專利名稱：一種導管海洋平臺的結構損傷監測方法
技術領域：
本發明涉及結構健康監測技術領域，特別涉及一種導管架海洋平臺的結構損傷監測方法。
背景技術：
隨著我國海洋油氣資源開發的快速發展，作為海上生產和生活基礎設施的海洋平臺數量近年來成倍增加。與陸地結構相比，海洋平臺結構長期服役于復雜惡劣的海洋環境中，荷載與災變的交互作用大大加劇了海洋平臺結構安全運行的危險性，歷史上曾有多次海洋平臺的安全事故，造成了巨大的經濟損失、惡劣的社會影響和無法挽回的環境污染。大量海洋平臺安全事故顯示，振動疲勞、應力腐蝕、初始缺陷、材料老化等原因造成的局部損傷是導致海洋平臺結構破壞的重要原因之一。因此，監測海洋平臺結構損傷的萌生與擴展，診斷結構的健康狀態和抗力衰減，防止災害事故的發生，已經成為海洋油氣資源開發中亟 待解決的課題，引起了國內外學術界和工程界的普遍重視。專利CN1584582A涉及一種海洋平臺結構缺陷的電磁導波檢測裝置和方法，具有非接觸遠程檢測、檢測效率和可靠性高、檢測成本低和現場適應性強等突出優點。專利CN102520612A涉及一種海洋平臺專用的自適應數據采集裝置，可以采集海洋平臺監測系統中傳感器數據。專利CN102071661A采用鐵磁性物質作為傳感元件埋入天然石塊或混凝土預制塊封裝制作具有自感知特性的磁法沖刷傳感器，并將上述傳感器與磁力儀復合構建沖刷監測系統，應用于水庫大壩、河道堤防以及橋梁與海洋平臺等重大工程結構沖刷監測與防護之中。專利CN101498688A涉及一種海洋平臺無損檢測方法，是一種基于結構振動的海洋平臺整體無損檢測方法。作為結構智能健康監測技術的一種，基于機電阻抗的結構健康監測在近年獲得了廣泛關注并得到了長足發展。專利CN102435853A涉及基于機電阻抗方法監測結構健康狀況的傳感器，通過對機械阻抗和電阻抗耦合的機電阻抗的測量，為基于機電阻抗方法的結構健康狀況監測和結構失效預測提供了必要的信息。專利CN102393407A公開了一種基于壓電阻抗測量的鋼管混凝土管壁界面剝離監測方法，能精確快速地找到鋼管混凝土構件中無法直接通過肉眼觀察的界面剝離損傷的位置和范圍。發明CN101915876B涉及一種高激勵電壓的壓電晶片電阻抗測試系統，激勵電壓高達10-35V，適用于大型結構和工廠的在線監測。分析國內外研究現狀及專利情況可以發現(I)海洋平臺結構健康監測研究主要針對結構整體性監測與評估，尚缺乏腐蝕、裂紋等局部損傷的監測與診斷方法；(2)基于機電阻抗的結構健康監測主要利用壓電傳感器的自傳感實現結構損傷探測，但是機電耦合阻抗與結構機械阻抗的關系較為復雜，精確的損傷定位或定量在工程中還難以實現。
發明內容
本發明的目的是為解決上述現有技術中的技術問題，提供一種導管架海洋平臺的結構損傷監測方法，來解決結構關鍵受力或易損部位的損傷探測與定位問題。本發明利用布設于導管架海洋平臺一定部位的壓電傳感器網絡，將兩個相鄰壓電傳感器之中的一個作為主動傳感器(同時激勵與傳感)，而另外一個則作為驅動器。測量時首先對這兩個壓電傳感器進行同步掃頻激勵，然后通過阻抗分析儀測量得到主動傳感器的機電耦合阻抗或導納，并進一步分析得到該傳感器位置上的等效機械阻抗或導納，根據該等效機械阻抗或導納信號的變化探測兩個壓電傳感器之間的損傷發展狀況，最后通過對整個傳感網絡覆蓋區域的掃描實現導管架海洋平臺關鍵受力或易損部位的損傷監測。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是提供了一種導管海洋平臺的結構損傷監測方法，具體包括以下步驟
步驟100 :根據導管架海洋平臺受力分析，確定結構關鍵受力或易損部位，將每個指定監測部位布設一組壓電傳感器網絡2 ;壓電傳感器3以表面粘貼的方式布設于鋼質導管I外壁，在鋼質導管I及壓電傳感器3表面均勻涂抹環氧樹脂，進行防水絕緣處理，并且制作傳感器保護盒4覆蓋壓電傳感器3，將導線5由傳感器保護盒4中引出； 步驟200 :將壓電傳感器網絡2中的一個壓電傳感器3通過導線5連接阻抗分析儀6，將與之相鄰的一個壓電傳感器3通過導線5連接任意波形發射器7 ；
步驟300 :將BNC電纜8的一端連接任意波形發射器7的觸發輸出端口，將其另一端連接阻抗分析儀6的觸發輸入端口，并將任意波形發射器7的觸發模式設置為內部上升沿觸發，將阻抗分析儀6的觸發模式設置為外部觸發；
