我国海上油气资源开发起步于20世纪50年代，随着海洋资源的开采及海洋环境恶劣程度的加剧，海洋平台的安全已成为平台设计者和管理人员最为关切的问题。与数值分析中的假设和简化, 以及物理模型测试的局限性相比，海上结构的现场监测可以直接实时获取原始数据，从而能够及时地发现结构故障，进行安全评估、预测性能变化与剩余结构寿命[1-3]。此外，现场监测还可以验证设计参数，并为项目后期分析提供数据库。
自从BMT公司于1987年将第1个海上平台监测系统投入实践以来[4]，在墨西哥湾，北海和与之相邻的海洋中已广泛开展了现场监测。欧进萍等[5]针对渤海JZ20-2MUQ平台，开发了海洋平台结构实时安全监测系统，并监测了平台的安全状况。从军等[6]在埕岛油田中心一号平台上安装了监测系统。万军等[7]以渤海某导管架平台为例，研发了1套针对该平台的结构实时健康安全监测系统，并进行了现场应用。刘小会等[8]建立了1套海洋平台导管架安全监测系统，系统成功地应用于海上石油平台监测，为海洋平台的结构安全提供了保障。国外导管架监测技术开展得比较早[9-12]，技术也比较成熟，但出版的文献较少，可供参考的资料也非常有限。
本研究以海上导管架平台(以下简称平台)为例，结合平台结构的特点及所处海域, 研发了1套针对平台结构的健康监测系统。不同于其他导管架结构安全监测系统，所研发的监测系统具有以下特点：一是监测参量多样性，不但监测结构响应参数，而且还监测海洋环境参数；二是开发了独立远程监控系统，该系统包括北斗通信和应急电源设备，可实现数据实时回传陆地，而且能获得极端海况下的环境和结构响应数据。该系统的安装运行可实现结构健康监测并得到较准确的预测结果，具有一定的推广价值。
平台结构的健康监测系统应提供有关海洋环境、结构响应的跟踪和反馈信息，以获得对结构动力行为的全面了解，从而可以计算累积的破坏并评估总体安全状态。作为监测系统的基本要素，性能令人满意的传感器对于确保监控系统的准确性及可靠性至关重要。因此，本节主要阐述适合平台结构响应监测及海洋环境监测的传感器技术，包括传感器类型的选择及现场布设方法。
风速和风向是评估海洋结构性能的主要输入参数，可以为平台安全评估提供基础数据。目前, 风速、风向测量技术较为成熟，一般采用风速风向仪进行测量，通常为机械式和超声波式两种类型。超声波风速风向仪具有精度高、耐久性好、寿命长、免维护的优点。考虑海上台风频发的特点，风速是较为容易获取的环境数据，是分析计算中更为可靠的输入量。因此，须选择可靠性高、性价比更高的超声波风速风向仪作为监测风速、风向的仪器。为避免周边结构对风速、风向的影响，确定将风速风向仪安装在平台上相对位置最高的钻台井架天车台立柱上(见图 1)。
波浪力是在役平台最主要的外载荷，而在台风频发的海上，波浪载荷对平台的健康影响更为显著。因此，获取台风下实际浪高数据和甲板上浪情况对平台的健康风险评估尤为重要。测波仪是用来监测波浪的工具，其按不同的工作原理可分为压力式、声学式、波浪浮球和遥测式测波4类。这几种测波仪精确性差别较大，结合测量目的和考虑经济性，决定选择较为经济且精度足够的遥测式测波仪以获取最大瞬时浪高和气隙。遥测式测波仪是借助雷达波对海面的照射进行测量，然后通过后期专业处理得出波浪参数。因雷达测波仪安装时需要面向海域主要来浪方向，并且该传感器下方5°开角范围应无固定障碍物遮挡，故将测波仪安装在下甲板右舷船尾处，这个位置还能减少波浪反射的影响(见图 2)。
