（化工过程机械专业论文）海洋平台结构健康监测方法研究.pdf

学位论文数据集 1 1 1 11 11 11 111 1 1111t il ll y 181015 7 中图分类号 t e 9 学科分类号 4 7 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 1 5 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名盖会明学号 2 0 0 4 0 0 0 4 1 5 获学位专业名称化工过程机械 获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 设备故障诊断与 课题来源中国石化集团公司研究方向 远程网络监测 论文题目海洋平台结构健康监测方法研究 关键词海洋平台，结构损伤识别，健康监测，相对总位差法 论文答辩日期 2 0 0 6 5 2 8宰论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师杨国安副教授北京化工大学 故障诊断 评阅人l盲评 0 7 m 0 7 5 评阅人2何立东研究员 北京化工大学动力机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 昆仑天辰仪表 徽员蝴吴海琦教授级高工测量技术与仪器 科技有限公司 答辩委员l何立东研究员北京化工大学动力机械 答辩委员2江志农副研究员北京化工大学故障诊断 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在 中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 海洋平台结构健康监测方法研究 摘要 海洋平台造价极高，所处环境又极度恶劣，服役时间长，其可靠性和 耐久性受到了严峻挑战。传统无损检测方法不具有实时性，海洋平台在线 监测研究已成为刻不容缓的重大课题。研究海洋平台的结构健康监测方法 十分重要，已经成为当今学者的研究热点之一。 本文首先介绍了平台结构健康监测的研究现状和面临的难题；给出了 海洋平台结构健康监测系统功能、原理和组成，并对海洋平台结构健康监 测关键技术做了讨论；总结了基于振动的模态参数识别的方法，并指出了 各种方法的优缺点；详细给出了基于振动的海洋平台结构健康监测方法。 进而提出了识别海洋平台结构损伤分两步走的方法：第一步，先用任意两 阶频率比的方法识别海洋平台构件损伤；第二步，由于处于对称位置的相 同构件损伤不能够被识别，提出了一种区分对称位置相同构件损伤的新方 法相对总位差法。最后用a n s y s 软件进一步对海洋平台做浮冰撞击和 地震载荷分析，指出了冰击载荷不容忽视性；并做海洋平台谐响应分析， 进一步验证了海洋平台模态分析结果的正确性。 关键词：海洋平台，结构损伤识别，健康监测，相对总位差法 s t r p r o m i n e n t l y , t h eo f f s h o r ep l a t f o r m sc o n s t r u c t i o nc o s te x t r e m e l yh i g h ， l o c a t e st h ee n v i r o n m e n te x t r e m e l yb a d ，s e r v e st i m et ob e1 0 n g ，i t sr e l i a b i l i t y a n dt h ed u r a b i l i t yh a v er e c e i v e dt h es t e m c h a l l e n g e t h eq u e s t i o nt h a t e n h a n c e st h eo f f s h o r ep l a t f o r mt h er e l i a b i l i t ya n dg u a r a n t e e st h eo p e r a t i o n a l s e c u r i t yi st oc h a n g ed a yb yd a y c o n s i d e r e dt h et r a d i t i o n a le x a m i n a t i o n m e t h o d sp a r t i a l l y s u r v e yc y c l ee x c e s s i v e l yt o b e l o n g ，d o e sn o th a v e t i m e l i n e s s ，t h e r e f o r et h es e ap l a t f o r mo n 1 i n em o n i t o r i n gr e s e a r c hh a sb e c o m e u r g e n t l yi m p o r t a n ti s s u e t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fo f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r e h e a l t hm o n i t o r i n gm e t h o di se x t r e m e l ye s s e n t i