CN110411721A - 一种海洋立管损伤定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋立管损伤定位方法及系统，包括：分别采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程，以及损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程；分别将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度；计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值；根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标；根据损伤指标进行损伤定位。本发明有益效果：本发明基于测得的损伤前后立管的应变时程进行损伤定位，无需进行模态分析，可以避免模态识别的误差对损伤定位的干扰；无需进行复杂的数学计算，只需要常规的时‑频域转换，计算简便，准确度高。

Description

一种海洋立管损伤定位方法及系统

技术领域

本发明属于基于振动的结构损伤检测技术领域，尤其涉及一种海洋立管损伤定位方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海洋立管是海洋油气钻探和输送的管线，是海洋平台结构的关键功能设施。为了减少失效风险和增加生产效益，国际各大油气公司均非常重视对海洋立管、尤其是恶劣服役环境下的深海立管进行全寿命服役期间的完整性管理。结构健康监测技术可为立管完整性管理实时提供荷载、响应和损伤的原位测试数据，为立管生产作业和风险分析提供及时反馈。近年来，欧美各大石油公司在墨西哥湾、北海、西非以及巴西临近海域进行了大量实践，结构健康监测技术在立管系统设计验证和安全预警方面具有广阔前景。由于经济性与可靠性等原因，目前还没有找到一种计算简便、对结构损伤敏感、特别适用于海洋立管的损伤定位方法。

应变是一个很常见的和结构局部刚度密切相关的指标，可以反映出局部刚度的变化，因此可用来定位结构损伤。现有的基于应变响应的损伤定位方法，主要是基于应变模态的，但通过应变响应变换得到应变模态时会产生误差，甚至存在多阶模态混淆问题，另外，结构损伤对各阶应变模态的影响也不尽相同。目前直接利用应变响应进行损伤定位的方法比较少，一般都需借助各种变换工具，或者主成分分析来得到指标参数，增加了计算的复杂性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种海洋立管损伤定位方法及系统，该方法计算简便、对结构损伤敏感且能够直接利用应变响应。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种海洋立管损伤定位方法，包括：

分别采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程，以及损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程；

分别将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度；计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值；

根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标；

根据损伤指标进行损伤定位。

在另外一些实施方式中，公开了一种海洋立管损伤定位系统，包括：

用于采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于采集损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度的模块；

用于计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值的模块；

用于根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标的模块；

用于根据损伤指标进行损伤定位的模块。

在另外一些实施方式中，公开了一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的海洋立管损伤定位方法。

在另外一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的海洋立管损伤定位方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于测得的损伤前后立管的应变时程进行损伤定位，无需进行模态分析，可以避免模态识别的误差对损伤定位的干扰；无需进行复杂的数学计算，只需要常规的时-频域转换，计算简便，准确度高。

附图说明

图1为实施例一中海洋立管损伤定位方法流程图；

图2为实施例一中立管结构模型示意图；

图3为实施例一中损伤工况1下第2单元的应变时程曲线；

图4为实施例一中损伤工况1下第2单元的应变功率谱密度；

图5为实施例一中损伤工况1下各单元的损伤指标；

图6为实施例一中损伤工况2下各单元的损伤指标；

图7为实施例一中损伤工况3下各单元的损伤指标；

图8为实施例一中损伤工况4下各单元的损伤指标。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种海洋立管损伤定位方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)针对实际海洋立管结构，将海洋立管划分为若干测点单元，通过在各测点单元布设应变片或者光纤传感器的方式，分别采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程，以及损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程；

为了能够同时验证识别结果的准确性，本实施例中，是通过建立有限元模型的方式进行数据采集的。

首先建立钢质海洋立管的有限元模型；

采用Ansys软件建立钢质海洋立管的有限元模型，如图2为简化的立管有限元模型。立管直径0.66m，壁厚0.066m，长10m。模型划分单元数n＝10，分别记为单元1～10。通过减少单元的弹性模量来模拟损伤。损伤工况如表1所示。

