导管架监测方法
【专利摘要】本发明提供了一种导管架监测方法，包括如下步骤：步骤1：建立导管架的有限元模型，计算导管架受力最大点，从而确定传感器的安装位置；步骤2：将传感器安装在所述安装位置上并将传感器接入监测计算机；步骤3：选取风平浪静的海况时，计算传感器的结构应力，根据所述结构应力对传感器进行调零并采用温度补偿传感器对传感器的温度应力进行温度补偿；步骤4：监测计算机实时获取传感器的检测数据并对检测数据进行分析。所述步骤4中采用敏感度分析或横向比较对检测数据进行分析。本发明能够实时监测并定位导管架发生的结构损伤。
【专利说明】导管架监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及结构健康监测【技术领域】与海洋工程领域，具体地，涉及一种导管架监测方法。
【背景技术】
[0002]海洋导管架平台是一类海洋工程结构物，它为开发和利用海洋资源提供了海上作业与生活的场所。海洋平台与导管架结构长期服役于恶劣的海洋环境中，承受来自海洋环境的各种载荷、如风载荷、波浪载荷、冰载荷等和上部组块及钻采设备等自身载荷的交互作用，此外有时还要遭受到地震、台风、海嘯、船舶等的破坏。这些载荷产生的承载力和振动会直接影响平台和导管架结构的强度与寿命以及运动特性，甚至造成平台的倒塌与倾覆，后果十分严重。
[0003]目前海洋导管架平台主要采取两方面措施来了解平台状况，其一是定期检测，其二是计算评估。两种措施相互结合在一定程度上反映了平台结构状况，但也存在明显的不足。定期检测(尤其是水下检测)难度大成本高，周期间隔较长，覆盖范围有限，并且采用的检测方法多以目视为主，辅之以部分无损检测技术；计算评估是采用计算机软件进行建模运算，是一种偏理论的方法，并且建模中采用数据的真实性和合理性(经常是最难明确的)直接影响评估结果。两种措施各有不同，相互结合只能在一定程度上反映平台结构状况。
[0004]对导管架平台健康状况进行实时在线准确的评估，对结构的安全性、完整性进行实时的监测，从而对受损杆件及早进行定位和修复，可以降低海上油气事故的发生率，减小经济损失。然而，依靠人工检测或者ROV检测、超声波法、放射法检测，只能是“事后”监测，不能在恶劣海况下实现结构完整性和安全性的在线实时监测。与此相比，采用结构的振动响应数据，包括结构固有频率、固有阵型、模态应变能等，来识别和诊断结构的损伤，是一种研究较多而且成本低的无损检测方法。但是这种方法有一定的局限性，不规则波浪的有色噪声和测试噪声对模态识别存在干扰，对诊断结果影响很大。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种导管架监测方法。
[0006]本发明提出了两种在役导管架平台的损伤在线识别方法，即敏感度分析方法以及杆件间横向比较方法。敏感度分析方法其原理是当导管架平台上某一重要支撑杆件失效时，其本身及周围的某一些特定的杆件的应力会与无损时不同。通过计算结果统计出各杆件应力的这种变化，发现不同杆件失效时的敏感杆件组合各不相同，即每个杆件失效导致的应力变化是唯一的，通过实时检测这些比较敏感杆件的响应情况，最终对导管架平台的安全性进行实时诊断，并可以进一步根据采集到的应力大小判断导管架平台的损伤情况。杆件横向比较方法是相对于敏感度分析的纵向比较方法来说的，敏感度分析是以时间为先后关系的自身比较，横向比较是以空间为关系的同一时间不同杆件间的横向比较。如某一杆件发生损伤，则杆件间的应力在大小、幅值与频率的相互关系上都会发生变化，且这种变化具有特殊性和唯一性，通过监测比较这种相互关系，来确定损伤的发生以及损伤的位置。
[0007]根据本发明提供的导管架监测方法，包括如下步骤:
[0008]步骤1:建立导管架的有限元模型，计算导管架受力最大点，从而确定传感器的安装位置；
[0009]步骤2:将传感器安装在所述安装位置上并将传感器接入监测计算机；
[0010]步骤3:选取风平浪静的海况时，计算安装位置的结构应力，根据所述结构应力对传感器进行调零并采用温度补偿传感器对传感器的温度应力进行温度补偿；
[0011]步骤4:监测计算机实时获取传感器的检测数据并对检测数据进行分析。
