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中科院力學(xué)所
怎樣才能確保海洋平臺結(jié)構(gòu)健康？——談?wù)劷Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及其方法的研究
力學(xué)園地
2015年12月25日怎樣才能確保海洋平臺結(jié)構(gòu)健康？
——談?wù)劷Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及其方法的研究 ？
吳永禮
（中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100190）
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是對結(jié)構(gòu)物進(jìn)行實時、無損和全面的損傷評估技術(shù)。它是利用實測的結(jié)構(gòu)物動力響應(yīng)信號，提取結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)或與結(jié)構(gòu)本身參數(shù)相關(guān)的指標(biāo)，并由此推斷結(jié)構(gòu)損傷情況。它是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的逆問題，屬傳感器技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、信號處理技術(shù)、概率統(tǒng)計、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等交叉領(lǐng)域。 Housner等人將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測定義為一種從營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)中獲取并處理數(shù)據(jù)，評估結(jié)構(gòu)的主要性能指標(biāo)(如可靠性、耐久性等)的有效方法。健康診斷基本目標(biāo)是由實測信號識別結(jié)構(gòu)損傷。關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷識別的目標(biāo)，Sohn 和Farrar人提出損傷識別的5個層次: 識別結(jié)構(gòu)中是否有損傷產(chǎn)生，確定損傷位置，識別損傷類型，量化損傷的嚴(yán)重程度，確定結(jié)構(gòu)物的剩余壽命。目前的損傷識別研究中能達(dá)到第三、四、五層次的較少。本文首先介紹海洋平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性，然后給出海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的現(xiàn)狀以及所面臨的主要問題。
1 海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性
1.1結(jié)構(gòu)損傷帶來的巨大災(zāi)難和損失
1967年Sedco135型半潛式三角型平臺在進(jìn)行采油作業(yè)時，其尾部的水平撐桿破壞。
同年5月，在美國墨西哥灣，Rangerl號自升式鉆井平臺后腿柱破壞失效，致使平臺失去平衡，甲板傾斜墜落，并使前腿彎折屈曲而導(dǎo)致整座平臺最終完全破壞。
1980年3月，北海的一座生活供應(yīng)平臺A.L.elland號撐桿處的水聲器支座萌生的疲勞裂紋發(fā)生擴展，致使撐桿折斷破壞，并導(dǎo)致與所支撐的承重腿柱相連的其它五根撐桿也因過載而破壞，隨后承重腿柱失穩(wěn)，平臺失去平衡，幾十分鐘后平臺全部傾覆，123人喪生，造成巨大的經(jīng)濟損失。
1982年，加拿大“海洋探索者”號(Oceean Ranger)半潛式平臺沉沒，死亡84人。
2001年，當(dāng)時世界上最大的半浮動式海上油井平臺，巴西P-36號平臺沉入大西洋底（見圖1）。該平臺耗資3.6億美元，僅事故造成的油井停產(chǎn)就使巴西每天損失300多萬美元，該平臺的沉沒不僅給巴西造成了巨大的經(jīng)濟損失，還帶來了環(huán)境污染問題。
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圖1 巴西P-36號平臺沉入大海
2005年3月15日，巴西Roneador油田(離巴西120km，水深1350m，儲量30億桶)采油平臺因天然氣泄漏，發(fā)生三次爆炸，雖經(jīng)現(xiàn)場26艘船多日施救，但在3月20晚上9點30分翻轉(zhuǎn)90 ，沉人海底，造成11人死亡的重大事故。該平臺是1994年建造，于1999年10月耗資3.56億美元改建21口井的采油平臺，2000年5月投產(chǎn)。2005年事故發(fā)生時才投產(chǎn)6口井，每天產(chǎn)油8.4萬桶、天然氣130萬方。
圖2 印度海洋平臺發(fā)生火災(zāi)
我國于1966年12月底成功地在渤海灣安裝了第一座導(dǎo)管架平臺。雖然從那時算起，我國海洋平臺發(fā)展史不過僅30多年，然而事故也不少。比如：1969年我國“渤海2號”平臺被海冰推倒，并使1號平臺嚴(yán)重受損，造成直接經(jīng)濟損失2000多萬元；1974年海冰推倒了“渤海4號”平臺的烽火臺；我國從日本進(jìn)口的“渤海2號”自升式平臺，1979年在渤海灣傾覆沉沒，死亡72人；;我國“爪哇?！?span style="font-family: Times New Roman">(Glomar Java sea)鉆井船，1983年在南海的鶯歌海海域沉沒，死亡81人。除此之外，多個平臺在風(fēng)浪、海流和地震作用下產(chǎn)生過劇烈的振動。
