的社会政治影响。在国内外海洋开发过程中，曾发生过多起灾难性海洋平台事故。例如，1965年英国北海“Diamond”号钻井平台支柱拉杆脆性断裂导致平台沉没；1967年Sedcol35型半潜式三角型平台在进行采油作业时，其尾部的水平撑杆破坏；2001年世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西P－36号平台沉入大西洋底，该平台耗资3.56亿美元，仅事故造成的油井停产就使巴西每天损失300多万美元，该平台的沉没给巴西造成了巨大的经济损失和环境污染问题。 

全世界6500多座油气生产设施中，940多座分布在亚洲。我国仅中海油就有近200座固定平台，中石化胜利油田也拥有100余座平台。据海洋石油工程股份有限公司统计，中海油服役10年以上的平台创造了我国海洋石油约70%的海上油当量的产值，其中服役5年以内的平台数量占28%，5～10年的平台占26%，10～20年的平台占29%，20年以上的占17%，进入服役寿命中后期的 平台占46%。而对进入服役中后期的平台实施有效的安全检测及评估是确保其安全运行的重要手段。目前，海洋平台结构检测主要采用常规的局部检测方法，如涡流、磁粉、透入、X射线和超声等。虽然这些技术比较成熟，应用也比较直观，但用于海洋平台却有一定的局限性，如需要结构的损伤区域是已知作为先决条件，并要求配备特殊测试设备和专业人员，检测成本比较昂贵等。而结构整体动力检测方法，因其能够全面反映结构健康状况，识别结构是否存在损伤，并检测出损伤位置和损伤程度，已逐渐显示出其优势。 

然而，对于进入服役中后期的老龄平台，以海洋平台结构损伤检测为目的的有效振动数据少之又少，而在海洋平台服役数年后进行的首次平台测试，又会因有限元模型的精度问题影响到对首次测试前平台结构已累积损伤的评价，这种现状成为对老龄导管架式海洋平台进行有效评估的瓶颈，通过对老龄平台进行周期性的动力检测并合理评估测试期间结构是否出现损伤，成为目前确保目前国内100余座老龄平台安全服役的可行策略。 

发明内容

本发明提出一种老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法，该方法一方面能够克服传统损伤评估指标以有限元模型刚度矩阵代替真实结构刚度矩阵的缺点，另一方面能够有效排除海洋平台首次测试前累积损伤对后期损伤的影响，实现对两次动力测试期间平台损伤情况的清晰判断，进而解决了现有海洋平台缺少实测资料但又必须借助现有测试数据评估海洋平台的问题。本发明技术方案如下： 

一种老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法，包括如下步骤： 

A、获得有限元模型建立及模态应变能； 

A1、建立老龄平台的有限元模型作为基准模型，并将其质量矩阵M、刚度矩阵K存储入专用存储器中； 

A2、计算有限元模型的模态应变能 

MSE_ni＝(Φ_i)^tK_nΦ_i; 

其中Φ_i为基准模型的第i阶模态振型。 

B、获得老龄平台首次测试及模态应变能； 

B1、确定所需传感器的安装数量及位置，以选定采样频率开展海洋平台首次振动响应测试，其振动响应记为Y，并存储入专用存储器中； 

B2、计算实测平台首次测试时的模态应变能； 

C、获得老龄平台二次测试及模态应变能； 

D、老龄平台损伤评估指标构造； 

E、有限数量传感器条件下的老龄平台损伤评估。 

进一步地，所述步骤C包括： 

C1、在保证安装数量、位置、采样频率与首次测试一致条件下开展海洋平台二次振动响应测试，其振动响应记为Y_pf，并存储入专用存储器中； 

C2、获得老龄平台二次测试时的模态参数，并计算该状态对应的模态应变能。 

进一步地，所述步骤D包括： 

D1、获得基准模型及不同测试状态时多阶模态应变能; 

