導管架監測方法
【專利摘要】本發明提供了一種導管架監測方法，包括如下步驟：步驟1：建立導管架的有限元模型，計算導管架受力最大點，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測計算機；步驟3：選取風平浪靜的海況時，計算傳感器的結構應力，根據所述結構應力對傳感器進行調零并采用溫度補償傳感器對傳感器的溫度應力進行溫度補償；步驟4：監測計算機實時獲取傳感器的檢測數據并對檢測數據進行分析。所述步驟4中采用敏感度分析或橫向比較對檢測數據進行分析。本發明能夠實時監測并定位導管架發生的結構損傷。
【專利說明】導管架監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及結構健康監測【技術領域】與海洋工程領域，具體地，涉及一種導管架監測方法。
【背景技術】
[0002]海洋導管架平臺是一類海洋工程結構物，它為開發和利用海洋資源提供了海上作業與生活的場所。海洋平臺與導管架結構長期服役于惡劣的海洋環境中，承受來自海洋環境的各種載荷、如風載荷、波浪載荷、冰載荷等和上部組塊及鉆采設備等自身載荷的交互作用，此外有時還要遭受到地震、臺風、海嘯、船舶等的破壞。這些載荷產生的承載力和振動會直接影響平臺和導管架結構的強度與壽命以及運動特性，甚至造成平臺的倒塌與傾覆，后果十分嚴重。
[0003]目前海洋導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。兩種措施相互結合在一定程度上反映了平臺結構狀況，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；計算評估是采用計算機軟件進行建模運算，是一種偏理論的方法，并且建模中采用數據的真實性和合理性(經常是最難明確的)直接影響評估結果。兩種措施各有不同，相互結合只能在一定程度上反映平臺結構狀況。
[0004]對導管架平臺健康狀況進行實時在線準確的評估，對結構的安全性、完整性進行實時的監測，從而對受損桿件及早進行定位和修復，可以降低海上油氣事故的發生率，減小經濟損失。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”監測，不能在惡劣海況下實現結構完整性和安全性的在線實時監測。與此相比，采用結構的振動響應數據，包括結構固有頻率、固有陣型、模態應變能等，來識別和診斷結構的損傷，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，不規則波浪的有色噪聲和測試噪聲對模態識別存在干擾，對診斷結果影響很大。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種導管架監測方法。
[0006]本發明提出了兩種在役導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導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力會與無損時不同。通過計算結果統計出各桿件應力的這種變化，發現不同桿件失效時的敏感桿件組合各不相同，即每個桿件失效導致的應力變化是唯一的，通過實時檢測這些比較敏感桿件的響應情況，最終對導管架平臺的安全性進行實時診斷，并可以進一步根據采集到的應力大小判斷導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系的自身比較，橫向比較是以空間為關系的同一時間不同桿件間的橫向比較。如某一桿件發生損傷，則桿件間的應力在大小、幅值與頻率的相互關系上都會發生變化，且這種變化具有特殊性和唯一性，通過監測比較這種相互關系，來確定損傷的發生以及損傷的位置。
[0007]根據本發明提供的導管架監測方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:建立導管架的有限元模型，計算導管架受力最大點，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測計算機；
[0010]步驟3:選取風平浪靜的海況時，計算安裝位置的結構應力，根據所述結構應力對傳感器進行調零并采用溫度補償傳感器對傳感器的溫度應力進行溫度補償；
[0011]步驟4:監測計算機實時獲取傳感器的檢測數據并對檢測數據進行分析。
[0012]優選地，所述步驟4中采用敏感度分析和/或橫向比較對檢測數據進行分析。
[0013]優選地，所述溫度補償法具體為采用導管架材料的熱膨脹系數以及傳感器的溫度敏感系數來計算溫度應力，在傳感器的輸出值中進行補償或采用貼在同導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行補償。
[0014]優選地，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，并施加相應的預應力；
[0016]步驟2.2:將多個傳感器的焊接基座焊接在所述導管架的桿件上；
[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設備，進而接入檢測計算機。
[0018]優選地，所述傳感器采用光纖FBG傳感器。
[0019]優選地，所述走線管和所述焊接基座采用犧牲陽極法進行防腐蝕。
[0020]優選地，所述安裝位置具體為導管架的斜撐桿件的桿端或水平撐桿件的桿端。
[0021]優選地，還包括如下步驟:
[0022]-計算不同風、浪、流環境下各安裝位置在導管架健康情況下的應力數據。
[0023]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0024]1、本發明能夠實時監測并定位導管架發生的結構損傷；
[0025]2、本發明較為簡單，成本低且局限性小；
[0026]3、本發明采用敏感度分析和橫向比較對檢測數據進行分析，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施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0028]圖1為本發明的原理流程圖；