步驟400 :設置阻抗分析儀6的激勵電壓、掃頻范圍和掃頻時間，配置任意波形發射器7具有相同的參數，然后觸發任意波形發射器7開始工作，阻抗分析儀6受到外部觸發后也將同步激勵與之相連的壓電傳感器3并進行阻抗測量，直至掃頻結束；
步驟500 :對壓電傳感器網絡2中的其它相鄰壓電傳感器3重復步驟200至步驟400，獲得整個監測區域的機電耦合阻抗或導納信號，再將其與基線或初始狀態的測量數據進行比較，根據測量阻抗信號的變化探測結構損傷的發生和位置。有益效果本發明將自阻抗與交叉阻抗信息聯合運用，提高了結構損傷探測的靈敏性與損傷定位的準確性，可以實現導管架海洋平臺結構損傷的實時在線監測，從而為海洋平臺結構的安全評價與壽命預測提供科學依據，對于降低海洋平臺結構的安全隱患和運行風險，提高海上油田開發的總體經濟效益，將產生積極的意義。
圖I為本發明壓電傳感器網絡示意圖。圖2為本發明傳感器保護盒示意圖。圖3為本發明基于機電阻抗的損傷探測示意圖。附圖標識1_鋼質導管，2-壓電傳感器網絡，3-壓電傳感器，4-傳感器保護盒，5-導線，6-阻抗分析儀，7-任意波形發生器，8-BNC電纜。
具體實施例方式本發明的基本原理是，損傷的出現和發展導致結構機械阻抗的變化，通過對結構機械阻抗的監測即可實現結構健康診斷。盡管結構的機械阻抗難以通過試驗手段直接獲得，但是卻可以利用附著于基體結構的壓電材料的正逆壓電效應和機電耦合特性，通過對壓電材料的電阻抗的觀測間接獲得結構的機械阻抗，最終實現結構的健康監測。目前常用的機電阻抗損傷監測方法屬于點探測式方法，即通過對單個壓電傳感器機電耦合阻抗的測量探測結構損傷，所利用的僅僅是傳感器位置處的結構自阻抗信息。本發明提出的方法不但可以利用傳感器位置處的自阻抗信息，而且還可以同時利用兩個相鄰傳感器之間的交叉阻抗信息，從而提高結構損傷探測與定位的準確性。在導管架海洋平臺結構的指定區域(通常是關鍵受力或易損部位)，采用表面粘貼的方式布設一定數量的壓電傳感器組成壓電傳感網絡。壓電傳感器是小尺寸的正方形或圓形壓電片，并且都具有相同的幾何、力學和壓電性質。考慮到壓電傳感器的有限尺寸，與被附著結構相比可以認為在幾何尺寸上是無限小的，那么壓電傳感器與結構間的相互作用力可以看作是點作用力施加在結構上。又因為傳感器具有相同的幾何、力學和壓電性質，如果對其中的兩個傳感器同時施加相同的諧波掃頻電壓，則二者對結構的作用力可以認為是相同的。如果將被監測結構看成具有#個自由度的離散多自由度結構系統，在第J、J兩個自由度上分別有壓電傳感器i和J，并且對二者實施同步掃頻激勵，于是結構第 個自由度上的速度響應-可以表示為
糊 ζ,(ω)[棚AH]/[糊+4Η]⑴
其中，0是激勵頻率;剛是諧波掃頻激勵荷載；Zii (α 是結構第i個自由度上的自阻抗，而七是結構第^與第j個自由度之間的交叉阻抗。如果在第 個自由度上的壓電傳感器是主動傳感器，那么與之相連接的阻抗分析儀觀測到的機電耦合阻抗中就包括了該點的機械阻抗信息，而這個機械阻抗應該是該自由度激勵荷載與速度響應的比值那么根據式(I)可得
Ζ{!)(^)=........； ...........(2)
3 1 j Z“柄.⑷
其中，是結構第；個自由度的等效機械阻抗。觀察公式(2)可以發現，采用在第；、兩個自由度同時激勵并且僅在第i個自由度觀測的方式，所獲得的第i個自由度上的等效機械阻抗不但包含了該自由度的自阻抗信息，而且包含了第〗與第J個自由度之間的交叉阻抗信息，這對于結構損傷探測尤其是損傷定位而言具有重要意義。因為結構損傷不僅改變局部自阻抗，而且會改變不同自由度之間的交叉阻抗，所以公式(2)包含了比現有機電阻抗方法更加豐富的結構損傷信息，能夠有效提高結構損傷探測與定位的準確性。下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。參照圖1-3，本發明一種導管海洋平臺的結構損傷監測方法，具體包括以下步驟 步驟100 :根據導管架海洋平臺受力分析，確定結構關鍵受力或易損部位，將每個指定
監測部位布設一組壓電傳感器網絡2 ;壓電傳感器3以表面粘貼的方式布設于鋼質導管I外壁，在鋼質導管I及壓電傳感器3表面均勻涂抹環氧樹脂，進行防水絕緣處理，并且制作傳感器保護盒4覆蓋壓電傳感器3，將導線5由傳感器保護盒4中引出；
步驟200 :將壓電傳感器網絡2中的一個壓電傳感器3通過導線5連接阻抗分析儀6，將與之相鄰的一個壓電傳感器3通過導線5連接任意波形發射器7 ；
