谈石油井架结构损伤识别的方法.pdf

8 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 2 期 总第 1 4 0期 谈石油井架结构损伤识别 的方法 张丽娜 ， 薛景宏 ， 王彩华 ， 南松玉。 ， 刘海鹏 1 ． 东华理工大学 。 江西抚州3 4 4 O O O； 2． 大庆石油学院土木建筑工程学院 。 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 ； 3． 大庆油田有 限责任公司第七采油厂 。 黑龙江大庆 1 6 3 5 1 7 ； 4 ． 大庆油田有 限责任公司第三采油厂 ， 黑龙江大庆 1 6 3 1 1 3 【 摘要】 综述了近几年来石油井架结构损伤识别技术的方法， 包括基于固有频率变化法对石油井架结构 进行损伤识别、 基于柔度矩阵差值法和柔度曲率法对石油井架结构进行损伤识别和基于位移模态差值法和曲率 模态差值法对石油井架结构进行损伤识别 ， 并对各种损伤识别方法进行了评述， 最后指出了对石油井架进行损伤 识别过程中有待解决的问题及其发展趋势。 【 关键词】 石油井架； 损伤； 识别 ； 振动 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 0 2 0 0 8 8 0 2 石油钻机井架、 修井机井架由于多年在野外恶劣 的环境下长期使用 ， 承受几 十吨到上百吨动 载荷 的多 种载荷作用 ， 随着 服役 时间 的增长 ， 在 结构 上难 免产 生局部或整体损伤等缺陷 ， 成 为安 全生产 中的事故 隐 患。井架失效倒塌事故时有发生， 造成人员伤亡和国 家财产 的重大损失。 随着现代传感 器 技术 、 微 电子技术 、 计算 机 技术 的发 展 l_ l J ， 使得 数据采 集、 数据 传输 以及 数据 的实 时 分析与处理水平得到具大提高。现将近几年国内对 石油井架结构损伤识别方法介绍如下。 1 基 于振动的损伤识别方法 1 ． 1 利用经纬仪 观测位移 和电阻应变片测量应 力 的 方法对石油井架结构进行损伤识别 根据 3 2 0 0 m m钻机 K型井架按 1 1 0比例缩小制造 一 K型井架， 用螺旋拉杆给井架加载， 中问接拉一压 力传感器用于确定加载值 ， 测试时根据 拉一压力 传感 器 的应变值控制载荷。 在井架 上 布置 一定 数 量 的 测点 ， 黏 贴 电 阻 应 变 片 ， 按半桥接 于应 变仪上 ， 用 电测法 测量井 架受 荷后 产生的应 变 ； 同时 在井 架顶部 贴坐 标纸 ， 采 用经 纬 仪 观测位移 的方法 ， 记录 坐标值 与经 纬仪 中心 的缩 距 ， 即反应井架受荷后 顶部的位移大小。 将实验室测试 出的 K型模 型井 架的位 移值 和应 力值与 由位移 法的线 性 和非线 性计算 的位 移值 和应 力值进行对 比， 发现井架的实 际变形和 内应力值 均 比 计算值大 ， 说明这 种试验方法对 于判断井架 的内应力 和变形 的不均衡情 况还存在 一定 的缺陷 ， 不 能用此法 对井架进行精确的损伤识别 。 1 ． 2 利用固有频率变化对损伤识别有三种方法 1 两 阶频率 的 变化 比。A d a m s 和 C a w l e y E 0 J 研 究表 明在单损 伤的情况下 ， 任意两 阶模态 固有频率 的 变化 比 筹 g l r r 1 只与损伤位置有关， 而与损伤的程度无关。 2 频率变化的平方比。由结构运动方程的摄 动方程[ ] [ K△ K 一 ∞ △ ∞ M z S M ] △ 声 0 2 仿照瑞 利熵的形式定义 自振频率[ ] ； 盟糍 3 利用单 元损伤 系数 0 L 推 出“ 频率变化平方 比” e k N e M ； 一 垒 生 4 当只有一个损伤单元或各损伤单元的损伤程度 相近时， 频率变化的平方比仅为损伤位置的函数。 3 正贝 0 化 的频率变 化率。P C K a m i n s k j _ 6 J 提 出 正则化的频率变化率 N F C R l i ， 5 5 - 门1 c A k n i r 仅与损伤位置有关。 