CN102944581B - 一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构健康监测技术领域，公开了一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法，利用布设于导管架海洋平台的压电传感器网络，将两个相邻压电传感器之中的一个作为主动传感器，另外一个作为驱动器，首先对这两个压电传感器进行同步扫频激励，然后通过阻抗分析仪测量得到主动传感器的机电耦合阻抗或导纳，根据上述阻抗信号的变化探测两个压电传感器之间的损伤状况，最后通过对整个传感网络覆盖区域的扫描实现导管架海洋平台关键受力或易损部位的损伤监测。本发明将自阻抗与交叉阻抗信息联合运用，提高了结构损伤探测的灵敏性与损伤定位的准确性，对于降低海洋平台结构的安全隐患和运行风险，提高海上油田开发的总体经济效益，将产生积极的意义。

Description

一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，特别涉及一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法。

背景技术

随着我国海洋油气资源开发的快速发展，作为海上生产和生活基础设施的海洋平台数量近年来成倍增加。与陆地结构相比，海洋平台结构长期服役于复杂恶劣的海洋环境中，荷载与灾变的交互作用大大加剧了海洋平台结构安全运行的危险性，历史上曾有多次海洋平台的安全事故，造成了巨大的经济损失、恶劣的社会影响和无法挽回的环境污染。大量海洋平台安全事故显示，振动疲劳、应力腐蚀、初始缺陷、材料老化等原因造成的局部损伤是导致海洋平台结构破坏的重要原因之一。因此，监测海洋平台结构损伤的萌生与扩展，诊断结构的健康状态和抗力衰减，防止灾害事故的发生，已经成为海洋油气资源开发中亟待解决的课题，引起了国内外学术界和工程界的普遍重视。

专利CN1584582A涉及一种海洋平台结构缺陷的电磁导波检测装置和方法，具有非接触远程检测、检测效率和可靠性高、检测成本低和现场适应性强等突出优点。专利CN102520612A涉及一种海洋平台专用的自适应数据采集装置，可以采集海洋平台监测系统中传感器数据。专利CN102071661A采用铁磁性物质作为传感元件埋入天然石块或混凝土预制块封装制作具有自感知特性的磁法冲刷传感器，并将上述传感器与磁力仪复合构建冲刷监测系统，应用于水库大坝、河道堤防以及桥梁与海洋平台等重大工程结构冲刷监测与防护之中。专利CN101498688A涉及一种海洋平台无损检测方法，是一种基于结构振动的海洋平台整体无损检测方法。

作为结构智能健康监测技术的一种，基于机电阻抗的结构健康监测在近年获得了广泛关注并得到了长足发展。专利CN102435853A涉及基于机电阻抗方法监测结构健康状况的传感器，通过对机械阻抗和电阻抗耦合的机电阻抗的测量，为基于机电阻抗方法的结构健康状况监测和结构失效预测提供了必要的信息。专利CN102393407A公开了一种基于压电阻抗测量的钢管混凝土管壁界面剥离监测方法，能精确快速地找到钢管混凝土构件中无法直接通过肉眼观察的界面剥离损伤的位置和范围。发明CN101915876B涉及一种高激励电压的压电晶片电阻抗测试系统，激励电压高达10-35V，适用于大型结构和工厂的在线监测。

分析国内外研究现状及专利情况可以发现：（1）海洋平台结构健康监测研究主要针对结构整体性监测与评估，尚缺乏腐蚀、裂纹等局部损伤的监测与诊断方法；（2）基于机电阻抗的结构健康监测主要利用压电传感器的自传感实现结构损伤探测，但是机电耦合阻抗与结构机械阻抗的关系较为复杂，精确的损伤定位或定量在工程中还难以实现。

发明内容

本发明的目的是：为解决上述现有技术中的技术问题，提供一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法，来解决结构关键受力或易损部位的损伤探测与定位问题。本发明利用布设于导管架海洋平台一定部位的压电传感器网络，将两个相邻压电传感器之中的一个作为主动传感器（同时激励与传感），而另外一个则作为驱动器。测量时首先对这两个压电传感器进行同步扫频激励，然后通过阻抗分析仪测量得到主动传感器的机电耦合阻抗或导纳，并进一步分析得到该传感器位置上的等效机械阻抗或导纳，根据该等效机械阻抗或导纳信号的变化探测两个压电传感器之间的损伤发展状况，最后通过对整个传感网络覆盖区域的扫描实现导管架海洋平台关键受力或易损部位的损伤监测。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法，具体包括以下步骤：