a l i ta l r e a d yb e c o m e sn o wo n e o fs c h o l a r sr e s e a r c hh o t s p o t s t h ep r e s e n tp a p e rm a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o l l o w s t h es t r u c t u r e h e a l t hm o n i t o rc o n c e p th a sb e e np r o d u c e d t h e nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h e o f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gr e s e a r c ha n dt h ed i 硒c u l t p r o b l e mi tf a c e sa r ei n t r o d u c e d a n dt h eo f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r eh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e mb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ec o m p o s i t i o no fi ta r ei n t r o d u c e d t h e nt h eo f f s h o r ep l a t f 0 1 1 1 1s t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n ge s s e n t i a lt e c h n o l o g y d i s c u s s i o ni sm a d e t h e nt h ev i b r a t i o nm o d a lp a r a m e t e r sr e c o g n i t i o nm e t h o d s a r es u m m a r i z e d ，a n de a c hm e t h o dg o o da n db a d p o i n t si sp o i n t e do u t a f t e r t h a t ，t h es e ap l a t f o r ms t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o rm e t h o d sb a s e do nt h ev i b r a t i o n a r ei nd e t a i lp r o d u c e d a f t e rt h a tt h es i m u l a t i o na n a l y s i sw i t ha n s y st ot h e o f f s h o r ep l a t f o r mi sc a r r i e do n t h er e c o g n i t i o no ft h eo f f s h o r ep l a t f o r m s t r u c t u r ed a m a g ed i v i d e st h em e t h o dw h i c ht w os t 印w a l k s t h ef i r s ts t e p ， u s e st w oo r d e r sf r e q u e n c i e sr a t i om e t h o dt od i s t i n g u i s ht h eo f f s h o r ep l a t f o r m c o m p o n e n t sd a m a g e ；s e c o n ds t e p ，b e c a u s et h es a m ec o m p o n e n td a m a g ei nt h e s y m m e t r i c a lp o s i t i o n i sn o tt ob ea b l et o d i s t i n g u i s h o n e k i n do f d i s c r i m i n a t i o ns y m m e t r i c a lp o s i t i o ns a m ec o m p o n e n td a m a g e sn e wm e t h o d i i r e l a t i v et o t a l d i s p l a c e m e n tl a wi sp r o p o s e d a tl a s t ，t h er e s p o n s e so ft h e o f f s h o r e p l a t f o r mu n d e rt h ef l o a t i n gi c eh i t t i n ga n dt h ee a r t h q u a k el o a d s e p a r a t e l ya r eb e i n ga n a l y z e d ，t