導(dǎo)管架監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種導(dǎo)管架監(jiān)測方法，包括如下步驟：步驟1：建立導(dǎo)管架的有限元模型，計算導(dǎo)管架受力最大點(diǎn)，從而確定傳感器的安裝位置；步驟2：將傳感器安裝在所述安裝位置上并將傳感器接入監(jiān)測計算機(jī)；步驟3：選取風(fēng)平浪靜的海況時，計算傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力對傳感器進(jìn)行調(diào)零并采用溫度補(bǔ)償傳感器對傳感器的溫度應(yīng)力進(jìn)行溫度補(bǔ)償；步驟4：監(jiān)測計算機(jī)實(shí)時獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所述步驟4中采用敏感度分析或橫向比較對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本發(fā)明能夠?qū)崟r監(jiān)測并定位導(dǎo)管架發(fā)生的結(jié)構(gòu)損傷。
【專利說明】導(dǎo)管架監(jiān)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】與海洋工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種導(dǎo)管架監(jiān)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002]海洋導(dǎo)管架平臺是一類海洋工程結(jié)構(gòu)物，它為開發(fā)和利用海洋資源提供了海上作業(yè)與生活的場所。海洋平臺與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)長期服役于惡劣的海洋環(huán)境中，承受來自海洋環(huán)境的各種載荷、如風(fēng)載荷、波浪載荷、冰載荷等和上部組塊及鉆采設(shè)備等自身載荷的交互作用，此外有時還要遭受到地震、臺風(fēng)、海嘯、船舶等的破壞。這些載荷產(chǎn)生的承載力和振動會直接影響平臺和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與壽命以及運(yùn)動特性，甚至造成平臺的倒塌與傾覆，后果十分嚴(yán)重。
[0003]目前海洋導(dǎo)管架平臺主要采取兩方面措施來了解平臺狀況，其一是定期檢測，其二是計算評估。兩種措施相互結(jié)合在一定程度上反映了平臺結(jié)構(gòu)狀況，但也存在明顯的不足。定期檢測(尤其是水下檢測)難度大成本高，周期間隔較長，覆蓋范圍有限，并且采用的檢測方法多以目視為主，輔之以部分無損檢測技術(shù)；計算評估是采用計算機(jī)軟件進(jìn)行建模運(yùn)算，是一種偏理論的方法，并且建模中采用數(shù)據(jù)的真實(shí)性和合理性(經(jīng)常是最難明確的)直接影響評估結(jié)果。兩種措施各有不同，相互結(jié)合只能在一定程度上反映平臺結(jié)構(gòu)狀況。
[0004]對導(dǎo)管架平臺健康狀況進(jìn)行實(shí)時在線準(zhǔn)確的評估，對結(jié)構(gòu)的安全性、完整性進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測，從而對受損桿件及早進(jìn)行定位和修復(fù)，可以降低海上油氣事故的發(fā)生率，減小經(jīng)濟(jì)損失。然而，依靠人工檢測或者ROV檢測、超聲波法、放射法檢測，只能是“事后”監(jiān)測，不能在惡劣海況下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性和安全性的在線實(shí)時監(jiān)測。與此相比，采用結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)固有頻率、固有陣型、模態(tài)應(yīng)變能等，來識別和診斷結(jié)構(gòu)的損傷，是一種研究較多而且成本低的無損檢測方法。但是這種方法有一定的局限性，不規(guī)則波浪的有色噪聲和測試噪聲對模態(tài)識別存在干擾，對診斷結(jié)果影響很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)管架監(jiān)測方法。
