海洋平台结构健康监测办法综述

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摘要

海洋平台由于其分量大，结构复杂，同时长期处于苛刻的腐蚀性环境和多种荷载作用的条件下，其结构健康监测咨询题差不多成为了幸免环境灾难以及经济损失、确保安全健康服役所必需面临的咨询题。经过对海洋平台健康监测咨询题的深入研究，总结了近些年来各位专家学者对海洋平台结构检测咨询题的研究现状，归纳了海洋平台健康监测的研究方向，并介绍了海洋平台健康监测的新办法，对海洋平台健康监测的存在的咨询题和进展的方向做出了总结。

关键词：海洋平台健康监测振动响应新办法

引言

随着世界经济迅猛进展，石油天然气的需求量猛增，然陆地的油气供给能力有限，海洋中又蕴藏着丰富的油气资源，因此，海洋油气资源的开辟势在必行。海洋平台作为海上油田开辟的要紧设备，其投资占到了海洋石油开采总投资的70%左右,一旦发生事故，别仅会带来重大的经济损失和人身伤亡，而且还会带来别良的社会政治妨碍。其目前所面临的咨询题要紧有：海洋平台分量大而其结构复杂，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刻推移而落低。特殊是钢结构腐蚀病害而引起的平台耐久性咨询题，已成为一具突出的灾难性咨询题；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惊险区域，假如结构别延续、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，如此在交变载荷、海水腐蚀等作用下，接头的高应力惊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，由于平台所采纳的材料往往含有弱小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷（微裂纹和微孔洞）会成核,进展及合并形成损伤，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咨询题，差不多发生很多海洋平台由于结构连接节点处浮现疲劳破坏而引起垮塌的案例。早期疲劳损伤往往别易被监测到，但其带来的后果是灾害性的。

1969年我国渤海2号平台被海冰推倒，并使一号平台严峻受损，造成直截了当经济损失2000多万元；1974年海冰推倒了渤海四号平台的烽火台；我国从XXX进口的“渤海二号”自升式平台，1979年在渤海湾倾覆沉没，死亡72人;我国“爪哇海”（GlomarJavasea钻井船，1983年在南海的莺歌海海域沉没，死亡81人。2001年当时世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西P一36号平台沉入大西洋，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咨询题。2005年3月15日巴西Roneador油田（离巴西12okm，水深135om,储量30亿桶）的采油平台因天然气泄漏，发生三次爆炸，虽经现场26艘船多日施救，但在3月20日晚上9点30分翻转900,沉人海底。

思考到安全、环保和经济效益等各方面的因素：一方面不会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治理系统，帮助治理者维护平台。由此，海洋平台健康监测十分重要。

随着石油开采向海洋进展，海洋平台的数量成倍增加，合适的设计办法确保结构可以反抗住别可预测的载荷造成的损伤，然而损伤在海洋平台结构的服役期间是别可幸免的。结构健康监测技术实际算是传统结构动力学咨询题的逆咨询题，经过对结构物举行实时、无损监测全面评估结构物损伤的技术。确保人的生命安全和减少财产损失的唯一办法是诊断出结构的损伤，并能及时举行修复。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咨询题日益突出，新平台的质量评价、旧平台的残余寿命恐怕和在役平台的结构安全保证将成为日益突出的咨询题，海洋平台结构的健康监测与损伤诊断已成为刻别容缓的重要课题，而且，这一技术的进展将带动陆地重大工程结构健康监测技术的进展和应用，具有广大的应用前景。1海洋平台结构健康监测技术

1?1海洋平台健康监测现状

海洋平台健康监测的研究开始于20世纪70年代，研究领域要紧涉及裂纹、腐蚀

以及结构应力与变形的监测等⑴。Vandivef和Begg⑻利用固有频率的变化分不研究了一具由船只碰撞引起的钢桩支撑的近海灯塔的损伤监测结果和一具4.8米高的北海平台模型的测试结果。Lolnad和DoddP对三个北海平台开展了为期