D2、获得首次测试时模态应变能变化量; 

D3、获得二次测试时模态应变能变化量; 

D4、构造老龄平台损伤评估指标; 

D5、求解评估指标。 

进一步地，所述步骤B2包括： 

B21、建立老龄平台首次测试时刚度与基准模型的关系 

K′_n＝K_n+α_nK_n

其中K_n为第n个单元刚度矩阵在整体坐标系下的形式，为对应于K_n的修正系数。 

B22、获得老龄平台首次测试时的模态参数，并计算该状态对应的模态应变能。 

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下： 

1、传统计算模态应变能MSE_nj′时，往往因为K_n′未知而假定K_n′≈K_n，其 中K_n′为真实结构的刚度矩阵。当有限元模型与实际结构建模误差较大时，传统做法将导致模态应变能MSE_nj′较大误差。本发明不仅可以克服传统方法的假定条件，同时可以修正参数α的形式考虑有限元的建模误差。 

2、现有绝大部分损伤检测方法依赖于有限元模型作为基准模型，前提是假定有限元模型与第一次测试时实际平台的真实损伤情况完全一致。然而，对于国内绝大多数海洋平台而言，以结构损伤检测为目的的且传感器布置原则一致条件下的海洋平台结构振动检测资料几乎为空白。本发明一方面能够大大降低海洋平台结构在初始测试前未知已有损伤对后期平台测试损伤检测结果的影响，另一方面能够合理评估出两次平台测试之间海洋平台结构的损伤变化情况。从而更好的适应目前海洋平台缺少测试数据的现状，这一点对于目前国内老龄平台的安全评估、延寿策略的选取尤为重要。 

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本发明实施例海洋平台有限元模型示意图； 

图2是本发明实施例实测模态空间完备时老龄平台阶段性评估图； 

图3是本发明实施例实测模态空间不完备时老龄平台阶段性评估。 

具体实施方式

本发明提出一种老龄海洋平台阶段性结构损伤评估方法，该方法能够有效排除海洋平台首次测试前累积损伤对后期损伤的影响，实现对两次动力测试期间平台损伤情况的清晰判断，进而解决了现有海洋平台缺少实测资料但又必须借助现有测试数据评估海洋平台的问题。 

本发明主要包括以下四个步骤予以实现： 

1）获得有限元模型建立及模态应变能，即步骤a)-b)； 

2）获得老龄平台首次测试及模态应变能，即步骤c）-d)； 

3）获得老龄平台二次测试及模态应变能，即步骤e)； 

4）老龄平台损伤评估指标构造，即步骤f)； 

5）有限数量传感器条件下的老龄平台损伤评估，即步骤g)； 

具体如下： 

a）在海洋结构环境条件、结构特点调研的基础上，建立老龄平台的有限元模型作为基准模型，并将其质量矩阵M、刚度矩阵K存储入专用存储器中； 

b）计算有限元模型的模态应变能 

MSE_ni＝(Φ_i)^tK_nΦ_i

其中Φ_i为基准模型的第i阶模态振型。 

c）确定所需传感器的安装数量及位置，以选定采样频率开展海洋平台首次振动响应测试，其振动响应记为Y，并存储入专用存储器中； 

d）计算实测平台首次测试时的模态应变能 

①建立老龄平台首次测试时刚度与基准模型的关系 

K_n′＝K_n+α_nK_n

其中K_n为第n个单元刚度矩阵在整体坐标系下的形式，为对应于K_n的修正系数。 

②获得老龄平台首次测试时的模态参数，并计算该状态对应的模态应变能 

MSE_nj′＝(Φ_j′)^tK_n′Φ_j′ 

其中Φ_j′为真实结构的第j阶模态振型。 

③将步骤①带入② 

MSE_nj,rf′＝(Φ_j,rf′)^t(K_n+α_n,rfK_n)Φ_j,rf′ 

其中Φ_j,rf′为真实结构的在首次测试时获得的第j阶模态振型。 

传统计算模态应变能MSE_nj′时，往往因为K_n′未知而假定K_n′≈K_n，其中K_n′为真实结构的刚度矩阵。当有限元模型与实际结构建模误差较大时，传统做法将导致模态应变能MSE_nj′较大误差。本发明不仅可以克服传统方法的假定条件，同时可以修正参数α的形式考虑有限元的建模误差。 