[0006]本發(fā)明提出了兩種在役導(dǎo)管架平臺的損傷在線識別方法，即敏感度分析方法以及桿件間橫向比較方法。敏感度分析方法其原理是當(dāng)導(dǎo)管架平臺上某一重要支撐桿件失效時，其本身及周圍的某一些特定的桿件的應(yīng)力會與無損時不同。通過計算結(jié)果統(tǒng)計出各桿件應(yīng)力的這種變化，發(fā)現(xiàn)不同桿件失效時的敏感桿件組合各不相同，即每個桿件失效導(dǎo)致的應(yīng)力變化是唯一的，通過實(shí)時檢測這些比較敏感桿件的響應(yīng)情況，最終對導(dǎo)管架平臺的安全性進(jìn)行實(shí)時診斷，并可以進(jìn)一步根據(jù)采集到的應(yīng)力大小判斷導(dǎo)管架平臺的損傷情況。桿件橫向比較方法是相對于敏感度分析的縱向比較方法來說的，敏感度分析是以時間為先后關(guān)系的自身比較，橫向比較是以空間為關(guān)系的同一時間不同桿件間的橫向比較。如某一桿件發(fā)生損傷，則桿件間的應(yīng)力在大小、幅值與頻率的相互關(guān)系上都會發(fā)生變化，且這種變化具有特殊性和唯一性，通過監(jiān)測比較這種相互關(guān)系，來確定損傷的發(fā)生以及損傷的位置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明提供的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:建立導(dǎo)管架的有限元模型，計算導(dǎo)管架受力最大點(diǎn)，從而確定傳感器的安裝位置；
[0009]步驟2:將傳感器安裝在所述安裝位置上并將傳感器接入監(jiān)測計算機(jī)；
[0010]步驟3:選取風(fēng)平浪靜的海況時，計算安裝位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力對傳感器進(jìn)行調(diào)零并采用溫度補(bǔ)償傳感器對傳感器的溫度應(yīng)力進(jìn)行溫度補(bǔ)償；
[0011]步驟4:監(jiān)測計算機(jī)實(shí)時獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟4中采用敏感度分析和/或橫向比較對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0013]優(yōu)選地，所述溫度補(bǔ)償法具體為采用導(dǎo)管架材料的熱膨脹系數(shù)以及傳感器的溫度敏感系數(shù)來計算溫度應(yīng)力，在傳感器的輸出值中進(jìn)行補(bǔ)償或采用貼在同導(dǎo)管架相同材料的空載參考物上的參考傳感器的輸出值，對傳感器的測量值進(jìn)行補(bǔ)償。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟2具體包括如下步驟:
[0015]步驟2.1:將傳感器安裝于的焊接基座上，并施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力；
[0016]步驟2.2:將多個傳感器的焊接基座焊接在所述導(dǎo)管架的桿件上；
[0017]步驟2.3:焊接走線管，將連接傳感器的光纖通過所述走線管接入解調(diào)設(shè)備，進(jìn)而接入檢測計算機(jī)。
[0018]優(yōu)選地，所述傳感器采用光纖FBG傳感器。
[0019]優(yōu)選地，所述走線管和所述焊接基座采用犧牲陽極法進(jìn)行防腐蝕。
[0020]優(yōu)選地，所述安裝位置具體為導(dǎo)管架的斜撐桿件的桿端或水平撐桿件的桿端。
[0021]優(yōu)選地，還包括如下步驟:
[0022]-計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境下各安裝位置在導(dǎo)管架健康情況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0024]1、本發(fā)明能夠?qū)崟r監(jiān)測并定位導(dǎo)管架發(fā)生的結(jié)構(gòu)損傷；
[0025]2、本發(fā)明較為簡單，成本低且局限性??；
[0026]3、本發(fā)明采用敏感度分析和橫向比較對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供可檢測精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0028]圖1為本發(fā)明的原理流程圖；
[0029]圖2為本發(fā)明的步驟流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031 ] 本發(fā)明對于結(jié)構(gòu)健康的檢測基于敏感度分析與橫向比較兩種方式。橫向比較即比較相對稱兩桿件的應(yīng)力關(guān)系，結(jié)構(gòu)處于相互對稱分布的兩桿件其應(yīng)力在大小、頻率與幅值均處于相似狀態(tài)，如果有結(jié)構(gòu)損傷破壞了結(jié)構(gòu)上的對稱性，其應(yīng)力會產(chǎn)生較大不同，且這種不同在施加不同方向外載荷時都很相似。敏感度分析即比較桿件現(xiàn)有應(yīng)力與健康狀態(tài)應(yīng)力的關(guān)系，將桿件測量應(yīng)力與有限元計算和歷史數(shù)據(jù)共同確定的健康應(yīng)力進(jìn)行比較，如結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，發(fā)生損傷的桿件本身以及其周圍桿件應(yīng)力與健康應(yīng)力相比會發(fā)生較大變化。
