基于动力指纹的导管架型海洋平台损伤识别技术分析-analysis of damage identification technology for jacket offshore platform based on dynamic fingerprint.docxVIP

第一章 绪论1.1 选题背景和意义 我国拥有海域面积达 473 万平方公里，各大海域都蕴藏着丰富的石油和天然气资源， 随着我国陆地油气资源的减少，海上油气资源的开发显得尤为重要，海上油田的地位也变 得越来越重要。开发海上油气田，需要有钻井和采油的海上平台。钢质导管架平台通过打 桩的方法固定于海底，具有稳定性好和自持能力强的特点，它是目前海上油田中使用最广 泛的一种平台。自 1947 年第一次被用在墨西哥湾 6m 水深的海域以来，发展十分迅速，到 1978 年，其工作水深己达 312m 据近一些年来的报道，己有一些钢质导管架平台的工作水 深超过了 500m。 1966 年 12 月底，我国第一座固定式平台被成功地安装在渤海湾水深 6m 处的油田上。从此以后，我国先后在渤海湾水深 6-25m 范围设计和安装了 100 多座固定式 平台。固定式平台的迅速发展，创造了巨大的社会经济效益，对国民经济的发展起到了重 要的推动作用。同时，海上平台的安全问题也受到越来越多的重视。作为海上石油资源开 发的大型基础性设施，海洋平台是海上生产作业和生活的基地，其所处的环境十分复杂、 恶劣，平台结构在海洋中长期承受着风、浪、流、冰及地震等多种环境因素的干扰，在其 长期的影响下，造成结构的老化、腐蚀和疲劳损伤等。而且结构的某些重要部件一旦发生 损伤，在极端恶劣海况下，尤其是遇到巨大的风暴潮，破坏范围会迅速扩展，可能很快导 致整个结构的失效。损伤引起整个结构系统破坏的案例数不胜数。例如，1994 年韩国汉城 市中心的一座桥梁因结构内部受损而倒塌[1]；1999 年 1 月重庆的彩虹大桥倒塌，导致 41 人死亡，14 人受伤的悲剧；2004 年 6 月，辽宁省盘锦辽河大桥发生坍塌，造成一辆货车， 一辆轿车和一辆四轮车同时落入水中，造成多人死亡，交通中断。海洋平台结构的失效破 坏会直接危及平台上人员的生命安全，并造成直接的重大经济损失和严重的海洋环境污染 以及社会影响。因此，了解平台结构的安全运行状况是一项非常重要且有实际工程意义的 工作。虽然在海洋平台结构损伤诊断和实时监测的健康监测系统研究方面取得了一定的进 展，但尚未达到实际应用的水平，仍然存在许多问题有待解决。我国于 70 年代中期才开 始对工程结构检测技术和评估方法的研究，虽然起步较国际上晚，但开发研究了许多符合 我国国情的诊断方法与技术。随着社会经济的发展，大型复杂结构的大量涌现，对复杂结 构的损伤监测与检测技术进行研究是非常有必要的，而探究损伤检测的数据处理方法和健 康监测技术，对于今后结构健康监测系统的研制与开发打下了坚实的基础，也提供了广阔 的应用空间和坚实的工程背景。通常所用的无损检测方法是目测，对于如构件断裂等大变形目测可能判定损伤。然而， 对于材料老化造成的损伤，在不可靠近的区域是很难利用目测检测损伤的，所以目测进行 无损检测是不可靠的。其它无损检测技术，如 X 光检测、超声检测等方法属于结构局部损 伤检测方法不适用海洋平台结构的无损检测。基于结构动力特性变化的诊伤算法被认为是 最有发展前景的结构全局诊伤方法，发展基于概率统计意义上的诊伤算法显得更加贴合实 际，此外，结构全局性诊伤算法与传统的局部诊伤算法相结合的结构健康监测技术不失为一个较好的发展方向[2]。虽然基于振动的损伤检测方法由于经济、简单对结构物无损害而 得到了人们的认可和应用，但是目前仍缺乏有效的基于动力指纹的海洋平台损伤检测与识 别技术。基于此，在国家自然科学基金、教育部重点科技项目和福建省高等 学校新世纪优秀人才支持计划的资助下，开展本方面的理论和实验研究，对于今后该类海 洋平台的状态评估和安全性评定具有十分重要的理论和现实指导意义。1.2 损伤识别技术的研究现状 图 1.1 损伤检测技术分类 图 1.2 无损检测技术分类 损伤检测方法大体上可分为两大类，即有损检测和无损检测，具体的分类可参见图 1.1、1.2 有损伤检测会造成结构的局部破坏，因此该方法在实际应用中受到了限制。相对有损伤检测，无损检测方法具有简单、效率高等优点，在结构损伤检测中应用较广，目前有多 种无损检测方法，如目测法，光谱法、超声波法、雷达法等，这些方法都属于局部损伤检 测方法，大都需预先知道损伤的大概位置作为条件，而这对海洋平台来说难以满足，此外， 差的视觉条件及海洋生物的覆盖，都导制了用局部损伤检测方法检测海洋平台结构损伤的 不可行性。基于这点动力响应的结构无损检测展现出了强大的优势。基于振动响应分析的 结构损伤检测方法能检测出结构中是否存在损伤、损伤的位置和程度，弥补了上述传统的 结构损伤检测方法的不足，满足了人们对大型复杂结构进行损伤检测的需求。基于振动的 结构损伤识别方法从研究和应用的角度可分为模型修正法和动力指纹