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怎样才能确保海洋平台结构健康？
时间:2015-1-22 　　　　点击率:943

怎样才能确保海洋平台结构健康？

――谈谈结构健康监测技术及其方法的研究

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。 Housner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，Sohn 和Farrar人提出损伤识别的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。

本文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 海洋平台结构健康监测的必要性

1.1结构损伤带来的巨大灾难和损失

1967年Sedco135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5月，在美国墨西哥湾，Rangerl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。

1980年3月，北海的一座生活供应平台A.L.elland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，123人丧生，造成巨大的经济损失。

1982年，加拿大“海洋探索者”号(Oceean Ranger)半潜式平台沉没，死亡84人。

2001年，当时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（见图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300多万美元，该平台的沉没不仅给巴西造成了巨大的经济损失，还带来了环境污染问题。

图1 巴西P-36号平台沉入大海

2005年3月15日，巴西Roneador油田(离巴西120km，水深1350m，储量30亿桶)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晚上9点30分翻转90°，沉人海底，造成11人死亡的重大事故。该平台是1994年建造，于1999年10月耗资3.56亿美元改建21口井的采油平台，2000年5月投产。2005年事故发生时才投产6口井，每天产油8.4万桶、天然气130万方。

图2 印度海洋平台发生火灾

2005年7月27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大火（如图2）。该钻井平台距离印度西部城市孟买约160公里，大火将整座平台烧毁，造成12人死亡，367人被迫撤离。

我国于1966年12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30多年，然而事故也不少。比如：1969年我国“渤海2号”平台被海冰推倒，并使1号平台严重受损，造成直接经济损失2000多万元；1974年海冰推倒了“渤海4号”平台的烽火台；我国从日本进口的“渤海2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”(Glomar Java sea)钻井船，1983年在南海的莺歌海海域沉没，死亡81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。

1.2 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70%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和恶劣的生态环境效应。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、地基冲刷等环境载荷的作用，使得结构的承载力会随着时间推移而降低。特别是钢结构腐蚀损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，人们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。

2. 海洋平台结构健康监测技术的研究现状

关于海洋平台结构健康检测的研究开始于20世纪70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。

2.1环境载荷的监测

国内外对环境载荷的监测研究较多，也已经逐渐成熟。英国Saab海洋电子仪器公司最近研制的一种非介入式传感器VeRada，可以监测海上装置附近的波浪和水面高度，精度达到1mm，己经安装在壳牌石油公司的Auk、Sean和CliPer平台上。

俄罗斯也在Salin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Jz20-2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。

1989年美国Hetsto等人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。1995年以来，在美国海军研究局的资助下，美国已研制出SLOCUM(Battery)、Seaghder和SPray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业的控制方法研究。

2.2腐蚀及裂纹的监测

挪威Corr Ocean公司的FSM-IT监测仪配有腐蚀监控系统软件FSMTrend，用来监测平台腐蚀和裂纹的扩展。

英国TSC公司开发的Un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。

FMD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。FMD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于北海等海域的平台检测。FMD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己经很低，所能选择的维修方法单一，维修成本较高，因此FMD最好是与磁粉探伤(MPD结合使用。英国现已开发出利用FMD技术的检测系统Flood-Track。

磁膜探伤是磁粉探伤(MpD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。

2.3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。

2006年2月9日，我国863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全监测和可靠度预测系统，实现现役平台结构的安全监测与安全预警并验证平台结构设计的合理性;推动智能传感元件的产业化发展，建立平台结构实时安全监测的示范工程，为海洋油气资源开发提供实时安全监测的保障技术，带动陆地重大工程结构实时安全监测技术的发展。研究开发海洋平台结构裂纹、腐蚀及凹陷类缺陷和损伤的超声检测成像与可视化技术，为海洋平台结构的检测提供技术装备。这项示范工程的建成，开了国际海洋界工程结构响应和环境荷载同步采集的先河。

3. 海洋平台结构健康监测面临的主要问题

局部损伤检测方法虽然能够精确识别海洋平台是否存在损伤，但是不能够对海洋平台的损伤状况做实时诊断;而目前的实时海洋平台健康监测系统尚不成熟，基于振动的损伤诊断方法经过多年发展，提出并发展了许多方法。但是在实际运用于大型结构如海洋平台结构存在一定的局限性，有的方法仅仅数值模型验证效果较好，有些方法无法适用于复杂的大型土木工程结构物。其存在的主要问题有:

3.1噪声的影响

由于测试条件、仪器设备的限制以及人为操作过程误差的存在，导致测试数据中存在着噪声。而噪声的存在必然会对振动参数的识别带来一定的影响，甚至导致模态参数识别的错误。

3.2线性假设误差

现在的理论研究是基于线弹性假设，而实际结构在服役期间材料和结构存在非线性。这对大型结构物的损伤诊断必然带来影响。

3.3 结构测试模态不完备

其一，自由度的不完备，特别是结构转动自由度无法测试，即每个测点最多可以测试两个自由度;

其二，模态参数阶数的不完备，即结构的某些模态不能够被环境激励所激发出来。.

3.4低阶模态损伤算法尚不成熟

考虑到结构测试模态的不完备性，测试可靠的结构健康监测系统必须利用结构的低阶模态信息进行损伤诊断。大多数损伤诊断算法都是基于有限元模型的完备模态，这对于大型的土木工程结构而言是无法得到的。

海洋平台结构人工施加激励难度大、成本高;采用人工激励影响了实际结构的正常工作，必然造成经济损失。发展在线实时的结构健康监测系统必须采用结构环境激励下的模态参数识别技术。在环境激励下结构测试模态存在不完备性，因此可靠的结构健康监测系统必须利用结构的低阶模态信息进行损伤诊断，如何将现有方法进行改进，以适应实际结构振动测试中只能获得结构的低阶频率及不完备的实测振型的情况，这类研究将是把海洋平台结构损伤诊断方法由理论推向实践较为重要的一步。

随着石油工业向海洋进军的步伐加快，大量海洋平台相继建成，一些海洋平台已经到达服役中后期，海洋平台安全保障问题已经迫在眉睫，解决好海洋平台的安全问题不仅具有巨大的经济效益，而且具有一定政治意义，对维护社会稳定起到积极的作用。虽然海洋平台结构健康监测已经取得了一些的成果，但是由于海洋环境的极度恶劣性，因此到目前为止尚处于探索阶段。

我们期待着平台结构健康监测方法研究的探索，取得更好更快的进展，使得各类海洋平台更好地生存与运行。下图展示若干运行中的海洋平台，它们就像大海中的朵朵奇葩。

（吴永礼依据相关资料摘编）

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