基于上述三种理论 ， 根据 J J 1 6 0 ／ 4 1 一K型井架 的基 本结 构和受力 特 点 ， 对 井架进 行 结构简 化 ， 利用 相 似 理论建立 J J 1 6 0 ／ 4 1 一K型井架 实 体模 型 ， 应 用 A N S Y S 有限元 软件 建立与 J J 1 6 0 ／ 4 1 一K型井架 实体模 型相对 应 的有限元理论模型 ， 采取对 井架模 型依 次 降低单 元 刚度的方法来 假定 各种 带有 不 同损伤程 度 的井 架 结 构 ， 对井架模型在局部结构 发生改变 时整 体 固有频 率 的改变 ， 利用有限元分析软件 A N S Y S 计算 出无损 伤和 单个单元依次损伤时井架模型的固有频率 ， 根据上述 理论公式计算井架模型的各阶频率变化比 R C F o ． ， 频率 张丽娜等 谈石油片架结构损伤识别的方法 8 9 变化平方 比 ％ 和正则 化的频率变化率 M ， 以此 建立频率指纹与损伤 位置 的关 系 ， 验证 采用 仅与损 伤 位置有关的频率指纹进行损伤定位 的有效性和频率 指纹用于损伤识别时 的通用性 。 1 ． 3 利用柔度矩阵差值 法和柔度 曲率法对损伤识别 结构发生损伤时， 结构的动力特征、 质量、 阻尼、 刚 度 、 柔度等结构参 数均会发生改 变。按结 构刚度、 柔 度 与模态参数之间的关系， 可知柔度矩阵的估计值可 由 结构损伤后的前几阶模态参数计算获得。由柔度矩阵 的这一特点， 将结构损伤前、 后柔度矩阵的变化差值作 为表征结构破损的故障特征参数， 进行了利用柔度差 值、 柔度差值曲率两种结构损伤识别方法的研究。 利用 A N S Y S 有 限元软件建 立 J J 1 6 0 ／ 4 1 一K型井 架 结构 的有 限元模型 ， 由有限元 方法求 出完好 与损伤 井 架模型的各阶固有频率及位移模态振型， 在应用 M a t ． 1 a b 7 ． 0软件编写程序 ， 结合已经用有限元求出的模态 参数 ， 求 出各 种工 况下 的柔度 矩 阵 、 柔 度矩 阵差 及 柔 度曲率 ， 对损伤情况进行识别 。 柔度矩阵差值法通过对不同位置、 不同程度的损 伤模拟分析， 得出结构损伤前后的柔度矩阵差值对损 伤较为 敏感 ， 而 由模 态 向量 计 算柔 度矩 阵具 有 收敛 快、 计算简便 的特点 ， 只需获得 结构 的初始 振型数 据 ， 在实际监测 中仅 需测 试前 五 阶模 态就 可 获得 损伤 前 后的柔度差值， 由其曲线的变化， 即可获得结构损伤 位置的识别结果 。同时 ， 结构 的损伤程度越严重 ， 损伤 前后的柔度矩阵差值越大， 根据分析的损伤前后的柔 度差值图形的变化程度， 柔度矩阵差值法能够大致估 算出结构的损 伤程 度 。但 由于 结构 支 座近 处 损伤 前 后的柔度差值对结构损伤小敏感， 柔度差值法存在对 支座近处损伤漏判 的可能 。另外 ， 结 构上损 伤位 置距 离很近， 或某个位置损伤量相对较小时， 柔度差值曲 线的局部最 大值 和拐点 已变得小容 易分辨 ， 很难对 损 伤位置做出正确的判 断。 柔度曲率法通过检查结构的柔度曲率 曲线是否 发生突变， 能够很明显地反映损伤存在、 大小及位置， 且各损伤部位之间不相互影 响， 比柔度差值法对于损 伤具有更有 好的识 别精度 ， 而且不需 要结构 无损 伤时 的健康指纹， 只需当前状态下的频率和振频数据 ， 因 此对实际工 程应 用 中不 能提 供无 损 信息 的结 构 可进 行快速在线 损伤检 测。 1 ． 4 利用位移模态和曲率模态差值法对损伤识别 应用 I D E A S 和 A N S Y S 有 限元 软件对 J J 1 6 0 ／ 4 1 一 K型井架进行建模 分析 ， 获得 完好 与损 伤情 况下 的模 态参数 ， 应用 M a fl a b和 E x c e l 软件编 制 了运算程 序 ， 分 别计算出井架无损和有损失的固有圆频率和位移模 态矩阵， 并利用 O r i g i n 绘图软件绘制井架无损和有损 失的结构位移模态曲线 ， 从数值和图形上进行损伤识 别分析 。 结果 发现 ， 利用结构位移 模态 参数 不 能识 别出结 构 的损伤 ， 而利用结构 的位移模 态差可 进行 结构 损 伤 识 别 ， 但 对损伤程度判 断不灵敏 ， 为提 高判 断精 度 ， 在 位 移模 态 的基 础上 利用 差分 方 程 近似 计算 出结 构 的 曲率模 态 ， 结 果 发现 曲率 模态 可对 结构 进 行 损 伤 识 别 ， 但损伤单元对未损伤单元有一定的影 响， 在曲率 模态的基础上做差， 得到的曲率模态差值可以识别出 结构损伤的存在及位置 ， 且损伤单元对未损伤单元无 影响 ， 并可对井架结构的损伤程度进行识 别。 