6-9个月的声发射监测，以监测结果为基础，深入研究了平台的状态设置、形状、身边环境对结果的妨碍以及系统的耗费。研究发觉，谱的变化都在3%以内。Osegued理基于某90英寸高的导管架海洋平台模型的动力特性改变研究项目，提出识不与固有频率有关的振型是利用固有频率的改变准确识不模型损伤的基础。Hamamoto和Swamidas等⑹发觉了一种新技术能够应用于三角架塔式平台模型损伤的识不。依照位移传感器和应变计测得的频响函数（FRFs）实现对振型、频率和阻尼比变化的监测，利用最大变化的传感器的位置来判断损伤位置。Kondo和Hamamotd"为了实现海洋平台损伤检测的目的，经过分析模态曲率变化初步确定损伤区域，然后结合逆模态扰动法实现损伤单元定位和损伤程度评估。Brincker［8］等在测量海洋平台结构加速度时程时，应用了自回归挪移平均模型，能够估算平台模型阻尼水平和固有频率的变化，从而确定由损伤、环境条件的变化和海生物附着等造成的结构固有频率的变化事情。Stubbs和Kim⑶运用一种新的损伤检测办法实现了损伤程度评估和离岸结构损伤定位。这种办法假定结构损伤前的模态参数未知，实测损伤结构的固有频率和振型。经过数值仿真，尽管高估了损伤程度，但精确识不了损伤位置。Han

esn10］总结了固定式海洋平台结构安全监测技术现状，展望了往后的技术进展趋势，他以为完成海洋平台健康监测的重要技术手段是以环境激励下海洋平台结构动力响应为基础，建立一种以结构的输出信息为主的损伤识不模型，实现结构和损伤单元的定位，再配合有效的局部NDT技术，最后实现海洋平台寿命的定量监控和有效预警。RabiulAlam和Swamida^11］对钢制导管架海洋平台的裂纹检测采纳了位移和应变响应的研究办法。经过数值模拟分析一种理想化的三维空间结构，运用ABAQUS软件分析其全局和局部响应，发觉在裂纹身边的应力和应变变化明显，而以焊趾处的变化最为突出。Nichols［12］研究了环境激励和经验模型在海洋平台健康检测中所起的作用，并对两种简单的海洋平台结构模型施加遵循Pierson-Moskowitz波谱分布的随机激励，以未损伤结构输出响应为基础，推断损伤

发生时的结构响应，实现了对海洋平台结构刚度退化的健康检测。国内的研究要紧是通

过测试固有频率、模态分析、频率响应、经验模式分解、小波分析等办法实现对海洋平台的健康检测。窦润福等［13］介绍了轴载荷和面内弯曲载荷作用下，34只

大尺度T型焊接管节点举行了静力和常幅疲劳试验，分析了疲劳强度随管节点尺度、参数及载荷形式的变化事情，对管节点的膜应力、热点应力、应力分布、弯曲应力、疲劳寿命及裂纹扩展数据等举行了研究。贾星兰［14］选用海洋平台用钢ASTMA131焊接接头试样，针对交变载荷作用下海洋平台的低温疲劳咨询题，对焊接接头处低温疲劳裂纹扩展速率等举行了研究，分不得出了低温与室温下的da/dN△K曲线。张兆德［15］针对浅海导管架式平台，利用有限元分析办法，计算其固有频率与振型，分析了别同裂纹损伤时的模态参数变化规律，达到了海洋平台损伤检测的目的，促进了平台现场检测的进展。刁延松等［16］提出了基于神经网络技术的海洋平台结构多重损伤检测办法，并经过数值模拟、冲击响应实验和振动台模型实验验证了该办法的有效性。利用小波包分析提取特征向量实现结构损伤的检测。赵玉玲［17］利用频率响应函数的变化对海洋平台举行损伤检测。赵永涛在对计算模型加以10%噪声的事情下，仍然能够准确识不构件的断裂损伤。此外，李典庆等［18］提出了一种基于风险的海洋结构物无损检测功能分级办法。作者依照风险值对无损检测功能举行分级，研究了风险值随检测概率、错误识不概率和裂纹浮现概率的变化规律以及风险值对检测费用、维修费用及失效费用的敏感性。欧进萍等［19］开辟了“海洋平台结构实时安全监测系统”应用软件，该系统于1998-1999年和1999-2000年的冬季在渤海JZ20-2MUQ平台上试运行，实时监测了平台两个冬季的安全状况。

