一种结构动力响应的导管架平台的损伤诊断方法

摘要

本发明涉及一种结构动力响应的导管架平台的损伤诊断方法；在导管架平台的导管架节点和上部组块的结点处安装振动加速度传感器；在平台甲板上安装测试记录仪器；采用自回归滑动平均模型对平台振动加速度信号进行模态参数识别，计算出平台结构的前五阶模态频率和阵型；识别出的模态参数频率和振型，采用遗传算法进行结构损伤诊断，得到两个诊断结果一致，反映了平台结构的实际状态；两个诊断结果不一致，则分别采用水平面内的导管架两个主轴方向第二阶模态，结构的第四和第五阶模态参数，采用遗传算法进行损伤诊断，分别根据同一方向的两个识别结果是否相同得出损伤诊断结果；本方法操作简单，能够准确定位结构的损伤，准确估计出结构的损伤程度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构动力响应的导管架平台的损伤诊断方法。

背景技术

导管架平台是浅海(＜200m)石油开发的主要海洋工程结构，由于长 期受风浪流等海洋环境因素的作用，其管节点极易发生因疲劳而引起的 开裂和断裂。因此，每年需花费大量的资金进行损伤检测，以便及时发 现损伤进行修复。目前，导管架平台的损伤检测均采用潜水员肉眼观察、 超声波、磁粉、交流电场和X射线法进行定期的检测。这些方法不仅昂 贵，而且效率低。如超声波检测时，潜水员需手持小探头(2cm²)在导 管架上进行接触式扫描，为了解决探头与钢管表面的良好耦合，必须在 检测部位的钢管表面涂抹耦合剂。此外，探头的扫描面积只能重叠而不 能留有缝隙，否则缝隙处的缺陷将被漏检。其它方法只是原理不同，检 测过程基本类似。因此，检测的可靠性完全取决于检测人员的技术水平。 如果导管架比较大，如200m水深导管架，其节点有上百个，完成一次检 测所需的时间是可以想象的。这些无损检测方法的实施是在对平台结构 的损伤状态一无所知的情况下进行的，具有较大的盲目性，很多情况下， 检测结果是没有发现任何裂纹或损伤。或不能准确地给出结构的损伤位 置，而只能给出一个较大的范围，如导管架平台的三～五层等，并且不能 给出损伤程度的准确判断。

现有的振动响应测试损伤诊断方法采用下述技术方案：

1、将运动测量传感器安装到导管架平台的所有管节点，利用传感器 的适配器和数据采集仪连续采集传感器的输出信号；

2、采用自回归滑动平均算法对记录的传感器输出信号进行分析，识 别出模态频率和振型；

3、基于导管架平台的前两阶模态参数或前三阶模态参数，采用模态 应变能、时间序列分析进行损伤诊断；计算出每个杆件的损伤指标，根 据损伤指标的大小来确定所有杆件是否发生损伤。

基于导管架平台是一个空间钢架结构，振动响应测试时，得到的前n 阶模态分别是水平面内两个主轴方向的平动模态和绕竖直轴扭转的模 态，排列顺序是水平方向的平动模态为一阶和二阶(它们分别是两个主 轴方向的第一阶模态)、扭转模态为三阶(扭转振动的第一阶模态)，四 阶以上以此类推，如第四阶和第五阶分别为水平面内两个主轴方向的第 二阶模态，第六阶为扭转的第二阶模态。

采用结构的前两阶(水平面内两个主轴方向的一阶模态)或前三阶 模态(水平面内两个主轴方向的一阶模态和扭转一阶模态)作为损伤诊 断的依据，而结构损伤时，理论上损伤杆件对自身所在方向的结构自由 度有影响，对垂直杆件方向的自由度没有影响，对扭转模态影响较小。 因此，损伤结构的前三阶模态中，只有与损伤杆件方向相同的模态和扭 转模态受影响，其中扭转模态受影响较小。如果采用前两阶模态作为损 伤诊断的依据，则与杆件垂直方向的响应信号与损伤前的信号理论上是 相同的，但实际上由于测试系统误差等原因，损伤前后的信号并不完全 相同，因此，如果将其作为损伤依据，误差信号将会被作为错误的损伤 信息处理，从而得出错误的诊断结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于结构振动响应测试的导管架海洋平台 的损伤诊断方法，无需潜水员进行水下作业，采用在导管架平台上安装 振动测试传感器，由振动测试仪器连续采集结构的振动响应信号，然后 利用本发明提出的处理方法对振动响应信号进行处理，并对处理后的信 号进行分析从而得出结构是否发生损伤，并标出损伤的位置和损伤的严 重程度。

本发明所述的一种导管架海洋平台的损伤诊断方法：

1)在导管架平台的导管架节点和上部组块的结点处安装振动加速度 传感器，选择最低工作频率低于平台一阶固有频率的低频传感器，最好 选择具有防水功能的传感器。

2)在平台甲板上远离电机和其它具有电磁场的设备处安装与所选传 感器配套的测试记录仪器，采用屏蔽导线与传感器连接，传感器的屏蔽 导线应远离动力电缆。

3)采用自回归滑动平均模型对平台振动加速度信号进行模态参数识 别，计算出平台结构的前五阶模态(水平面内沿导管架两个主轴方向的 一阶模态和水平面内转动的一阶模态)频率和阵型。

4)分别基于上一步识别出的导管架水平面内两个主轴方向的一阶模 态参数(频率和振型)，采用遗传算法进行结构损伤诊断，可以得到两个 诊断结果，如果两个诊断结果一致，则损伤诊断结束，该结果给出的损 伤杆件位置和损伤程度即反映了平台结构的实际状态。

5)如果两个诊断结果不一致，则应分别采用水平面内的导管架两个 主轴方向第二阶模态(结构的第四和第五阶模态)参数，采用遗传算法 进行损伤诊断，因为，损伤杆件引起的各阶模态变化是不同的，而系统 噪声的影响是相同的。然后，分别根据同一方向的两个识别结果是否相 同来得出损伤诊断结果。

本发明在于以结构的一阶模态参数作为损伤诊断的依据，从而避免 了非损伤杆件所在方向的模态参数对损伤诊断精度的影响。因为，基于 振动响应测试的损伤诊断方法主要是根据损伤前后结构模态参数的变化 来诊断结构是否存在损伤。而损伤杆件理论上仅仅因其余杆件方向平行 的结构自由度模态参数变化，但实际上，由于测试系统及传感器安装问 题，与损伤杆件垂直方向的模态参数往往也会识别出“变化”，这个变化 反映的不是损伤信息，而是系统误差造成的。因此，如果测试时采用了 与损伤杆件垂直方向上的模态参数，则该模态参数将作为误差被分析处 理，从而影响损伤诊断的准确性。

基于上述分析，本发明提出了仅采用一个自由度的模态参数进行损 伤诊断的方法。

1)与传统的无损检测方法相比，本发明提出的方法操作简单，无需 潜水员和水面支撑船；

2)与现有的基于振动响应测试的损伤诊断方法相比，本发明能够准 确定位结构的损伤，并准确估计出结构的损伤程度。

附图说明

图1导管架海洋平台的损伤诊断方法流程图。

具体实施方式

2009年6月，在渤海湾NP1-29导管架平台上进行了现场测试。该导 管架共有16个导管架结点，每个结点沿导管架两个主轴方向分别安装一 个压电加速度传感器，分别测试导管架平台在波浪作用下的振动响应， 通过对振动响应信号的分析，识别出了导管架平台的前三阶固有频率和 振型，然后采用本发明提出的方法进行损伤识别。