根据结构动力学理论，结构固有频率是评价刚度变化的重要指标，而为了获取导管架结构频谱响应的直接途径是使用加速度计。结构监测中常见的加速度计类型包括伺服式、压电式、电容式、应变片式、MEMS式、FBG式等。为了能有效地获取结构动态响应，针对平台低频特点，一般采用MEMS式、压电式、电容式传感器，其中MEMS式传感器在智能化及小型化上具有优势，但精度低、分辨率低、对环境要求高。压电式传感器是更适合测量震动状态和冲击的一种理想传感器，但相对造价较高。根据海洋平台结构庞大、环境恶劣、长期运行稳定性要求高的特点选择电容式力平衡加速度传感器。根据振动传感器优化布置结果，确定安装5个加速度传感器，分别布置在下甲板两个对角A5节点和B1节点处、底甲板A5节点处、蜘蛛甲板两个对角A5节点和B1节点处。蜘蛛甲板加速度计安装情况如图 3所示。
海洋平台在风、浪、流作用下，在水平方向会产生摇摆，其摆动幅度是反映结构健康状况的重要参数。平台的动态摆幅量可通过位移传感器测量得到。
位移传感器可以分为电子类位移计、激光位移传感器、DGPS系统等，其中电子类位移计包括电阻式、电容式和电感式等。本方案选择电感式位置传感器，位移测量采用差分式磁缸感应振动，利用有源闭环伺服积分技术获得良好的低频振动位移特性，且在陆地高层建筑结构、桁架结构中有良好的实践案例。根据平台结构特点及其施工情况，将其安装在下甲板桩腿上(见图 4)。由于平台水平摆动是二维的，所以直接选择具有两个分量输出的位移传感器，安装时将传感器的X方向与平台长度方向保持一致，Y方向与平台宽度方向保持一致。
应力应变是反映导管架结构力学性能的重要物理量，通过对应力应变进行监测可以为结构的疲劳分析和损伤监测提供原始数据，同时为结构正常运营阶段的安全性指标提供依据。根据频率响应范围的不同，应变监测可分为结构动态应变监测和结构静态应变监测。结构动态应变监测一般采用采样频率较高的电阻应变片实现，结构静态应变监测一般采用振弦式应变计实现。基于海洋平台疲劳监测要求，选用电阻应变传感器，该传感器配有专用小型分布式应变放大器，用于结构的静态、动态应变值的长期监测。针对应变传感器，首先焊接两个安装块，然后将传感器通过螺母固定在安装块上，应变传感器的保护采用保护罩的方式，将材质为316L的不锈钢保护罩焊接于斜撑，同时防护罩接头采用格兰头与船用电缆相连输出。蜘蛛甲板应变传感器安装情况如图 5所示。
经过对该平台结构特点和作业环境的调研，发现该老龄化平台存在一些安全问题，需要特别关注。导管架结构部分构件有损伤可能，需对平台构件的损伤情况、损伤程度、损伤位置及损伤发展趋势等形成清晰认识和快速判断；平台状态模式复杂多样，包括作业模式、环境模式和损伤模式等，现场操作人员和完整性管理人员须实时掌握平台的运行情况。为有效应对上述问题，准确掌握平台实时状态、保障平台安全运行，研发了1套结构集成监测系统，其基本架构如图 6所示。
由图 6可知，集成监测系统基本架构主要由传感测试系统、数据采集分析传输系统和安全评估预警系统3部分组成。传感测试系统是感知监测参量的变化，分别通过布置于平台上部模块各层甲板上的加速度传感器、位移传感器、倾角传感器、应变传感器、风速风向仪、波浪仪来测试平台结构的动态响应、应变响应，以及平台所处海域的风场和波浪参数。
测试信号经数据采集传输系统滤波、采样、转换、同步等初步处理，形成监测原始数据文件存储至平台工控机内。对监测数据进行分析，经二次处理后的分析数据由北斗通信网络回传至陆地监测系统客户端。对平台响应监测数据进行特征提取、模式识别、损伤识别和结构剩余寿命评估等。最后，通过安全评估预警系统进行可视化展示，并对结构安全状况进行实时评估和预警。