h e nt h ei c eh i t t i n gl o a di sn o ta l l o wt on e g l e c t w h e nd o i n gt h ed y n a m i cf o r c ea n a l y s i so ft h eo f f s h o r ep l a t f o r mi s b e i n g p o i n t e do u t a f t e rt h a tt h eh a r m o n yr e s p o n s ea n a l y s i si sm a d et ot h eo f f s h o r e p l a t f o r m ，f u r t h e ri th a sc o n f i r m e dt h es e ap l a t f o r mm o d a la n a l y s i sr e s u l t k e yw o r d s ：t h eo f f s h o r ep l a t f o r m ，s t r u c t u r ed a m a g e r e c o g n i t i o n ，h e a l t h m o n i t o r i n g ，r e l a t i v et o t a ld i s p l a c e m e n tl a w i i i 北京化工大学硕士学位论文 i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 海洋平台结构健康监测的必要性l 1 1 1 结构损伤带来的巨大灾难和损失1 1 1 2 海洋平台结构健康监测的必要性3 1 2 海洋平台结构健康监测技术现状。4 1 3 海洋平台结构健康监测面临的主要问题。6 1 4 本课题研究内容。7 第二章海洋平台结构健康监测系统8 2 1 目前存在的大型结构健康监测系统一8 2 2 平台结构健康监测系统功能、原理及组成l o 2 2 1 平台结构健康监测系统功能。1 0 2 2 2 海洋平台结构健康监测系统原理与组成1 l 2 3 海洋平台结构健康监测系统关键技术1 2 2 3 1 传感器选型1 2 2 3 2 传感器的优化布置1 3 2 3 3 数据管理系统的建立1 7 2 3 4 综合评估系统的建立1 7 2 4 总结l7 第三章海洋平台结构健康监测方法1 8 3 1 结构健康监测的基准建立18 3 2 模态参数识别方法19 3 2 1 频域法2 0 3 2 2 时域法2 0 3 2 3 时频方法2 1 3 3 基于振动模态的损伤识别方法2 2 3 3 1 基于结构测试固有频率的损伤识别方法2 2 3 3 2 基于结构测试模态的损伤识别2 3 3 3 3 基于结构测试频响函数的损伤识别。2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 3 3 4 有限元模型修正技术2 6 3 3 5 基于神经网络和遗传算法的损伤识别方法2 6 3 4 海洋平台结构健康监测综合评估2 7 3 5 结论2 8 第四章海洋平台结构损伤识别a n s y s 仿真研究之一2 9 4 1 海洋平台仿真模型的建立2 9 4 2 利用固有频率变化来识别海洋平台结构损伤的存在3 0 4 3 损伤类型的识别3 5 4 4 单一甲板损伤对平台结构损伤识别的影响3 6 4 4 1 甲板损伤模型与固有频率求解3 7 4 4 2 甲板损伤对水下结构损伤识别影响分析4 2 4 5 结论4 4 第五章海洋平台结构损伤识别a n s y s 仿真研究之二4 5 5 1 任意两阶固有频率变化值比识别对称位置相同损伤无效性验证4 5 5 2 对称结构对称位置损伤的识别相对总位差法。5 0 5 3 结论6 2 第六章海洋平台动力晌应分析6 3 6 1 谱分析和谐响应分析原理6 3 6 1 1 响应谱分析原理6 3 6 1 2 谐响应分析原理6 6 6 2 冰载荷响应分析6 6 6 3 地震载荷响应分析6 7 6 4 海洋平台谐响应分析6 9 6 5 结论7 0 第七章结论7 1 参考文献7 3 致谢7 5 研究成果及发表的学术论文7 6 v i 目录 作者简介7 7 v i i 北京化工大学硕士学位论文 co n t e n t s c h a p t e rii n w o d u c f i o n l 1 1o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gn e c e s s i t y 1 1 1 1t h eh u g ed i s a s t e ra n dl o s e sb e i n gc a u s e db ys t r u c t u r e sd a m a g e s 。