表1立管模拟损伤工况

(2)对立管模型施加随机波浪激励，采样频率fs为100Hz,采样时间30s。分别获取无损伤工况下，立管有限元模型各单元的应变时程和损伤工况下，立管有限元模型各单元的应变时程i＝1,2,3…,n。如图3所示为损伤工况1，第2单元的应变时程曲线。在实际工程应用中可以利用光纤光栅传感器或者应变片等测量立管各处的应变时程。

(3)将无损伤工况下，各立管单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度i＝1,2,3…,n,并进行对数变换处理得到i＝1,2,3…,n；将损伤工况下，各立管单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度i＝1,2,3…,n，并进行对数变换处理得到i＝1,2,3…,n。如图4所示为损伤工况1，第2单元的应变功率谱密度。

(4)将各单元的应变功率谱密度在范围内进行积分。其中无损伤工况下，不同单元的应变功率谱密度在范围内的积分值记为i＝1,2,3…,n；损伤工况下，不同单元的应变功率谱密度在采样频率范围内的积分值记为i＝1,2,3…,n。

(5)定义各单元的损伤指标i＝1,2,3…,n。求得不同损伤工况下，各立管单元的损伤指标DI_i。通过对比不同单元的损伤指标DI_i值，可以非常明显地识别出损伤单元。如图5所示为损伤工况1，各单元的损伤指标图，从中可以清晰地识别出第2单元发生损伤。同理，在损伤工况2、3和4下，各单元的损伤指标图如图6-8所示。同样，可以清晰地定位损伤单元。另外，从表2可以看出，对于同一个损伤单元，随着损伤程度的增大，该单元的损伤指标也逐渐增大，而对于未损伤的单元，其损伤指标都很小，而且随着损伤单元的损伤程度变化不明显。

表2单元2不同损伤程度时各单元的损伤指标

实施例二

在一个或多个实施例中，公开了一种海洋立管损伤定位系统，包括：

用于采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于采集损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度的模块；

用于计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值的模块；

用于根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标的模块；

用于根据损伤指标进行损伤定位的模块。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的海洋立管损伤定位方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例一中的海洋立管损伤定位方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种海洋立管损伤定位方法，其特征在于，包括：

分别采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程，以及损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程；

分别将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度；计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值；

根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标；

根据损伤指标进行损伤定位。

2.如权利要求1所述的一种海洋立管损伤定位方法，其特征在于，计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值，具体为：

将无损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度并进行对数变换处理得到对处理后的应变功率谱密度在范围内的积分值记为

将损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度并进行对数变换处理得到对处理后的应变功率谱密度在范围内的积分值记为

3.如权利要求2所述的一种海洋立管损伤定位方法，其特征在于，求取不同损伤工况下，各立管单元的损伤指标，具体为：

其中，i＝1,2,3…,n。

4.如权利要求1所述的一种海洋立管损伤定位方法，其特征在于，根据损伤指标进行损伤定位，具体为：

对于同一个损伤单元，随着损伤程度的增大，该单元的损伤指标也逐渐增大；

对于未损伤的单元，其损伤指标都小于设定阈值，而且随着损伤单元的损伤程度增大，其损伤指标变化不明显。

5.一种海洋立管损伤定位系统，其特征在于，包括：

用于采集无损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于采集损伤工况下海洋立管各测点单元的应变时程的模块；

用于将无损伤工况下和损伤工况下，海洋立管各测点单元的应变时程转换为相应单元的应变功率谱密度的模块；

用于计算不同测点单元的应变功率谱密度在设定范围内的积分值的模块；

用于根据求得的积分值，求取不同损伤工况下，海洋立管各测点单元的损伤指标的模块；

用于根据损伤指标进行损伤定位的模块。

6.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-4任一项所述的海洋立管损伤定位方法。

7.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的海洋立管损伤定位方法。