e）计算实测平台二次测试时的模态应变能 

①在保证安装数量、位置、采样频率与首次测试一致条件下开展海洋平台二次振动响应测试，其振动响应记为Y_pf，并存储入专用存储器中； 

②获得老龄平台二次测试时的模态参数Φ_j,rp′，并计算该状态对应的模态应变能 

MSE_nj,rp′＝(Φ_j,rp′)^t(K_n+α_n,rpK_n)Φ_j,rp′ 

本步骤的优势在于，本发明能够适应目前老龄海洋平台有效振动数据少之又少的现状，并以此为基础，开展海洋平台的后续连续测试工作，进而实现两次测试期间老龄平台结构损伤变化程度评估。 

f）老龄平台损伤评估指标构造 

①计算基准模型及不同测试状态时多阶模态应变能 

${\mathrm{MSE}}_n=\frac{1}{\mathrm{Ni}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Ni}}{\Sigma }}{\mathrm{MSE}}_{\mathrm{ni}}=\frac{1}{\mathrm{Ni}}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{Ni}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_i\right)}^t{K}_n{\Phi }_i$

${\mathrm{MSE}}_{n,\mathrm{rf}}^{\prime }=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\mathrm{MSE}}_{\mathrm{nj},\mathrm{rf}}^{\prime }=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}^t(K_n+{\alpha }_{n,\mathrm{rf}}{K}_n){\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }$

${\mathrm{MSE}}_{n,\mathrm{rp}}^{\prime }=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rp}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rp}}}{\Sigma }}{\mathrm{MSE}}_{\mathrm{nj},\mathrm{rp}}^{\prime }=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rp}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rp}}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }\right)}^t(K_n+{\alpha }_{n,\mathrm{rp}}{K}_n){\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }$

其中Ni、N_j,rf及N_j,rp分别为从基准模型、真实结构首次测试及真实结构二次测试时获得的模态阶次。 

②计算首次测试时模态应变能变化量 

${\mathrm{MSEC}}_{n,\mathrm{rf}}=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }+\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\alpha }_{n,\mathrm{rf}}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }-\frac{1}{\mathrm{Ni}}\underset{i=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{\left({\Phi }_i\right)}^t{K}_n{\Phi }_i$

③计算二次测试时模态应变能变化量 

${\mathrm{MSEC}}_{n,\mathrm{rp}}=\frac{1}{N_{j,\mathrm{rp}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rp}}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }+\frac{1}{N_{j,\mathrm{rp}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rp}}}{\Sigma }}{\alpha }_{n,\mathrm{rp}}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }-\frac{1}{\mathrm{Ni}}\underset{i=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{\left({\Phi }_i\right)}^t{K}_n{\Phi }_i$

④构造老龄平台损伤评估指标 

$D_{\mathrm{pf},n}=\frac{\frac{1}{N_{j,\mathrm{rp}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rp}}}{\Sigma }}{\alpha }_{n,\mathrm{rp}}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rp}}^{\prime }-\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\alpha }_{n,\mathrm{rf}}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}^t{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }}{\frac{1}{N_{j,\mathrm{rf}}}\underset{j=1}{\overset{N_{j,\mathrm{rf}}}{\Sigma }}{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}^t(K_n+{\alpha }_{n,\mathrm{rf}}{K}_n){\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }}$