1 1 1 2o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gn e c e s s i t y 3 1 2t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fo f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g t e c h n o l o g y 4 1 3t h em a i nq u e s t i o n so f o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g 6 1 4t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i st o p i c 7 c h a p t e r 2 o f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r e sh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m 8 2 1t h ee x i s t e dl a r g e - s c a l es t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m sa tp r e s e n t 。8 2 2t h ef u n c t i o n , t h ep r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o no fo f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r e s h e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e r n 10 2 2 1o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r e sh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m sf u n c t i o n 1 0 2 2 2o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e m sp r i n c i p l ea n d c o m p o s i t i o n 11 2 3o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n gs y s t e me s s e n t i a lt e c h n o l o g y 1 2 2 ：；1s e n s o r ss e l e c t i o n 1 2 2 ：；2s e n s o r so p t i m i z a t i o n sa r r a n g e m e n t 1 3 2 3 3d a t am a n a g e m e n ts y s t e me s t a b l i s h m e n t 1 7 2 3 4o v e r a l la s s e s s m e n t ss y s t e me s t a b l i s h m e n t 1 7 2 4s u m m a r i z e s 17 c h a p t e r3o f f s h o r ep l a t f o r m ss t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n g m e t h o d 。18 3 1s t r u c t u r e sh e a l t hm o n i t o r i n gd a t u me s t a b l i s h m e n t 一1 8 3 2m o d a ls h a p ep a r a m e t e r sr e c o g n i t i o nm e t h o d 1 9 ：i 2 1f r e q u e n c yr a n g e sl a w 2 0 3 2 2t i m ed o m a i n sl a w 2 0 ：；2 3t i m ef r e q u e n c i e sm e t h o d s 2 1 ：i 3m o d a ls h a p ed a m a g er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nv i b r a t i o n 2 2 3 3 1n a t u r a lf r e q u e n c yd a m a g er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do ns t r u c t u r et e s t 2 2 3 3 2m o d a ls h a p ed a m a g er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nt h es t r u c t u r et e s t 2 3 v i i i 4 4 2t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n td e c kd a m a g e st ot h es t r u c t u r ed a m a g er e c o g n i t i o n 4 2 4 5c o n c l u s i o n s 4 4 c h a p t e r 5o f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r ed a m a g er e