2 石油井架损伤识别方法存在的 问题及发 展趋势【 】 1 目前的识别方法依赖于未损井架结构的精 确有限元模型或试验结 果 ， 而 当前大部 分 结构 不具 备 这两类信息。发展不依赖早期资料的损伤识别方法， 是井架损伤监测 的发展趋势 。 2 不依赖外部激励的损伤检测研究。对石油 井架结构由于其大型性 ， 很难采用压电传感器作为作 动器 ， 利用环境振动对结构损伤识别值得深 入研究 。 3 传感器的数量和布设与损伤识别技术结果 的精度有关 ， 在石油井架 上布置 传感器 及 传感 器数 量 优化 的研究具有一定 的经济和实用 意义 。 4 在实际井架 结构上应用 研究还 比较 少 ， 必须 在不 同的井架结构上进 行大量 试验 对方法 进 行验 证 ， 才能使损伤监测方法得到广泛应用。 参考文献 [ 1 ] 李俊萍， 李霆 ． 工程结构损伤识别技术的发展现状[ J ] ． 华北工 学 院学报 ， 2 0 O 2， 2 3 5 3 5 63 6 O ． [ 2 ] 齐明侠 ， 田佳禾． K 型模型井架应变位移测试及计算分析[ J ] ． 石油机械学报 ， 1 9 9 8 ， 2 6 1 0 ． 【 3 J A d a ms RD， C a w l e y P ， S t o n e B J ．A v i b r a t i o nt e c h n i q u ef o r n o nd e s t r u c t i v e l y a s 8 e s s f n g t h e i n t e g r i t y o f s tr u c t u r e s[ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c i e n c e ， 1 9 8 7， 2 0 9 3 1 0 0． [ 4 ] 郭国会， 易伟建． 基于频率进行简支梁损伤评估的数值方法 [ J ] ． 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 1 ， 2 3 2 1 72 1 ． 1 5 J F a b fi c io V e s v r o n i ， D a v i l a C a p e c h i ． D a ma g e d e t e c ti o n i n s t r u c t u r e s b a s e d o nf r e q u e n t l ym e a s u r e m e n t s [ J ] ． J o u rna l o fE n g i n e e r i n gM e c“b a n i c s ， 2 O O O ， 7 ． 【 6 』 K a min s k i PC． T h e a p p r o x i n t e l o c a ti o n o f d a m a g e t h r o ． g ht h e a n a l y s i s o f n a tu r a l f r e q u e n c i e s w i th a r ti fi c i a l ll e t l r a l n e t w o r k s[ J ] ．J o u r n a l o f P r o c qs Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， 1 9 9 5。 2 0 9； 1 1 72 2 3． [ 7 ] 韩大建 ， 王文东 ． 基于振动的结构损 伤识别方 法 的近期研究 进 展[ J ] ． 华南理工大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 9 1 9 6 ． [ 收稿 日期] 2 O O 9 0 31 2 [ 作 者简 介] 张丽娜 1 9 8 1 一 ， 女 ， 黑龙江海伦人 ， 硕 士研究 生 ， 从事结构工程研究工作 。 编辑陈伟