[0012]优选地，所述步骤4中采用敏感度分析和/或横向比较对检测数据进行分析。
[0013]优选地，所述温度补偿法具体为采用导管架材料的热膨胀系数以及传感器的温度敏感系数来计算温度应力，在传感器的输出值中进行补偿或采用贴在同导管架相同材料的空载参考物上的参考传感器的输出值，对传感器的测量值进行补偿。
[0014]优选地，所述步骤2具体包括如下步骤:
[0015]步骤2.1:将传感器安装于的焊接基座上，并施加相应的预应力；
[0016]步骤2.2:将多个传感器的焊接基座焊接在所述导管架的杆件上；
[0017]步骤2.3:焊接走线管，将连接传感器的光纤通过所述走线管接入解调设备，进而接入检测计算机。
[0018]优选地，所述传感器采用光纤FBG传感器。
[0019]优选地，所述走线管和所述焊接基座采用牺牲阳极法进行防腐蚀。
[0020]优选地，所述安装位置具体为导管架的斜撑杆件的杆端或水平撑杆件的杆端。
[0021]优选地，还包括如下步骤:
[0022]-计算不同风、浪、流环境下各安装位置在导管架健康情况下的应力数据。
[0023]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0024]1、本发明能够实时监测并定位导管架发生的结构损伤；
[0025]2、本发明较为简单，成本低且局限性小；
[0026]3、本发明采用敏感度分析和横向比较对检测数据进行分析，提供可检测精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0028]图1为本发明的原理流程图；
[0029]图2为本发明的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0031 ] 本发明对于结构健康的检测基于敏感度分析与横向比较两种方式。横向比较即比较相对称两杆件的应力关系，结构处于相互对称分布的两杆件其应力在大小、频率与幅值均处于相似状态，如果有结构损伤破坏了结构上的对称性，其应力会产生较大不同，且这种不同在施加不同方向外载荷时都很相似。敏感度分析即比较杆件现有应力与健康状态应力的关系，将杆件测量应力与有限元计算和历史数据共同确定的健康应力进行比较，如结构发生损伤，发生损伤的杆件本身以及其周围杆件应力与健康应力相比会发生较大变化。
[0032]两种比较主要基于对应力信号进行时域分析与频域分析的结果。时域分析主要通过统计分析方法分析应力平均值、应力幅值，频域分析主要通过傅里叶变换分析应力谱峰周期、应力有义波高。
[0033]在本实施例中，本发明提供的导管架监测方法包括如下步骤:
[0034]步骤1:建立导管架的有限元模型，计算导管架受力最大点，从而确定传感器的安装位置；
[0035]步骤2:将传感器安装在所述安装位置上并将传感器接入监测计算机；
[0036]步骤3:选取风平浪静的海况时，利用ANSYS计算安装位置的结构应力，根据所述结构应力对传感器进行调零并采用温度补偿传感器对传感器的温度应力进行温度补偿；
[0037]步骤4:监测计算机实时获取传感器的检测数据并对检测数据进行分析。风平浪静的海况为风级小于3级、浪高小于0.6m。
[0038]所述步骤4中采用敏感度分析和横向比较对检测数据进行分析。所述传感器采用光纤FBG传感器。监测计算机根据设计的监测程序，监测杆件的健康状况。采用两种监测方式进行实时监测，如果其中一种监测方式监测出问题，则系统报警，并定位出损伤的位置，以供进行实地监测。计算机分析处理实时数据、进行实时监测的同时，将历史数据存入数据库，以帮助监测损伤。同时针对导管架的疲劳使用寿命进行预报。
[0039]传感器需要进行温度补偿，以消除温度应力的成分，提取结构应力的成分，所述温度补偿法具体为采用导管架材料的热膨胀系数以及传感器的温度敏感系数来计算温度应力，在传感器的输出值中进行补偿或采用贴在同导管架相同材料空载参考物上的参考传感器的输出值，对传感器的测量值进行补偿。
[0040]所述步骤2具体包括如下步骤:
[0041]步骤2.1:将封装好的光纤FBG传感器已经在水面上安装于带有锌块的的焊接基座上，并通过螺母对光纤FBG传感器施加相应的预应力；