[0032]兩種比較主要基于對應(yīng)力信號進(jìn)行時域分析與頻域分析的結(jié)果。時域分析主要通過統(tǒng)計分析方法分析應(yīng)力平均值、應(yīng)力幅值，頻域分析主要通過傅里葉變換分析應(yīng)力譜峰周期、應(yīng)力有義波高。
[0033]在本實(shí)施例中，本發(fā)明提供的導(dǎo)管架監(jiān)測方法包括如下步驟:
[0034]步驟1:建立導(dǎo)管架的有限元模型，計算導(dǎo)管架受力最大點(diǎn)，從而確定傳感器的安裝位置；
[0035]步驟2:將傳感器安裝在所述安裝位置上并將傳感器接入監(jiān)測計算機(jī)；
[0036]步驟3:選取風(fēng)平浪靜的海況時，利用ANSYS計算安裝位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力對傳感器進(jìn)行調(diào)零并采用溫度補(bǔ)償傳感器對傳感器的溫度應(yīng)力進(jìn)行溫度補(bǔ)償；
[0037]步驟4:監(jiān)測計算機(jī)實(shí)時獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。風(fēng)平浪靜的海況為風(fēng)級小于3級、浪高小于0.6m。
[0038]所述步驟4中采用敏感度分析和橫向比較對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所述傳感器采用光纖FBG傳感器。監(jiān)測計算機(jī)根據(jù)設(shè)計的監(jiān)測程序，監(jiān)測桿件的健康狀況。采用兩種監(jiān)測方式進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果其中一種監(jiān)測方式監(jiān)測出問題，則系統(tǒng)報警，并定位出損傷的位置，以供進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測。計算機(jī)分析處理實(shí)時數(shù)據(jù)、進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的同時，將歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，以幫助監(jiān)測損傷。同時針對導(dǎo)管架的疲勞使用壽命進(jìn)行預(yù)報。
[0039]傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以消除溫度應(yīng)力的成分，提取結(jié)構(gòu)應(yīng)力的成分，所述溫度補(bǔ)償法具體為采用導(dǎo)管架材料的熱膨脹系數(shù)以及傳感器的溫度敏感系數(shù)來計算溫度應(yīng)力，在傳感器的輸出值中進(jìn)行補(bǔ)償或采用貼在同導(dǎo)管架相同材料空載參考物上的參考傳感器的輸出值，對傳感器的測量值進(jìn)行補(bǔ)償。
[0040]所述步驟2具體包括如下步驟:
[0041]步驟2.1:將封裝好的光纖FBG傳感器已經(jīng)在水面上安裝于帶有鋅塊的的焊接基座上，并通過螺母對光纖FBG傳感器施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力；
[0042]步驟2.2:潛水員清理導(dǎo)管架上安裝光纖FBG傳感器位置的附著物，將帶狀環(huán)套在測量截面，將三個傳感器的焊接基座通過水下焊接焊接在所述導(dǎo)管架的桿件上的監(jiān)測點(diǎn)上；
[0043]步驟2.3:在導(dǎo)管架各處焊接走線管，將連接傳感器的光纖通過所述走線管接入解調(diào)設(shè)備，進(jìn)而接入檢測計算機(jī)。
[0044]由于光纖的安裝裝置使用的材料與導(dǎo)管架材料不一樣，因此所述走線管和所述焊接基座采用犧牲陽極法進(jìn)行防腐蝕。
[0045]出于控制成本的考慮，只選取幾根重要桿件，在其桿端安裝傳感器。具體安裝桿件為應(yīng)力大且易發(fā)生損傷的主要斜撐、水平撐桿件。
[0046]-計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境下各安裝位置在導(dǎo)管架健康情況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
