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中科院力学所
怎样才能确保海洋平台结构健康？——谈谈结构健康监测技术及其方法的研究
力学园地
2015年12月25日怎样才能确保海洋平台结构健康？
——谈谈结构健康监测技术及其方法的研究 ？
吴永礼
（中国科学院力学研究所，北京100190）
结构健康监测技术是对结构物进行实时、无损和全面的损伤评估技术。它是利用实测的结构物动力响应信号，提取结构本身的参数或与结构本身参数相关的指标，并由此推断结构损伤情况。它是传统结构动力学的逆问题，属传感器技术、结构动力学、信号处理技术、概率统计、神经网络等交叉领域。 Housner等人将结构健康监测定义为一种从营运状态的结构中获取并处理数据，评估结构的主要性能指标(如可靠性、耐久性等)的有效方法。健康诊断基本目标是由实测信号识别结构损伤。关于结构损伤识别的目标，Sohn 和Farrar人提出损伤识别的5个层次: 识别结构中是否有损伤产生，确定损伤位置，识别损伤类型，量化损伤的严重程度，确定结构物的剩余寿命。目前的损伤识别研究中能达到第三、四、五层次的较少。本文首先介绍海洋平台进行结构健康监测的必要性，然后给出海洋平台结构健康监测的现状以及所面临的主要问题。
1 海洋平台结构健康监测的必要性
1.1结构损伤带来的巨大灾难和损失
1967年Sedco135型半潜式三角型平台在进行采油作业时，其尾部的水平撑杆破坏。
同年5月，在美国墨西哥湾，Rangerl号自升式钻井平台后腿柱破坏失效，致使平台失去平衡，甲板倾斜坠落，并使前腿弯折屈曲而导致整座平台最终完全破坏。
1980年3月，北海的一座生活供应平台A.L.elland号撑杆处的水声器支座萌生的疲劳裂纹发生扩展，致使撑杆折断破坏，并导致与所支撑的承重腿柱相连的其它五根撑杆也因过载而破坏，随后承重腿柱失稳，平台失去平衡，几十分钟后平台全部倾覆，123人丧生，造成巨大的经济损失。
1982年，加拿大“海洋探索者”号(Oceean Ranger)半潜式平台沉没，死亡84人。
2001年，当时世界上最大的半浮动式海上油井平台，巴西P-36号平台沉入大西洋底（见图1）。该平台耗资3.6亿美元，仅事故造成的油井停产就使巴西每天损失300多万美元，该平台的沉没不仅给巴西造成了巨大的经济损失，还带来了环境污染问题。
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图1 巴西P-36号平台沉入大海
2005年3月15日，巴西Roneador油田(离巴西120km，水深1350m，储量30亿桶)采油平台因天然气泄漏，发生三次爆炸，虽经现场26艘船多日施救，但在3月20晚上9点30分翻转90 ，沉人海底，造成11人死亡的重大事故。该平台是1994年建造，于1999年10月耗资3.56亿美元改建21口井的采油平台，2000年5月投产。2005年事故发生时才投产6口井，每天产油8.4万桶、天然气130万方。
图2 印度海洋平台发生火灾
我国于1966年12月底成功地在渤海湾安装了第一座导管架平台。虽然从那时算起，我国海洋平台发展史不过仅30多年，然而事故也不少。比如：1969年我国“渤海2号”平台被海冰推倒，并使1号平台严重受损，造成直接经济损失2000多万元；1974年海冰推倒了“渤海4号”平台的烽火台；我国从日本进口的“渤海2号”自升式平台，1979年在渤海湾倾覆沉没，死亡72人；;我国“爪哇海”(Glomar Java sea)钻井船，1983年在南海的莺歌海海域沉没，死亡81人。除此之外，多个平台在风浪、海流和地震作用下产生过剧烈的振动。
1.2 海洋平台结构健康监测的必要性
海洋平台作为海上油田开发的主要设备，其投资占到了海洋石油开采总投资的70%左右，一旦发生事故，不仅会带来重大的经济损失和人身伤亡，而且还会带来不良的社会政治影响和恶劣的生态环境效应。其目前所面临的问题主要有:
海洋平台重量大而其结构复杂，长周期在苛刻的腐蚀性环境条件下使用的大型工程结构物，其水下部分结构长期受到海水及海生物的侵蚀、冻融损坏、碱集料反应和化学物质侵袭、地基冲刷等环境载荷的作用，使得结构的承载力会随着时间推移而降低。特别是钢结构腐蚀损害而引起的平台耐久性问题，已成为一个突出的灾害性问题;
海啸、台风、过往船只撞击海洋平台、火灾、天然气泄漏发生爆炸等偶然事件时有发生，极大威胁着平台的正常使用和耐久性;
半潜式平台的浮体与柱、柱与甲板连接处，张力腿平台的浮体与柱、张力腿与浮体连接处以及支撑半潜式、张力腿甲板的刚架结构均是受力极大的危险区域，如果结构不连续、加工或焊接上的缺陷，易形成应力集中，焊接残余应力也会造成材料的局部塑性变形，这样在交变载荷、海水腐蚀等作用下，接头的高应力危险区将会发生疲劳裂纹，并逐渐扩大而导致整个节点的破坏。另外，由于平台所采用的材料往往含有微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷(微裂纹和微孔洞)会“成核”、发展及合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。疲劳损伤是平台设计中的核心问题，已经发生不少海洋平台由于结构连接节点处出现疲劳破坏而引起垮塌的案例。早期疲劳损伤往往不易被监测到，但其带来的后果是灾难性的。
考虑到安全、环保和经济效益等各方面的因素:一方面不可能大量地拆除旧平台而改建新平台; 另一方面，人们还缺乏一整套有效的平台监测和管理系统，帮助管理者维护平台。
随着石油开采向海洋发展，海洋平台的数量成倍增加，合适的设计方法确保结构能够抵抗住不可预测的载荷造成的损伤，但是损伤在海洋平台结构的服役期间是不可避免的。确保人的生命安全和减少财产损失的唯一方法是：诊断出结构的损伤，并能及时进行修复。由此可见，提高海洋平台结构及设备的可靠性，确保海洋作业安全的问题日益突出，新平台的质量评价、旧平台的残余寿命估计和在役平台的结构安全保证将成为日益突出的问题，海洋平台结构的健康监测与损伤诊断已成为刻不容缓的重要课题，而且，这一技术的发展将带动陆地重大工程结构健康监测技术的发展和应用，具有广阔的应用前景。
2. 海洋平台结构健康监测技术的研究现状
关于海洋平台结构健康检测的研究开始于20世纪70年代，但到目前为止研究工作还开展得不多，采用的方法也各异，可以分为“局部损伤检测法”和基于振动的“整体损伤探测法”，而基于振动的平台结构健康监测是目前研究的热点。海洋平台结构实时自动化监测技术通过监测数据的实时采集、处理、分析，确定平台的安全状态，具有快捷、省时、精度高、实时控制等优点受到越来越多的重视。海洋平台监测系统主要包括海洋环境载荷自动监测系统、平台损伤、位移监测系统以及平台阴极保护监测系统等。下面介绍与海洋平台结构健康监测相关的一些新技术的发展状况。
2.1环境载荷的监测
国内外对环境载荷的监测研究较多，也已经逐渐成熟。英国Saab海洋电子仪器公司最近研制的一种非介入式传感器VeRada，可以监测海上装置附近的波浪和水面高度，精度达到