[0042]步骤2.2:潜水员清理导管架上安装光纤FBG传感器位置的附着物，将带状环套在测量截面，将三个传感器的焊接基座通过水下焊接焊接在所述导管架的杆件上的监测点上；
[0043]步骤2.3:在导管架各处焊接走线管，将连接传感器的光纤通过所述走线管接入解调设备，进而接入检测计算机。
[0044]由于光纤的安装装置使用的材料与导管架材料不一样，因此所述走线管和所述焊接基座采用牺牲阳极法进行防腐蚀。
[0045]出于控制成本的考虑，只选取几根重要杆件，在其杆端安装传感器。具体安装杆件为应力大且易发生损伤的主要斜撑、水平撑杆件。
[0046]-计算不同风、浪、流环境下各安装位置在导管架健康情况下的应力数据。
[0047]当测量已投产导管架的杆件应力，在传感器安装时杆件已经有应变，因此需要对传感器初始应变进行校正。校正通过在无风浪的小载荷下，以ANSYS有限元计算的应力为真实应力，对光纤FBG传感器进行调零。
[0048]光纤的布线采用走线管，以减小水动力对线缆的影响，提高光纤的使用寿命。
[0049]一个监测点的监测截面安装三个传感器以更好的测量杆件截面的应力状况，将杆件应力分成拉压应力与弯曲应力两部分，用三个角度固定的传感器获得的应变数据，计算出截面拉应力与弯矩，并计算出截面最大应力，三传感器通过的安装装置定位并安装。
[0050]所述步骤I具体为:建立导管架的有限元模型，计算平台受力最大点，即危险点，建立敏感性分析数据库；根据实际结构特点与有限元计算结果，确定传感器的安装位置；计算不同风、浪、流环境下各监测点在平台健康情况下的应力数据。
[0051]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种导管架监测方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:建立导管架的有限元模型，计算导管架受力最大点，从而确定传感器的安装位置； 步骤2:将传感器安装在所述安装位置上并将传感器接入监测计算机； 步骤3:选取风平浪静的海况时，计算安装位置的结构应力，根据所述结构应力对传感器进行调零并采用温度补偿传感器对传感器的温度应力进行温度补偿； 步骤4:监测计算机实时获取传感器的检测数据并对检测数据进行分析。
2.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，所述步骤4中采用敏感度分析和/或横向比较对检测数据进行分析。
3.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，所述温度补偿法具体为采用导管架材料的热膨胀系数以及传感器的温度敏感系数来计算温度应力，在传感器的输出值中进行补偿或采用贴在同导管架相同材料的空载参考物上的参考传感器的输出值，对传感器的测量值进行补偿。
4.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下步骤: 步骤2.1:将传感器安装于的焊接基座上，并施加相应的预应力； 步骤2.2:将多个传感器的焊接基座焊接在所述导管架的杆件上； 步骤2.3:焊接走线管，将连接传感器的光纤通过所述走线管接入解调设备，进而接入检测计算机。
5.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，所述传感器采用光纤FBG传感器。
6.根据权利要求4所述的导管架监测方法，其特征在于，所述走线管和所述焊接基座采用牺牲阳极法进行防腐蚀。
7.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，所述安装位置具体为导管架的斜撑杆件的杆端或水平撑杆件的杆端。
8.根据权利要求1所述的导管架监测方法，其特征在于，还包括如下步骤: -计算不同风、浪、流环境下各安装位置在导管架健康情况下的应力数据。
【文档编号】G01M13/00GK104374556SQ201410628997
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】朱一飞, 付世晓, 侯春晓, 吴剑桥 申请人:上海交通大学