1.2 海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的必要性
海洋平臺作為海上油田開發(fā)的主要設(shè)備，其投資占到了海洋石油開采總投資的70%左右，一旦發(fā)生事故，不僅會帶來重大的經(jīng)濟損失和人身傷亡，而且還會帶來不良的社會政治影響和惡劣的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。其目前所面臨的問題主要有:
海洋平臺重量大而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長周期在苛刻的腐蝕性環(huán)境條件下使用的大型工程結(jié)構(gòu)物，其水下部分結(jié)構(gòu)長期受到海水及海生物的侵蝕、凍融損壞、堿集料反應(yīng)和化學(xué)物質(zhì)侵襲、地基沖刷等環(huán)境載荷的作用，使得結(jié)構(gòu)的承載力會隨著時間推移而降低。特別是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕損害而引起的平臺耐久性問題，已成為一個突出的災(zāi)害性問題;
海嘯、臺風(fēng)、過往船只撞擊海洋平臺、火災(zāi)、天然氣泄漏發(fā)生爆炸等偶然事件時有發(fā)生，極大威脅著平臺的正常使用和耐久性;
半潛式平臺的浮體與柱、柱與甲板連接處，張力腿平臺的浮體與柱、張力腿與浮體連接處以及支撐半潛式、張力腿甲板的剛架結(jié)構(gòu)均是受力極大的危險區(qū)域，如果結(jié)構(gòu)不連續(xù)、加工或焊接上的缺陷，易形成應(yīng)力集中，焊接殘余應(yīng)力也會造成材料的局部塑性變形，這樣在交變載荷、海水腐蝕等作用下，接頭的高應(yīng)力危險區(qū)將會發(fā)生疲勞裂紋，并逐漸擴大而導(dǎo)致整個節(jié)點的破壞。另外，由于平臺所采用的材料往往含有微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷(微裂紋和微孔洞)會“成核”、發(fā)展及合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。疲勞損傷是平臺設(shè)計中的核心問題，已經(jīng)發(fā)生不少海洋平臺由于結(jié)構(gòu)連接節(jié)點處出現(xiàn)疲勞破壞而引起垮塌的案例。早期疲勞損傷往往不易被監(jiān)測到，但其帶來的后果是災(zāi)難性的。
考慮到安全、環(huán)保和經(jīng)濟效益等各方面的因素:一方面不可能大量地拆除舊平臺而改建新平臺; 另一方面，人們還缺乏一整套有效的平臺監(jiān)測和管理系統(tǒng)，幫助管理者維護(hù)平臺。
隨著石油開采向海洋發(fā)展，海洋平臺的數(shù)量成倍增加，合適的設(shè)計方法確保結(jié)構(gòu)能夠抵抗住不可預(yù)測的載荷造成的損傷，但是損傷在海洋平臺結(jié)構(gòu)的服役期間是不可避免的。確保人的生命安全和減少財產(chǎn)損失的唯一方法是：診斷出結(jié)構(gòu)的損傷，并能及時進(jìn)行修復(fù)。由此可見，提高海洋平臺結(jié)構(gòu)及設(shè)備的可靠性，確保海洋作業(yè)安全的問題日益突出，新平臺的質(zhì)量評價、舊平臺的殘余壽命估計和在役平臺的結(jié)構(gòu)安全保證將成為日益突出的問題，海洋平臺結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與損傷診斷已成為刻不容緩的重要課題，而且，這一技術(shù)的發(fā)展將帶動陸地重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
2. 海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀
關(guān)于海洋平臺結(jié)構(gòu)健康檢測的研究開始于20世紀(jì)70年代，但到目前為止研究工作還開展得不多，采用的方法也各異，可以分為“局部損傷檢測法”和基于振動的“整體損傷探測法”，而基于振動的平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是目前研究的熱點。海洋平臺結(jié)構(gòu)實時自動化監(jiān)測技術(shù)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集、處理、分析，確定平臺的安全狀態(tài)，具有快捷、省時、精度高、實時控制等優(yōu)點受到越來越多的重視。海洋平臺監(jiān)測系統(tǒng)主要包括海洋環(huán)境載荷自動監(jiān)測系統(tǒng)、平臺損傷、位移監(jiān)測系統(tǒng)以及平臺陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)等。下面介紹與海洋平臺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)的一些新技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。
2.1環(huán)境載荷的監(jiān)測
國內(nèi)外對環(huán)境載荷的監(jiān)測研究較多，也已經(jīng)逐漸成熟。英國Saab海洋電子儀器公司最近研制的一種非介入式傳感器VeRada，可以監(jiān)測海上裝置附近的波浪和水面高度，精度達(dá)到