步骤100：根据导管架海洋平台受力分析，确定结构关键受力或易损部位，将每个指定监测部位布设一组压电传感器网络2；压电传感器3以表面粘贴的方式布设于钢质导管1外壁，在钢质导管1及压电传感器3表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理，并且制作传感器保护盒4覆盖压电传感器3，将导线5由传感器保护盒4中引出；

步骤200：将压电传感器网络2中的一个压电传感器3通过导线5连接阻抗分析仪6，将与之相邻的一个压电传感器3通过导线5连接任意波形发射器7；

步骤300：将BNC电缆8的一端连接任意波形发射器7的触发输出端口，将其另一端连接阻抗分析仪6的触发输入端口，并将任意波形发射器7的触发模式设置为：内部上升沿触发，将阻抗分析仪6的触发模式设置为：外部触发；

步骤400：设置阻抗分析仪6的激励电压、扫频范围和扫频时间，配置任意波形发射器7具有相同的参数，然后触发任意波形发射器7开始工作，阻抗分析仪6受到外部触发后也将同步激励与之相连的压电传感器3并进行阻抗测量，直至扫频结束；

步骤500：对压电传感器网络2中的其它相邻压电传感器3重复步骤200至步骤400，获得整个监测区域的机电耦合阻抗或导纳信号，再将其与基线或初始状态的测量数据进行比较，根据测量阻抗信号的变化探测结构损伤的发生和位置。

有益效果：本发明将自阻抗与交叉阻抗信息联合运用，提高了结构损伤探测的灵敏性与损伤定位的准确性，可以实现导管架海洋平台结构损伤的实时在线监测，从而为海洋平台结构的安全评价与寿命预测提供科学依据，对于降低海洋平台结构的安全隐患和运行风险，提高海上油田开发的总体经济效益，将产生积极的意义。

附图说明

图1为本发明压电传感器网络示意图。

图2为本发明传感器保护盒示意图。

图3为本发明基于机电阻抗的损伤探测示意图。

附图标识：1-钢质导管，2-压电传感器网络，3-压电传感器，4-传感器保护盒，5-导线，6-阻抗分析仪，7-任意波形发生器，8-BNC电缆。

具体实施方式

本发明的基本原理是，损伤的出现和发展导致结构机械阻抗的变化，通过对结构机械阻抗的监测即可实现结构健康诊断。尽管结构的机械阻抗难以通过试验手段直接获得，但是却可以利用附着于基体结构的压电材料的正逆压电效应和机电耦合特性，通过对压电材料的电阻抗的观测间接获得结构的机械阻抗，最终实现结构的健康监测。目前常用的机电阻抗损伤监测方法属于点探测式方法，即通过对单个压电传感器机电耦合阻抗的测量探测结构损伤，所利用的仅仅是传感器位置处的结构自阻抗信息。本发明提出的方法不但可以利用传感器位置处的自阻抗信息，而且还可以同时利用两个相邻传感器之间的交叉阻抗信息，从而提高结构损伤探测与定位的准确性。

在导管架海洋平台结构的指定区域（通常是关键受力或易损部位），采用表面粘贴的方式布设一定数量的压电传感器组成压电传感网络。压电传感器是小尺寸的正方形或圆形压电片，并且都具有相同的几何、力学和压电性质。考虑到压电传感器的有限尺寸，与被附着结构相比可以认为在几何尺寸上是无限小的，那么压电传感器与结构间的相互作用力可以看作是点作用力施加在结构上。又因为传感器具有相同的几何、力学和压电性质，如果对其中的两个传感器同时施加相同的谐波扫频电压，则二者对结构的作用力可以认为是相同的。如果将被监测结构看成具有N个自由度的离散多自由度结构系统，在第                                                、两个自由度上分别有压电传感器和，并且对二者实施同步扫频激励，于是结构第个自由度上的速度响应可以表示为：

          (1)

其中，是激励频率；是谐波扫频激励荷载；是结构第个自由度上的自阻抗，而是结构第与第个自由度之间的交叉阻抗。

如果在第个自由度上的压电传感器是主动传感器，那么与之相连接的阻抗分析仪观测到的机电耦合阻抗中就包括了该点的机械阻抗信息，而这个机械阻抗应该是该自由度激励荷载与速度响应的比值，那么根据式（1）可得：