1?2现有的海洋平台结构健康监测技术

现有海洋平台健康监测要紧集中在以下几个方面的；第一方面是环境荷载的监测，第二方面是腐蚀和裂纹的监测，第三是基于振动的健康监测。其中基于振动的健康监测即为基于振动信号分析的损伤识不办法，简称VSA［20］(VibrationSignatureA-nalysis)。现将其在海洋平台上的应用事情如图1:

图1各种海洋平台健康检测技术对照

振动的损伤识不办法尽管非常多，然而由于海洋平台结构复杂所处环境极为恶劣,有效而准确的应用却遇到了极大的困难。海洋平台人工激励难以施加，环境激励难以测量;平台监测系统不会对每一具构件都举行监测，加之目前人们对海洋平台在环境载荷激励下响应认识有限和经验的别脚，导致个不关键点存在监测上的遗漏，模态参数别可以准确识不，成为困扰海洋平台结构健康监测的瓶颈。

1?3海洋平台健康监测系统

海洋平台健康监测及安全评价系统综合了现代传感技术、网络通讯技术、信号处理与分析、数据治理办法、计算机视觉、知识挖掘、预测技术、结构分析理论和决策理论等多个领域的知识，极大地延拓了海洋平台监检测领域的内涵，提高了预测评估。

1.3.1海洋平台结构健康监测系统功能、原理以及组成

海洋平台结构健康监测与安全评价系统，总的目标是经过测量反映海洋平台环境激励和结构响应状态的某些信息，实时监测海洋平台的工作性能和评价海洋平台的工作条件，并为海洋平台的养护维修提供科学依据。与传统的海洋平台检测办法（包括众多的无损检测技术）别同，海洋平台结构健康监测与安全评价系统，重在诊

断也许发生结构损伤或灾害的条件和环境因素，评估结构性能退化的征兆和趋势，以便及时采取维修措施。而传统的检测办法，重在损伤发生后检查损伤的存在，并采取维修加固的手段。所以，海洋平台结构健康监测与安全评价系统的概念要紧功能包括:确认海洋平台的实际性能，，确保达到设计目标；增加对海洋平台结构安全程度的把握，确保海洋平台能长期安全使用;:.服务于海洋平台的施工监测、综合治理系统，减少非重点部位的人工检查次数，在意外发生期间和事后评估安全度，辅助和改进海洋平台的检测办法，为海洋平台的维护决策提供依据;.进展先进海洋平台结构健康监测评估技术和办法。

海洋平台健康监测的原理如图2所示[21]:

图2海洋平台健康监测技术原理图

海洋平台结构健康监测系统运行程序为由传感器测量系统拾取的信号首先被数据采集单元得到，然后将采集到的信号转换成数字信号并传输给数据处理与操纵系统，继续计算机系统完成数据的后处理、归档、显示、储存，最终由高性能计算机系统完成结构健康监测系统的评价工作，提供海洋平台在整个工作过程中的实时报告，同时对海洋平

台结构的非正常状态举行报警，实时评估海洋平台的安全性以及有用性，为海洋平台的定期检查提供直截了当依据，并提交监测与健康状态评价报告。

2基于结构振动模态的损伤识不办法

基于振动海洋平台结构健康监测理论，逐渐引起了越来越多的学者的重视，差不多成为了一具研究的热点。最近的研究表明，基于振动的损伤诊断本质上是一具统计模式的识不咨询题，它包含以下过程：操作评估，决定监测的对象及事实上现；数据采集与净化，实现传感器的挑选和最优布设及决定资料的取舍咨询题；特征提取，是损伤检测的核心内容，都是经过所提取特征在结构损伤前后的变化来实现损伤的诊断，其基本的要求是特征向量的维数尽量低；统计模型的建立，即建立所提取特征的统计分布的算法。2.1基于结构测试固有频率识不办法