c o g n i t i o nb a s e d o nt h ea n s y ss i m u l a t i o n ( p a r t2 ) 4 5 5 1t h ec o n f i r m a t i o nf o rt h es y m m e t r i c a lp o s i t i o nd a m a g er e c o g n i t i o ni n v a l i d i t yb y u s i n g t w oo r d e r sn a t u r a lf r e q u e n c i e sc h a n g ev a l u er a t i o 4 5 5 2s y m m e t r i c a lp o s i t i o nd a m a g e sr e c o g n i t i o n - r e l a t i v et o t a ld i s p l a c e m e n t m e t h o d 5 0 5 3c o n c l u s i o n s 6 2 c h a p t e r6o f f s h o r ep l a t f o r md y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s 6 3 6 1s p e c t r aa n a l y s i sa n dh a r m o n i o u sr e s p o n s ea n a l y s i sp n n c i p l e 6 3 6 1 1r e s p o n s es p e c t r aa n a l y s i sp r i n c i p l e 6 3 6 1 2h a r m o n i e sr e s p o n s e sa n a l y s i sp r i n c i p l e 6 6 6 2i c el o a d sr e s p o n s ea n a l y s i s 6 6 6 3e a r t h q u a k e sl o a d sr e s p o n s ea n a l y s i s 6 7 6 4o f f s h o r ep l a t f o r mh a r m o n yr e s p o n s ea n a l y s i s 6 9 6 5c o n c l u s i o n s 7 0 c h a p t e r 7c o n c l u s i o n 7 1 r e f e r e n c e 7 1 i i x a c k n o w l e d g e m e n t 7 5 r e s e a r c hr e s u l t sa n dp u b l i c a t i o nd i s s e r t a t i o n 7 6 t h ea u t h o r si n t r o d u c t i o n 7 7 x 符号说明 符号说明 固有周期 阻尼 固有频率 质量矩阵 阻尼矩阵 刚度矩阵 载荷幅值矩阵 加速度矩阵 速度矩阵 位移矩阵 激振力的频率 位移幅值向量 位移响应滞后激励载荷的相位角 任意激励 脉冲响应 尖峰速度响应 结构的设计、制造、安装数据库 结构检测、维护、修理数据库 x i r f 缈m h mm9伊m啪瓯阴雌 第一章绪论 第一章绪论 结构健康监测技术是对结构物进行实时、无损和全面的损伤评估技术。它是利用 实测的结构物动力响应信号，提取结构本身的参数或与结构本身参数相关的指标，并 由此推断结构损伤情况。它是传统结构动力学的逆问题，属传感器技术、结构动力学、 信号处理技术、概率统计、神经网络等交叉领域。h o u s n e r ( 1 9 9 7 ) 等人将结构健康监 测定义为一种从营运状态的结构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标( 如可 靠性、耐久性等) 的有效方法。健康诊断基本目标是由实测信号识别结构损伤。关于 结构损伤识别的目标，s o h nh 和f a r r a rc t l 】提出损伤识别的5 个层次：识别结构中是 否有损伤产生，确定损伤位置，识别损伤类型，量化损伤的严重程度，确定结构物的 剩余寿命。目前的损伤识别研究中能达到第三、四五层次的较少。 本章将首先介绍海洋平台进行结构健康监测的必要性，然后给出海洋平台结构健 康监测的现状以及所面临的主要问题。 1 1 海洋平台结构健康监测的必要性 1 1 1 结构损伤带来的巨大灾难和损失 1 9 6 7 年s e d c 0 1 3 5 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。 同年五月，在美国墨西哥湾，r a n g e ri 号自升式钻井平台后腿柱破坏失效，致使 平台失去平衡，甲板倾斜坠落，并使前腿弯折屈曲而导致整座平台最终完全破坏。 1 9 8 0 年3 月，北海的一座生活供应平台a l k i e ll a n d 号撑杆处的水声器支座萌 生的疲劳裂纹发生扩展，致使撑杆折断破坏，并导致与所支撑的承重腿柱相连的其它 五根撑杆也因过载而破坏，随后承重腿柱失稳，平台失去平衡，几十分钟后平台全部 倾覆，1 2 3 人丧生，造成巨大的经济损失。 加拿大“海洋探索者号( o c e a nr a n g e r ) 半潜式平台，1 9 8 2 年沉没，死亡8 4 人。 