独立远程监控系统由北斗通信和应急电源系统两部分组成，该系统是一个完全独立的系统，目的是在台风条件下撤离期间将重要的监测数据传输至陆地接收工作站。
要获取全部的测量信息，确保平台在无法正常供电时紧急撤离期间的供电至关重要。通过独立远程监控系统，可以获得极端海况下的所有过程信息，从而作为研究破坏机理和对平台结构进行设计评估的基础。通常认为，独立远程监控系统的设计应遵循以下原则：在紧急疏散的情况下，电池具有足够的电池寿命来支持系统；具有足够的数据传输速率，以确保实时数据传输具有远程控制能力，并可以从岸上轻松操作；能提供简单的数据采集、检索、访问和存储功能；设计简单、布局合理、可靠性高。根据上述原则，开发了基于北斗通信和应急电源设备的远程监控系统，以实现将监测数据实时传回陆地。
本监测系统选用北斗多卡通信终端PD10作为发射单元，数采终端P06作为接收单元，组成北斗通信信息收发系统。为满足台风撤离期间平台断电工况下72 h临时供电需求，设计了两套供电系统，分别给工控机和采集仪供电。为了防止意外停电导致的数据缺测，额外配备了1组大容量蓄电池作为后备电源，同时配备1 kVA的UPS不间断电源及蓄电池组。根据工控机设备的功耗计算，选择6块100 A·h电池组作为供电电源，可保证在停电情况下至少工作3天以上的时间。数据采集系统及北斗数据传输系统所需的额定电压为12 V，供电系统支持太阳能板和交流供电两种方案。根据采集仪满负荷工作计算，选择10 A交流充电控制器，同时配备5块12 V 120 A·h胶体蓄电池(电池组放入电池箱内)。另考虑系统日消耗电量, 以及多云、雾霾天气、太阳能板表面灰尘等对发射功率的影响，配备5块80 W太阳能板, 以在停电期间迅速为电池充电并保持电池的电荷状态。
该导管架平台结构监测系统软件主要功能为监测平台环境数据(包括浪高、浪周期、风速、风向)、结构响应数据(包括加速度、位移、倾角、应变)，并实现数据回传、数据解析及陆地数据显示。软件包括海洋环境监测、结构响应监测、北斗数据传输及陆地终端监测4个功能模块。
海洋环境监测模块基于MySQL数据库、Apacheweb服务器开发，可以接收并储存采集器通过RS232发送的风速、风向及波浪分析数据，数据可以实时显示在数据显示窗口，同时写入MySQL数据库(见图 7)。结构响应监测模块基于LabView开发，与数据采集仪配套使用，包括数据采集与分析、监测结果查询与分析、安全监测实时总况及预警4个功能。北斗数据传输模块基于C++语言开发，通过编码/解码对采集数据进行处理，把北斗传输的数据转换成二进制的数据流，利用北斗发射/接收终端进行数据流传输。北斗发送软件包括数据库分析、采集数据编码、系统参数设置、发送数据包等功能。北斗接收软件功能包括：数据包解码、数据存储、曲线分析、回馈发送指令、存储采集数据等功能。平台安全监测终端系统依托于北斗卫星通信系统，以平台实时监测数据为基础，通过北斗卫星传输将监测数据传输到陆地终端服务器数据库中。陆地终端监测模块通过MySql数据库对监测的各项数据进行管理并加以统计分析，将现场监测数据展示给用户。软件界面功能模块包括：系统概述、监测信息、数据管理、预警信息等功能(见图 8)。
现场监测是获得实时结构响应和海洋环境数据的最直接方法，尤其是在极端条件下，这对于操作员和设计者而言都是有很大益处的。将上述的监测技术在该导管架结构上进行了现场应用。