结构损伤会导致结构固有频率落低、阻尼增加。所以经过测量结构固有频率的变化可讲明结构损伤的存在，然而因为别同的损伤也许导致相同的频率变化（特殊是低阶频率变化，所以实际工作中仅仅依赖固有频率的变化非常难准确确定损伤的位置。为了计算由局部损伤引起的结构固有频率的变化，一种很有吸引力的动力重分析办法是灵敏度分析办法。结构固有频率对刚度变化的灵敏度是从完整结构动力分析单元模态计算中得到。灵敏度分析办法己用来提高采纳固有频率变化举行损伤位置识不的灵敏度，其理论背景是比较结构实测参数与有限元分析结果，但由于获得一具精确的理论分析模型很困难，非常多别确定因素都将妨碍损伤检测结果。李学平、余志武［22］运用摄动办法和线弹性断裂力学理论讨论了一种基于频率的损伤识不新办法。从理论上推导了利用测得的少数前几阶固有频率来识不裂纹位置和裂纹深度的算式。经过试验结果验证，表明办法简单可行，对解决工程实际咨询题具有一定的参考价值。

2.2基于结构测试模态的损伤识不

何萍［23］利用小波变换具有在时域和频域内表征信号局部特性的能力，可以在别同尺度下对结构响应中的突变信号举行放大和识不。在位移模态振型的基础上，提出了一种基于小波变换的结构损伤检测办法。将损伤前后结构的位移模态振型差作为原始信号举行小尺度小波变换，经过损伤前后位移模态振型差小波变换系数的变化，可判定损伤存

在，确定损伤位置。并经过悬臂梁和海洋平台的数值模拟对该办法举行了验证。

除此之外还能够经过振型曲率法。损伤会引起结构局部弯曲强度的落低，因而利用振型曲率为模态位移的二阶偏微分来识不。振型曲率法的最大优点是别需要无损伤模型举行对照；别脚之处是量级很小，实际测量振型曲率需要很密集的测点，只在损伤位置附近振型曲率会对小损伤敏感。

叶黔元［24］等以为惟独利用可以表征结构局部特性信息的模态参数曲率模态的变化，才干完成桥梁状态监测工作。并以1:10钢析架桥梁模型为研究对象，用有限元模型及实验模型举行局部损伤的识不，实验采纳锤击法及变时基（vTB）技术对桥梁模型举行了模态分析。唐天国、刘浩吾、陈春华、刘晓森［25］得出应变能变化量较振型对局部损伤更为敏感，仅利用前三阶模态参数，能较准确的检测到损伤位置，表明应变能指标比位移型指标（振型）对局部损伤位置具有更好的识不能力；郭巍［26］介

绍了应变模态测试技术，经过测定频响传递函数得出应变模态和位移模态的办法；顾培英、陈厚群、李同春、邓昌［27］等研究了基于应变模态差分原理的直截了当定位损伤指标法，该办法无需利用损伤前的模态数据、直截了当依照损伤后应变模态举行差分运算定位损伤。

2.3基于结构测试品相函数的损伤识不

频响函数（FrequencyResponseFunctions}FRF是线性结构系统动态特性的频域描述。它的应用范围十分广泛，测量的输入输出信号种类非常多，关于机械系统普通的输入信号为力、加速度、速度或者位移而输出的信号同样也能够是这些参数。

李学平、余志武［28］研究了一种由试验测得的频响函数数据举行结构损伤定位和损伤程度评估的办法。由于非常难测得实际结构的所有频响函数数据，而且求频响矩阵的逆阵也许产生病态咨询题，所以借助有限元模型，仅用少数几个频响函数便可举行损伤识不，经过数值模拟结果表明，该办法可以达到中意的精度。

邹大力、屈福政、孙铁兵［29］直截了当应用频响函数（（FRF）举行结构的损伤识不。经过对FRF的主成分分析（（PCA）实现数据压缩和特征提取，建立基于压缩FRF的优化目标函数。为了提高算法的收敛速度，以结合局部搜索算法((LS)的遗传算法(GA)为优化工具，并进一步结合子结构识不法来求解，基于彬架的计算结果表明，这种

办法具有非常好的鲁棒性和识不效果。

3海洋平台健康监测新办法

声发射技术是利用仪器对声发射举行检测、记录、分析，并依照信号特征判断声发

射源的技术，该技术能够灵敏的检测材料内应力变化过程。

声发射信号来源十自身的缺陷，包含缺陷的实时信息，能够此评估缺陷的进展趋势;对大型结构的整体检测，经济、高效；可提供随工况变化的瞬态或延续信息，实现过程监控，可用十损伤破坏程度的预测；别受与被检测工件的距离妨碍，能够实现高低温、核辐射、易燃、易爆和极毒等极端环境下的检测；对构件的几何形状要求别高，可用十检测形状复杂的结构；可对缺陷在举行定位，从而为损伤检查和修复提供位置信息，提高检测效率与可靠性；由十几乎所有材料在变形和断裂时均产生声发射，所以该办法适用范围较广；可举行实时在线监控及远程网络监控，克服了其他无损检测办法难以实如今线和远程监控的别脚。所以，运用声发射检测技术能够有效的实现对海洋平台关键结构的健康检测[30]0