2 0 0 1 年当时世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西p 3 6 号平台沉入大西洋 底如图1 1 ，该平台耗资3 6 亿美元，仅事故造成的油井停产就使巴西每天损失3 0 0 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。 图1 - 1 巴西p 3 6 号平台沉入人海 f i g 1 - 1t h eo f f s h o r ep l a t f o r mp - 3 6o fb r a z i lf a l l i n gi n t ot h eo c e a n s 图1 2 印度海洋平台发生火灾 f i g 1 - 2t h eo f f s h o r ep l a t f o r mo fi n d i ab e i n gd e s t r o y e db ya f i r e 2 0 0 5 年3 月1 5 日巴西r o n c a d o r 油田( 离巴西1 2 0 k m ，水深1 3 5 0 m ，储量3 0 亿桶) 的采油平台因天然气泄漏，发生三次爆炸，虽经现场2 6 艘船多日施救，但在3 月2 0 日晚上9 点3 0 分翻转9 0 0 ，沉人海底。造成1 1 人死亡的重大事故。该平台是1 9 9 4 年 意大利建造，于1 9 9 9 年1 0 月耗资3 5 6 亿美元改建2 l 口井的采油平台，2 0 0 0 年5 月投产。2 0 0 5 年事故发生时才投产6 口井，每天产油8 4 万桶、天然气1 3 0 万方。 2 0 0 5 年7 月2 7 日，印度国营石油及天然气公司在阿拉伯海的石油钻井平台发生 2 第一章绪论 大火如图1 2 。该钻井平台距离印度西部城市孟买约1 6 0 公里，大火将整座平台烧毁， 造成1 2 人死亡，3 6 7 人被迫撤离。 我国于1 9 6 6 年1 2 月底成功地在渤海湾安装了第一座导管架平台。虽然从那时算 起，我国海洋平台发展史不过仅3 0 多年，然而事故也不少。比如1 9 6 9 年我国渤海2 号平台被海冰推倒，并使一号平台严重受损，造成直接经济损失2 0 0 0 多万元；1 9 7 4 年 海冰推倒了渤海四号平台的烽火台；我国从日本进口的“渤海二号 自升式平台，1 9 7 9 年在渤海湾倾覆沉没，死亡7 2 人；我国“爪哇海 ( g l o m a rj a v as e a ) 钻井船，1 9 8 3 年 在南海的莺歌海海域沉没，死亡8 1 人。除此之外，多个平台在风浪、海流和地震作 用下产生过剧烈的振动。 1 1 2 海洋平台结构健康监测的必要性 海洋平台作为海上油田开发的主要设备，其投资占到了海洋石油开采总投资的 7 0 左右，一旦发生事故，不仅会带来重大的经济损失和人身伤亡，而且还会带来不 良的社会政治影响。其目前所面临的问题主要有： 海洋平台重量大而其结构复杂，长周期在苛刻的腐蚀性环境条件下使用的大型工 程结构物，其水下部分结构长期受到海水及海生物的侵蚀、冻融损坏、碱集料反应和 化学物质侵袭、地基冲刷、环境载荷等的作用，使得结构的承载力会随着时间推移而 ；0 降低。特别是钢结构腐蚀病害而引起的平台耐久性问题，已成为一个突出的灾害性问 。 题； 海啸、台风，过往船只撞击海洋平台、火灾、天然气泄漏发生爆炸等偶然事件时 有发生，极大威胁着平台的正常使用和耐久性； 半潜式平台的浮体与柱、柱与甲板连接处，张力腿平台的浮体与柱、张力腿与浮 体连接处以及支撑半潜式、张力腿甲板的刚架结构均是受力极大的危险区域，如果结 构不连续、加工或焊接上的缺陷，易形成应力集中，焊接残余应力也会造成材料的局 部塑性变形，这样在交变载荷、海水腐蚀等作用下，接头的高应力危险区将会发生疲 劳裂纹，并逐渐扩大而导致整个节点的破坏。另外，由于平台所采用的材料往往含有 微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷( 微裂纹和微孔洞) 会成核，发展及合并形成 损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。疲劳损伤是平台设计中的核心问题，已经发生不 少海洋平台由于结构连接节点处出现疲劳破坏而引起垮塌的案例。早期疲劳损伤往往 不易被监测到，但其带来的后果是灾难性的。 考虑到安全、环保和经济效益等各方面的因素：一方面不可能大量地拆除旧平台 而改建新平台：另一方面，还缺乏一整套有效的平台监测和管理系统，帮助管理者维 护平台。 随着石油开采向海洋发展，海洋平台的数量成倍增加，合适的设计方法确保结构 3 北京化工大学硕士学位论文 能够抵抗住不可预测的载荷造成的损伤，但是损伤在海洋平台结构的服役期间是不可 避免的。确保人的生命安全和减少财产损失的唯一方法是诊断出结构的损伤，并能及 时进行修复。由此可见，提高海洋平台结构及设备的可靠性，确保海洋作业安全的问 题日益突出，新平台的质量评价、旧平台的残余寿命估计和在役平台的结构安全保证 将成为日益突出的问题，海洋平台结构的健康监测与损伤诊断已成为刻不容缓的重要 课题，而且，这一技术的发展将带动陆地重大工程结构健康监测技术的发展和应用， 具有广阔的应用前景。 