⑤评估指标求解 

$S_{\mathrm{rf},(\mathrm{Ni}\times N_{j,\mathrm{rf}})\times n}{\Gamma }_{\mathrm{rf},(n\times 1)}=b_{\mathrm{rf},(n\times 1)}$

其中 

$S_{\mathrm{rf},(\mathrm{Ni}\times N_{j,\mathrm{rf}})\times n}={\Phi }_i^T{K}_n{\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }$

${\Gamma }_{\mathrm{rf},(n\times 1)}=\left(\begin{array}{c}{\alpha }_{1,\mathrm{rf}}\\ {\alpha }_{2,\mathrm{rf}}\\ .\\ .\\ .\\ {\alpha }_{n,\mathrm{rf}}\end{array}\right)$

$b_{\mathrm{rf},(n\times 1)}={\lambda }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }{\Phi }_i^T{\mathrm{M\Phi }}_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }-{\Phi }_i^T{\mathrm{K\Phi }}_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }$

g）有限数量传感器条件下的老龄平台损伤评估 

①应用模态扩阶 

$S_{\mathrm{rf},(\mathrm{Ni}\times N_{j,\mathrm{rf}})\times n}={\Phi }_i^T{K}_n{T}^{\prime }{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}_m$

②应用模型缩减 

$S_{\mathrm{rf},(\mathrm{Ni}\times N_{j,\mathrm{rf}})\times n}={\Phi }_i^T{K}_n{\left({\Phi }_{j,\mathrm{rf}}^{\prime }\right)}_D$

本步骤的优势在于，借助本发明的新指标，能够判断在两次测试期间，该平台是否发生明显结构损伤，并鉴别具体的损伤位置，结合本发明中的刚度变化指标，可以判断损伤杆件的刚度变化，及可对损伤程度给出评估。同时，本发明将新方法与现有模型扩阶及模型缩减技术相结合，即步骤g），解决了老龄平台实际测试时传感器数量与基准模型自由度不匹配的问题，具有一定的工程应用前景。 

下面以四腿导管架平台模型对本发明实现过程进行详细说明。 

（1）有限元模型建立 

以四腿导管架平台模型进行研究，见图1。该模型共有36个管单元组成，其中4根平台腿离散为12个单元，截面尺寸为120cm×2.8cm，其他24个单元截面为70cm×2.2cm。所用材料的杨氏模量为2.1×10¹¹Pa，泊松比为0.3，密度为7850Kg/m³，即单位长度的质量为9.825Kg/m。该有限元模型的前5阶频率为8.96Hz，9.07Hz，11.14Hz，11.81Hz，19.11Hz。 

（2）测试时刻对应损伤状态 

假定该平台服役一定年限后，首次测试时在单元6及单元33处具有不同程度的损伤，其刚度损伤程度分别降低35%、25%。但本发明认为首次测试时，单元6及单元33损伤因缺少先验数据无法判断。 

当该平台在首次测试后继续服役，除单元6及单元33损伤以外，单元7、单元32亦出现损伤，其刚度损伤程度分别降低35%、25%。 

本发明的优势在于执行本发明可以评估上述两次测试期间是否有结构损伤发生，即能否评估单元7、单元32出现的损伤。 

（3）老龄海洋平台阶段性评估 

执行本发明，假定只有低阶模态能够测得，即首次测试时可以测得平台的前2阶模态，第二次测试时亦可测得该平台的前2阶模态。当实测模态空间完备时，其评估结果见图2。当实测模态空间不完备时，执行本发明步骤g），其评估结果见图3。 

结果证实，本发明在实测模态空间完备时可以准确评估两次测试期间结构出现的损伤，即便在实测模态空间不完备时，亦可比较有效的实现老龄平台的阶段性评估。 

综上，本发明无需以有限元模型刚度矩阵替代实测结构刚度矩阵计算模态应变能，另外，本发明可以排除老龄平台首次测试时未知损伤对后续评估影响，实现老龄平台两次测试期间的阶段性评估。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的 限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。