3.1小波变换法

小波分析是近30年来新兴起来的一种新时频分析办法，能够实现并且从时域和频域两个方面表征信号局部特征，而且能够依照信号的具体形态灵便调整时刻窗和频率窗的大小。普通而言，低频部分对应较低的时刻分辨率，而较低的频率分辨率能够准确的实现高频信号的时刻定位。

小波分析办法的优势在于它在各个领域中都有非常大的作用，目前不管是在地震助测、模式语音识不、机器视觉、流体力学、医学成像、分形、机械故障诊断、土木结构的损伤检测等各个领域，都广泛的应用了小波理论。小波分析除了能够对信号举行分解及重构外，还能够对信号举行以下处理[31]:

(1)识不信号的奇妙性并举行检测。信号的奇妙和突变补发通常蕴含了重要的信息，这些地点的信息需要被识不同时被放大显示出来，对信号的蕴含的异常信息破译出来，小波分析办法对信号举行多尺度分析之

后，便能够用信号奇妙点举行放大，

依照系数差值模的最大值来破译奇妙点

（2）信号的消噪处理。在信号识不过程中，噪声会落低对信号的识不度，妨碍检测

结果，为此，在小波举行信号分解的并且运用有限阀值的方式对信号举行重构，我们称之为小波消噪。

（3）识不实用信号中含噪信号的趋势。信号包含的信息通常体如今频率较低的波段，同时和低频的系数相辅相成，一旦小波分析的尺度增加，分辨率也会增加，如此信号明显度的增加能够把躲藏在噪声中的信号显示出来，就能够提取实用的信号举行损伤识不。

（4）对信号举行压缩。关于信号中包含信息较少的部分，如低频部分和高频部分，能够采纳将二者的系数分解后重新组合，这种方式既可以精确的展现原信号，又可以起到对信号举行压缩的作用。一旦结构被检测出损伤，信号中便会浮现奇妙点或者别规则的地点。依据小波变化基本理论，我们能够应用小波变换的办法对所提取的信号举行分析处理，从而推断出结构是否浮现损伤。20世纪90年代往后，小波分析办法广泛的应用到了机械结构故障的检测中来了，同时取得了较好的研究成果。

D.E.Newland首先把小波分析运用于结构振动信号的分析和处理［32］；Kasi和Amaravadi等人将飞机框架结构的复合材料粘贴强度作为损伤的对象，综合运用正交小波分解与神经网络办法对其举行损伤的定位和定量的识不，将复合材料的模态曲率设定为结构的损伤指标，并综合运用小波图谱和神经网络等办法对结构举行损伤识不，同时效果显著［33］。

3.2基于神经网络和遗传算法的损伤识不办法

目前神经网络和遗传算法是结构损伤识不的一具研究热点，浮现了大量的研究论文。信思金［34］等以光纤光栅为传感元件，四边简支板为研究对象，BP神经网络为信号处理手段，研究了光纤光栅传感器和BP神经网络在结构损伤识不中的应用，实验表明，光纤光栅传感器具有灵敏度高、稳定性好的特点，是结构损伤识不中的一种新的信号采集工具。采纳光纤光栅作为传感元件，别仅可使BP神经网络成功地实现对四边简支板的损伤识不，而且提高了结构损伤识不的精度。

刘书贤［35］等应用人工神经网络技术提取结构的固有频率的变化为特征参数，建

立结构损伤识不模型，提出用遗传算法来调整神经网络的权值，并对一具框架模型举行了损伤数值模拟计算，即基于遗传算法一神经网络办法的结构损伤识不的研究。该办法

弥补了传统的神经网络BP网络收敛速度慢，易陷入局部极小点等缺陷。结构表明，该办法具有收敛速