1 2 海洋平台结构健康监测技术现状 关于海洋平台结构健康检测的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，但到目前为止研究工 作还开展得不多，采用的方法也各异，可以分为局部损伤检测法和基于振动的整体损 伤探测法，而基于振动的平台结构健康监测是目前研究的热点。海洋平台结构实时自 动化监测技术通过监测数据的实时采集、处理、分析，确定平台的安全状态，具有快 捷、省时、精度高、实时控制等优点受到越来越多的重视。海洋平台监测系统主要包 括海洋环境载荷自动监测系统、平台损伤、位移监测系统以及平台阴极保护监测系统 等。下面介绍与海洋平台结构健康监测相关的一些新技术的发展状况。 环境载荷的监测 国内外对环境载荷的监测研究较多，也己经逐渐成熟。 英国s a a b 海洋电子仪器公司最近研制的一种非介入式传感器w a v e r a d a ，可以监 测海上装置附近的波浪和水面高度，精度达到l m m ，己经安装在壳牌石油公司的a u l q s e a n 和c l i p c r 平台上【2 圳。 俄罗斯也在s a k h a l i n 油田安装了冰载荷监测系统。中国海洋渤海公司与大连理工 大学联合在辽东湾j z 2 0 2 平台建立了基于计算机远程网络的海冰定点观测系统。 水下机器人是一种新型的水面水下监测平台，能够满足当前海洋环境监测的需求。 它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器 人系统，具有浮标和潜标的部分功能。水下机器人采用内置的姿态调整机构和无外挂 的驱动装置，减少了载体的外置装置，避免了对载体线型的破坏，大大改善了系统的 水动力特性。水下机器人具有制造成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、 续航能力长等特点，适宜于大量布放，适用于大范围海洋环境的长期监测。水下机器 人是海洋环境立体监测系统的补充和完善，在海洋环境的监测、调查、探测等方面具 有广阔的应用前景。1 9 8 9 年美国人h e n r ys t o m m e l 提出了采用一种能够在水下作滑翔 运动的浮标进行海洋环境调查的设想，这就是水下机器人的最初概念。1 9 9 5 年以来， 在美国海军研究局( o n r ) 资助下，美国已研制出s l o c u m ( b a t t e r y ) 、s e a g l i d e r 和s p r a y 等多种以二次电池为推进能源的水下机器人。近几年，美国已经开始进行水下机器人作 4 第一章绪论 业的控制方法研究【4 】。 腐蚀及裂纹的监测 挪威c o r r o c e a n 公司的f s m - i t 监测仪配有腐蚀监控系统软件f s m t r e n d ，用来监 测平台腐蚀和裂纹的扩展。 英国t s c 公司开发的u l l 水下监测系统，可以监测构件表面、次表面缺陷并确 定缺陷大小。 f m d 是一种独特的水下结构检测方法，适合于检测穿透型裂纹或其它使水渗到 构件内部的缺陷。其原理是：当存在穿透型裂纹时，外面的海水将渗到平台构件的内 部，使含缺陷的构件充水，可以用超声波或射线探测构件内是否有水，依此来判断是 否存在缺陷。用超声检测的原理就是探测构件另一侧是否会反射超声回波，因为充满 空气的构件不会传送超声脉冲。如果探测到超声回波，就说明构件内有水，即构件存 在裂纹。利用射线检测则是因为射线在水中会因为水的吸收而很快衰减。f m d 法检 测的优点有速度快、操作简单、效率高、与其他方法相比成本低，所以该方法广泛应 用予北海等海域的平台检测。f m d 技术也存在一些不足：如果构件内部存在严重腐 蚀或其它残渣，将导致误判。一旦检测到构件存在严重的缺陷，此时平台的剩余疲劳 寿命已经很低，所能选择的维修方法单一，维修成本较高，因此f m d 最好是与磁粉 探伤( m p i ) 结合使用。英国现已开发出利用f m d 技术的检测系统f l o o d - t r a c k 。 磁膜探伤是磁粉探伤( m p i ) 的一种改进方式，水下利用磁粉探伤喷撒磁粉后，很 容易被海水稀释和冲跑，影响效果。为了克服这一缺点，已研制成功磁膜探伤产品。 利用磁膜探伤，可以得到磁粉的影像载体，使待记录裂纹得以显示，场强和磁场方向 能够永久记录，然后就可无需使用水下摄影即可。在水下或水面上对不连续区域进行 质量分析，同时还可将磁膜扫描进入计算机进行分析、保存，并可打印输出。 基于振动的结构健康监测系统 目前基于振动的平台结构健康监测综合评估系统是研究的热点，已经得到广泛的 认可，然而大多数都尚不成熟，处于实验和理论研究阶段。 2 0 0 6 年2 月9 日，国家8 6 3 计划海洋资源开发技术主课题“海洋平台结构的实时 监测与检测成像技术顺利通过验收，整体技术达到国际先进水平。该课题针对固定 式钢质导管架海洋平台结构，研制结构局部性态监测的光纤光栅、压电薄膜和疲劳电 阻丝( 箔) 等3 种智能传感元件，突破部分传统监测传感元件耐久性和性能稳定性的 制约；研究集成海洋环境载荷观测、结构整体和局部性态实时监测系统，实现平台结 构整体和局部损伤长期实时监测，积累海洋油气田环境要素观测资料，把握平台结构 损伤演变的规律，在为平台结构实时安全监测提供基础的同时，为平台结构安全性和 耐久性设计提供依据；发展平台结构损伤识别、定位和模型实时修正技术以及多平台 结构、多参量实时监测的信息融合技术，建立基于确定性安全评定和可靠性评定的平 台结构原位和远程实时安