该导管架平台是相对较老的平台，已经历多次风速超100节以上的台风。平台上部设施也经历过多次较大改造，平台结构如图 9所示，主要由桩基础、导管架、上部组块3部分组成。桩基础为16根裙桩，导管架为8桩腿结构，上部组块由4层组成，具体为上甲板(+39.85 m)、主甲板(+30.59 m)、中甲板(+25.09 m)、底层甲板(+18.59 m)、蜘蛛甲板(+12.66 m)及飞溅区(+6.096 m)。上甲板上设有1幢3层生活楼，生活楼顶部为直升机停机坪。
在数值模拟和模型测试过程中，不可避免地存在假设、简化和实验条件方面的限制，毕竟来自极端事件的原始数据非常罕见。通过开发现场监测技术，进而记录性能数据，再将实际响应监测数据和预测响应(模拟短时载荷输入)数据对标比较、规律对比等，最终可以获得对设计假设和方法的进一步理解。比较结果可以表明原始设计有多保守，也可以为将来的平台设计提供一些调整指导。因此，建立数据库，以记录运行平台的特征和海况参数至关重要。
该平台监测系统数据库包括两大类，一类是原始数据，另一类是分析统计数据。原始数据包括风速风向数据、波浪气隙数据、振动加速度数据、应变、位移、倾角数据，上述数据均存储在平台工控机中。对风速、风向数据进行统计分析可得到3 min、10 min的平均风速和平均风向，以及日最大风速及风向等；波浪、气隙数据经专业处理后可得到有效波高、有效波周期等波浪参数；振动数据、位移和倾角数据经自功率谱分析和统计分析后可得到结构主频、峰峰值、有效值、均值等参量；应变数据经雨流计数法可得到1 min内的等效幅值、等效均值。上述分析数据均存储至SQL数据库中，可在本地服务器进行查询、分析等操作。同时，这些数据通过北斗卫星会实时传回陆地，作为管理人员监测平台安全状况的主要依据。
随着结构参数识别、损伤分析和安全评估的不断发展，传感器技术、监测设备和计算机技术也得到了进一步改进，因此, 安全评估和预警在结构健康监测领域得到了高度重视。
通过现场监测，可得到反映导管架平台状态和损伤情况的基础数据，如加速度和应变，但这些值还需经过处理和分析，才能实现对结构的安全评估及预警。为了充分挖掘数据的特征，首先对监测数据进行预处理，如去除异常值、去除直流分量及滤波等；其次对处理后的数据进行统计分析，如统计峰峰值、均值、有效值、分布特征等数据信息，获得信号的时域特征；然后，对环境数据和结构响应数据进行关联分析，得到二者之间的关联特性；最后，对数据进行自功率谱、小波分析等，获得信号的频域或时频域特征，进一步通过支持向量机等机器学习方法对结构特征值进行分析，从而自动识别目标平台结构是否发生损伤，这是损伤预测的第一步。为了确实做到指导现场检测，还需对损伤位置和损伤程度进行识别，可通过灵敏度方法来判断损伤位置，而损伤程度可通过基于监测数据的模型修正方法进行分析，通过修正有限元模型刚度矩阵来识别某杆件损伤程度。
将数据处理的结果输入到安全评估预警系统，对结构进行安全评估。首先, 基于振动监测数据进行有限元模型一级修正，以解决现役平台结构有限元整体建模的误差，实现有限元模型数值模态参数与服役平台整体结构实际动态性能的统一；其次, 基于应变监测数据进行有限元模型两级修正，以解决现役平台结构有限元局部建模的误差，实现有限元模型承载数值应变与服役平台局部结构实际承载性能的统一；最后, 结合实测的环境参数和结构响应数据，基于修正模型对平台进行安全评估和寿命预测。
安全预警包括3个方面，分别为频率预警、位移预警、气隙预警。通过持续监测导管架平台的加速度响应，并将其转换到频域，在测量的同时进行有限元分析，以帮助识别哪种模态振型对应于哪个频率。平台的任何重大结构损坏都通过一种或多种模态的平动刚度变化来反映，这会导致平台的固有平动频率降低。同样, 土壤刚度的变化反映在两个平台方向的频率变化上。采用有限元分析创建故障库，以便立即报告频率变化，从而可以确定哪个杆件最有可能发生故障。图 10给出了平台频率监测散点图。相关理论和实践在桥梁结构、国外平台中已有广泛应用案例。