[0047]當(dāng)測量已投產(chǎn)導(dǎo)管架的桿件應(yīng)力，在傳感器安裝時桿件已經(jīng)有應(yīng)變，因此需要對傳感器初始應(yīng)變進(jìn)行校正。校正通過在無風(fēng)浪的小載荷下，以ANSYS有限元計算的應(yīng)力為真實(shí)應(yīng)力，對光纖FBG傳感器進(jìn)行調(diào)零。
[0048]光纖的布線采用走線管，以減小水動力對線纜的影響，提高光纖的使用壽命。
[0049]一個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測截面安裝三個傳感器以更好的測量桿件截面的應(yīng)力狀況，將桿件應(yīng)力分成拉壓應(yīng)力與彎曲應(yīng)力兩部分，用三個角度固定的傳感器獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算出截面拉應(yīng)力與彎矩，并計算出截面最大應(yīng)力，三傳感器通過的安裝裝置定位并安裝。
[0050]所述步驟I具體為:建立導(dǎo)管架的有限元模型，計算平臺受力最大點(diǎn)，即危險點(diǎn)，建立敏感性分析數(shù)據(jù)庫；根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與有限元計算結(jié)果，確定傳感器的安裝位置；計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境下各監(jiān)測點(diǎn)在平臺健康情況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
[0051]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:建立導(dǎo)管架的有限元模型，計算導(dǎo)管架受力最大點(diǎn)，從而確定傳感器的安裝位置； 步驟2:將傳感器安裝在所述安裝位置上并將傳感器接入監(jiān)測計算機(jī)； 步驟3:選取風(fēng)平浪靜的海況時，計算安裝位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，根據(jù)所述結(jié)構(gòu)應(yīng)力對傳感器進(jìn)行調(diào)零并采用溫度補(bǔ)償傳感器對傳感器的溫度應(yīng)力進(jìn)行溫度補(bǔ)償； 步驟4:監(jiān)測計算機(jī)實(shí)時獲取傳感器的檢測數(shù)據(jù)并對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟4中采用敏感度分析和/或橫向比較對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述溫度補(bǔ)償法具體為采用導(dǎo)管架材料的熱膨脹系數(shù)以及傳感器的溫度敏感系數(shù)來計算溫度應(yīng)力，在傳感器的輸出值中進(jìn)行補(bǔ)償或采用貼在同導(dǎo)管架相同材料的空載參考物上的參考傳感器的輸出值，對傳感器的測量值進(jìn)行補(bǔ)償。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟2具體包括如下步驟: 步驟2.1:將傳感器安裝于的焊接基座上，并施加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力； 步驟2.2:將多個傳感器的焊接基座焊接在所述導(dǎo)管架的桿件上； 步驟2.3:焊接走線管，將連接傳感器的光纖通過所述走線管接入解調(diào)設(shè)備，進(jìn)而接入檢測計算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述傳感器采用光纖FBG傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述走線管和所述焊接基座采用犧牲陽極法進(jìn)行防腐蝕。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，所述安裝位置具體為導(dǎo)管架的斜撐桿件的桿端或水平撐桿件的桿端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)管架監(jiān)測方法，其特征在于，還包括如下步驟: -計算不同風(fēng)、浪、流環(huán)境下各安裝位置在導(dǎo)管架健康情況下的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01M13/00GK104374556SQ201410628997
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】朱一飛, 付世曉, 侯春曉, 吳劍橋 申請人:上海交通大學(xué)