[0029]圖2為本發明的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0031 ] 本發明對于結構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力關系，結構處于相互對稱分布的兩桿件其應力在大小、頻率與幅值均處于相似狀態，如果有結構損傷破壞了結構上的對稱性，其應力會產生較大不同，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有應力與健康狀態應力的關系，將桿件測量應力與有限元計算和歷史數據共同確定的健康應力進行比較，如結構發生損傷，發生損傷的桿件本身以及其周圍桿件應力與健康應力相比會發生較大變化。
[0032]兩種比較主要基于對應力信號進行時域分析與頻域分析的結果。時域分析主要通過統計分析方法分析應力平均值、應力幅值，頻域分析主要通過傅里葉變換分析應力譜峰周期、應力有義波高。
[0033]在本實施例中，本發明提供的導管架監測方法包括如下步驟:
[0034]步驟1:建立導管架的有限元模型，計算導管架受力最大點，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測計算機；
[0036]步驟3:選取風平浪靜的海況時，利用ANSYS計算安裝位置的結構應力，根據所述結構應力對傳感器進行調零并采用溫度補償傳感器對傳感器的溫度應力進行溫度補償；
[0037]步驟4:監測計算機實時獲取傳感器的檢測數據并對檢測數據進行分析。風平浪靜的海況為風級小于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據進行分析。所述傳感器采用光纖FBG傳感器。監測計算機根據設計的監測程序，監測桿件的健康狀況。采用兩種監測方式進行實時監測，如果其中一種監測方式監測出問題，則系統報警，并定位出損傷的位置，以供進行實地監測。計算機分析處理實時數據、進行實時監測的同時，將歷史數據存入數據庫，以幫助監測損傷。同時針對導管架的疲勞使用壽命進行預報。
[0039]傳感器需要進行溫度補償，以消除溫度應力的成分，提取結構應力的成分，所述溫度補償法具體為采用導管架材料的熱膨脹系數以及傳感器的溫度敏感系數來計算溫度應力，在傳感器的輸出值中進行補償或采用貼在同導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行補償。
[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傳感器施加相應的預應力；
[0042]步驟2.2:潛水員清理導管架上安裝光纖FBG傳感器位置的附著物，將帶狀環套在測量截面，將三個傳感器的焊接基座通過水下焊接焊接在所述導管架的桿件上的監測點上；
[0043]步驟2.3:在導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設備，進而接入檢測計算機。
[0044]由于光纖的安裝裝置使用的材料與導管架材料不一樣，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。具體安裝桿件為應力大且易發生損傷的主要斜撐、水平撐桿件。
[0046]-計算不同風、浪、流環境下各安裝位置在導管架健康情況下的應力數據。
[0047]當測量已投產導管架的桿件應力，在傳感器安裝時桿件已經有應變，因此需要對傳感器初始應變進行校正。校正通過在無風浪的小載荷下，以ANSYS有限元計算的應力為真實應力，對光纖FBG傳感器進行調零。
[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]一個監測點的監測截面安裝三個傳感器以更好的測量桿件截面的應力狀況，將桿件應力分成拉壓應力與彎曲應力兩部分，用三個角度固定的傳感器獲得的應變數據，計算出截面拉應力與彎矩，并計算出截面最大應力，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:建立導管架的有限元模型，計算平臺受力最大點，即危險點，建立敏感性分析數據庫；根據實際結構特點與有限元計算結果，確定傳感器的安裝位置；計算不同風、浪、流環境下各監測點在平臺健康情況下的應力數據。
[0051]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種導管架監測方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:建立導管架的有限元模型，計算導管架受力最大點，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測計算機； 步驟3:選取風平浪靜的海況時，計算安裝位置的結構應力，根據所述結構應力對傳感器進行調零并采用溫度補償傳感器對傳感器的溫度應力進行溫度補償； 步驟4:監測計算機實時獲取傳感器的檢測數據并對檢測數據進行分析。
2.根據權利要求1所述的導管架監測方法，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據進行分析。
3.根據權利要求1所述的導管架監測方法，其特征在于，所述溫度補償法具體為采用導管架材料的熱膨脹系數以及傳感器的溫度敏感系數來計算溫度應力，在傳感器的輸出值中進行補償或采用貼在同導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行補償。
4.根據權利要求1所述的導管架監測方法，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，并施加相應的預應力； 步驟2.2:將多個傳感器的焊接基座焊接在所述導管架的桿件上； 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設備，進而接入檢測計算機。
5.根據權利要求1所述的導管架監測方法，其特征在于，所述傳感器采用光纖FBG傳感器。
6.根據權利要求4所述的導管架監測方法，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行防腐蝕。
7.根據權利要求1所述的導管架監測方法，其特征在于，所述安裝位置具體為導管架的斜撐桿件的桿端或水平撐桿件的桿端。
8.根據權利要求1所述的導管架監測方法，其特征在于，還包括如下步驟: -計算不同風、浪、流環境下各安裝位置在導管架健康情況下的應力數據。
【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 優先權日:2014年11月10日
【發明者】朱一飛, 付世曉, 侯春曉, 吳劍橋 申請人:上海交通大學