步驟300 :將BNC電纜8的一端連接任意波形發射器7的觸發輸出端口，將其另一端連接阻抗分析儀6的觸發輸入端口，并將任意波形發射器7的觸發模式設置為內部上升沿觸發，將阻抗分析儀6的觸發模式設置為外部觸發；
步驟400 :設置阻抗分析儀6的激勵電壓、掃頻范圍和掃頻時間，配置任意波形發射器7具有相同的參數，然后觸發任意波形發射器7開始工作，阻抗分析儀6受到外部觸發后也將同步激勵與之相連的壓電傳感器3并進行阻抗測量，直至掃頻結束；
步驟500 :對壓電傳感器網絡2中的其它相鄰壓電傳感器3重復步驟200至步驟400，獲得整個監測區域的機電耦合阻抗或導納信號，再將其與基線或初始狀態的測量數據進行比較，根據測量阻抗信號的變化探測結構損傷的發生和位置。·本發明不但利用了主動傳感器的自阻抗信息，而且同時利用了兩個相鄰壓電傳感器之間的交叉阻抗信息，包含了更加豐富的結構損傷信息，能夠有效提高結構損傷探測與定位的精度；對于提高海洋平臺結構安全性，降低安全隱患和運行風險，提高總體經濟效益，將產生積極的意義。以上內容是結合優選技術方案對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定發明的具體實施僅限于這些說明。對本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明的構思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發明的保護范圍。
權利要求
1 一種導管海洋平臺的結構損傷監測方法，其特征在于，利用布設于導管架海洋平臺的壓電傳感器網絡，將兩個相鄰壓電傳感器之中的一個作為主動傳感器，另外一個作為驅動器，首先對這兩個壓電傳感器進行同步掃頻激勵，然后通過阻抗分析儀測量得到主動傳感器的機電耦合阻抗或導納，根據上述阻抗信號的變化探測兩個壓電傳感器之間的損傷狀況，最后通過對整個傳感網絡覆蓋區域的掃描實現導管架海洋平臺關鍵受力或易損部位的損傷監測；具體包括以下步驟 步驟100 :根據導管架海洋平臺受力分析，確定結構關鍵受力或易損部位，將每個指定監測部位布設一組壓電傳感器網絡(2);壓電傳感器(3)以表面粘貼的方式布設于鋼質導管(I)外壁，在鋼質導管(I)及壓電傳感器(3)表面均勻涂抹環氧樹脂，進行防水絕緣處理，并且制作傳感器保護盒(4)覆蓋壓電傳感器(3)，將導線(5)由傳感器保護盒(4)中引出；步驟200 :將壓電傳感器網絡(2 )中的一個壓電傳感器(3 )通過導線(5 )連接阻抗分析儀(6 )，將與之相鄰的一個壓電傳感器(3 )通過導線(5 )連接任意波形發射器(7 ); 步驟300 :將BNC電纜(8)的一端連接任意波形發射器(7)的觸發輸出端口，將其另一端連接阻抗分析儀(6)的觸發輸入端口，并將任意波形發射器(7)的觸發模式設置為內部上升沿觸發，將阻抗分析儀(6)的觸發模式設置為外部觸發； 步驟400 :設置阻抗分析儀(6)的激勵電壓、掃頻范圍和掃頻時間，配置任意波形發射器(7)具有相同的參數，然后觸發任意波形發射器(7)開始工作，阻抗分析儀(6)受到外部觸發后也將同步激勵與之相連的壓電傳感器(3)并進行阻抗測量，直至掃頻結束； 步驟500 :對壓電傳感器網絡(2)中的其它相鄰壓電傳感器(3)重復步驟200至步驟·400，獲得整個監測區域的機電耦合阻抗或導納信號，再將其與基線或初始狀態的測量數據進行比較，根據測量阻抗信號的變化探測結構損傷的發生和位置。
全文摘要
本發明涉及結構健康監測技術領域，公開了一種導管海洋平臺的結構損傷監測方法，利用布設于導管架海洋平臺的壓電傳感器網絡，將兩個相鄰壓電傳感器之中的一個作為主動傳感器，另外一個作為驅動器，首先對這兩個壓電傳感器進行同步掃頻激勵，然后通過阻抗分析儀測量得到主動傳感器的機電耦合阻抗或導納，根據上述阻抗信號的變化探測兩個壓電傳感器之間的損傷狀況，最后通過對整個傳感網絡覆蓋區域的掃描實現導管架海洋平臺關鍵受力或易損部位的損傷監測。本發明將自阻抗與交叉阻抗信息聯合運用，提高了結構損傷探測的靈敏性與損傷定位的準確性，對于降低海洋平臺結構的安全隱患和運行風險，提高海上油田開發的總體經濟效益，將產生積極的意義。
文檔編號G01N27/02GK102944581SQ201210521369
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月7日 優先權日2012年12月7日
發明者馮新, 周晶 申請人:大連理工大學