                                               （2）

其中，是结构第个自由度的等效机械阻抗。观察公式（2）可以发现，采用在第、两个自由度同时激励并且仅在第个自由度观测的方式，所获得的第个自由度上的等效机械阻抗不但包含了该自由度的自阻抗信息，而且包含了第与第个自由度之间的交叉阻抗信息，这对于结构损伤探测尤其是损伤定位而言具有重要意义。因为结构损伤不仅改变局部自阻抗，而且会改变不同自由度之间的交叉阻抗，所以公式（2）包含了比现有机电阻抗方法更加丰富的结构损伤信息，能够有效提高结构损伤探测与定位的准确性。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1-3，本发明一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法，具体包括以下步骤：

步骤100：根据导管架海洋平台受力分析，确定结构关键受力或易损部位，将每个指定监测部位布设一组压电传感器网络2；压电传感器3以表面粘贴的方式布设于钢质导管1外壁，在钢质导管1及压电传感器3表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理，并且制作传感器保护盒4覆盖压电传感器3，将导线5由传感器保护盒4中引出；

步骤200：将压电传感器网络2中的一个压电传感器3通过导线5连接阻抗分析仪6，将与之相邻的一个压电传感器3通过导线5连接任意波形发射器7；

步骤300：将BNC电缆8的一端连接任意波形发射器7的触发输出端口，将其另一端连接阻抗分析仪6的触发输入端口，并将任意波形发射器7的触发模式设置为：内部上升沿触发，将阻抗分析仪6的触发模式设置为：外部触发；

步骤400：设置阻抗分析仪6的激励电压、扫频范围和扫频时间，配置任意波形发射器7具有相同的参数，然后触发任意波形发射器7开始工作，阻抗分析仪6受到外部触发后也将同步激励与之相连的压电传感器3并进行阻抗测量，直至扫频结束；

步骤500：对压电传感器网络2中的其它相邻压电传感器3重复步骤200至步骤400，获得整个监测区域的机电耦合阻抗或导纳信号，再将其与基线或初始状态的测量数据进行比较，根据测量阻抗信号的变化探测结构损伤的发生和位置。

本发明不但利用了主动传感器的自阻抗信息，而且同时利用了两个相邻压电传感器之间的交叉阻抗信息，包含了更加丰富的结构损伤信息，能够有效提高结构损伤探测与定位的精度；对于提高海洋平台结构安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种导管架海洋平台的结构损伤监测方法，其特征在于，利用布设于导管架海洋平台的压电传感器网络，将两个相邻压电传感器之中的一个作为主动传感器，另外一个作为驱动器，首先对这两个压电传感器进行同步扫频激励，然后通过阻抗分析仪测量得到主动传感器的机电耦合阻抗或导纳，根据上述阻抗信号的变化探测两个压电传感器之间的损伤状况，最后通过对整个传感网络覆盖区域的扫描实现导管架海洋平台关键受力或易损部位的损伤监测；具体包括以下步骤：

步骤100：根据导管架海洋平台受力分析，确定结构关键受力或易损部位，将每个指定监测部位布设一组压电传感器网络（2）；压电传感器（3）以表面粘贴的方式布设于钢质导管（1）外壁，在钢质导管（1）及压电传感器（3）表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理，并且制作传感器保护盒（4）覆盖压电传感器（3），将导线（5）由传感器保护盒（4）中引出；

步骤200：将压电传感器网络（2）中的一个压电传感器（3）通过导线（5）连接阻抗分析仪（6），将与之相邻的一个压电传感器（3）通过导线（5）连接任意波形发射器（7）；

步骤300：将BNC电缆（8）的一端连接任意波形发射器（7）的触发输出端口，将其另一端连接阻抗分析仪（6）的触发输入端口，并将任意波形发射器（7）的触发模式设置为：内部上升沿触发，将阻抗分析仪（6）的触发模式设置为：外部触发；

步骤400：设置阻抗分析仪（6）的激励电压、扫频范围和扫频时间，配置任意波形发射器（7）具有相同的参数，然后触发任意波形发射器（7）开始工作，阻抗分析仪（6）受到外部触发后也将同步激励与之相连的压电传感器（3）并进行阻抗测量，直至扫频结束；

步骤500：对压电传感器网络（2）中的其它相邻压电传感器（3）重复步骤200至步骤400，获得整个监测区域的机电耦合阻抗或导纳信号，再将其与基线或初始状态的测量数据进行比较，根据测量阻抗信号的变化探测结构损伤的发生和位置。