海洋工程中一般采用倒塌分析方法对结构整体性能进行判断，其中判定平台倒塌的一个主要参数是水平位移，一般认为导管架极端环境载荷放大1.6倍以上结构没有倒塌就认为该平台整体结构安全水平可以接受。因此, 在监测中对导管架位移进行监测，是判断导管架结构整体性能的一个主要参数。将导管架整个破坏倒塌过程划分为不同等级，得到不同程度下位移量，作为预警值。设置三级预警: 当导管架第一根撑杆屈服时，结构强度降低，出现局部破坏，此时计算得到的整体位移值设为一级预警值; 当导管架第1根桩腿屈服时，结构承载力下降，此时计算得到的整体位移值设为二级预警值; 当导管架某一节点失效时，与之相连的杆件全部失效，导管架局部结构将出现严重破坏，有可能引起倒塌，此时的位移量设为三级预警值。图 11给出了平台位移监测散点图。
海洋平台的下甲板一般为最底层甲板，因此, 气隙规定为海洋平台下层甲板底部至波面间的垂直距离，一旦海浪超过下甲板，产生甲板上浪情况，就会对平台结构和设备造成直接的冲击和影响。因此, 规范中要求气隙小于2 m是安全的，该气隙的监测可以通过在下层甲板安装测波雷达传感器来实现。图 12给出了平台气隙监测散点图。
平台结构完整性管理涉及平台从安装到弃置整个服役周期内的安全管理，而对于老旧平台而言，完整性管理更关心的是现役平台结构的真实状态和发展趋势，由于该管理是个连续的、动态的管理过程，故平台监测系统作为完整性管理的一部分，发挥着重要的作用。
海洋平台结构完整性管理主要由数据、评价、检测计划及检测实施4个要素构成。其中, 状态监测数据作为数据的重要组成部分，它可以直接提供平台真实环境和结构响应监测数据。这些数据与平台检测数据、防腐数据等构成了平台的状态数据，通过最新得到的状态数据来评估平台结构的安全状态，以表明平台结构的适用性。接下来根据评估结论来制定平台的检测计划，包括检测频率、范围，以及检测的方法、设备等。最后, 根据检测计划的要求，完成相应的现场检测工作。
平台结构完整性管理变被动为主动，变事后应急响应为预知维修，使平台结构处于总体可控状态，可以有计划、有针对性地采取维护措施，防止损伤或破坏事故的发生。
研究了一套完整的导管架平台结构健康监测系统，包括传感技术、系统设计及软件开发等，并将其应用于海上在役平台，主要得到以下结论：
(1) 建立了基于海洋环境与结构响应全参数的导管架平台安全监测系统。该系统包括平台风与浪海洋环境参数，以及结构响应参数，如加速度、位移、倾角与应变。系统可实时监测平台作业海洋环境及平台结构状态，为可靠预测平台风暴下撤台提供依据，为平台延寿提供技术保障。
(2) 建立了基于北斗通信的导管架平台监测数据自动传输接受系统。该系统包括用于通信控制与数据传输的北斗卫星终端及数据传输系统。通过北斗卫星实现平台环境监测信息与平台结构响应数据远程安全传输，多端服务，为平台安全作业提供可靠保证。
(3) 建立了基于太阳能与UPS的导管架平台监测电源保障系统。该系统包括UPS和太阳能两套供电系统，实现撤台期间监测系统与传输系统7天连续工作，保证了撤台期间各监测数据正常采集与传输，为恶劣风暴下与平台结构响应之间实时关联分析提供了可靠保证。
2023, Vol. 52 Issue (2): 157-164 2023, Vol. 52 Issue (2): 157-164