[發明專利]一種基于隨機共振的隔水管渦激振動監測方法

在審

• 申請號: 201710480805.4
• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107246912A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 王海燕;董海濤;周建良;許亮斌;申曉紅;盛磊祥;馬石磊;黃中明;鎖健
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及海洋工程和深水石油領域，特別是關于一種適用于長期服役的深水隔水管渦激振動監測方法。

背景技術

在海洋石油領域，隔水管是連接海底井口與海面作業平臺的咽喉要道，是深水油氣勘探開發的重要武器，同樣也是深水油氣開發技術上要求最高、最具挑戰性的部分。目前，海洋油氣鉆井向3000m甚至更深的海域進軍。與淺水區相比，深海環境更惡劣。近年來，在很多地區發生一系列隔水管疲勞失效事故，這不僅體現了深水油氣勘探開發的高風險，更充分說明了隔水管疲勞監測的必要性和重要性。隔水管在波浪、洋流和內部載荷作用下的復雜動靜態響應是隔水管失效的重要原因，特別是渦激振動產生的交變應力載荷是隔水管失效的主要原因。在海流和波浪等復雜的環境載荷作用下發生以流固耦合為特征的渦激振動，其產生的交變應力作為低周疲勞載荷，導致隔水管的疲勞、損傷，乃至誘發管道斷裂、泄漏等一系列事故。隔水管渦激振動監測是分析隔水管穩定性、評估其疲勞壽命的前提和基礎，是降低失效風險、預防事故發生、確保安全服役的最佳選擇。

但是，在復雜的海洋環境噪聲下，很難在線檢測出隔水管的振動頻率。實時獲取隔水管的振動頻率，保證隔水管工作在安全范圍內，是深水石油作業亟需破解的難題。回顧所有微弱特征的信號檢測方法，不論采用硬件還是軟件實現，都立足于抑制噪聲，采用各種措施盡量抑制噪聲，然后把有用信號提取出來。在強噪聲背景下隔水管渦激振動頻率信號完全淹沒在噪聲中，無法進行檢測?，F階段往往采用線性濾波的方法抑制噪聲，但是當噪聲頻率與振動頻率相近時，線性濾波亦會削弱振動信號。然而，隨機共振方法則不同，它通過一個非線性系統，利用將噪聲的能量轉化為信號能量的機制來增強檢測微弱特征信號。長期以來，人們較多的認為“噪聲”是討厭的東西，它破壞了系統的有序行為降低了系統的性能，是微弱信號檢測的一大障礙，而采用隨機共振的方法檢測信號，噪聲的增加不會惡化特定頻帶范圍內輸出的特征信號，相反，會使得輸出局部信噪比得到一定的改善，增強信號的顯現。利用隨機共振的信號處理方法，可將隔水管渦激振動頻率信號從強噪聲背景檢測出來。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基于隨機共振的隔水管渦激振動監測方法，首先經過非線性信號處理單元—隨機共振系統進行信號處理，然后通過譜分析得到隔水渦激振動的頻率，進而判別是否發生渦激振動。本發明能夠從復雜的海洋噪聲背景中檢測出隔水管渦激振動頻率，提高監測系統的監測性能。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

1)設置隔水管渦激振動監測系統，包括監測系統和監控與顯示中心；所述的監測系統包括傳感器、隨機共振信號處理系統、處理器、功率放大器和水聲發射換能器；所述的監控與顯示中心包括水聲接收換能器、A/D轉換器、放大器、解調器和解碼器；

2)隔水管入水前，在隔水管上安裝監測系統；當隔水管部署完成后，傳感器工作獲取隔水管的振動信號，所述的隨機共振信號處理系統采用隨機共振提高振動信號的信噪比，由處理器檢測出隔水管的振動頻率；振動頻率信號通過功率放大器和水聲發射換能器變換為聲信號發射，通過水聲信道傳輸至監控與顯示中心；

3)監控與顯示中心的水聲接收換能器接收聲信號并轉換為電信號，經過A/D轉換器和放大器濾波放大后發送到解調器和解碼器，進行解調和解碼，得到隔水管振動頻率數據；

4)根據隔水管振動信息判定隔水管是否發生渦激振動。

所述隨機共振信號處理系統中，輸出信號x的倒數式中，V(x)為非線性雙穩態勢函數，s(t)為外部激勵信號，η(t)為背景噪聲。

所述的水聲接收換能器吊設在鉆井平臺以下10～20m位置，用于接收隔水管渦激振動的頻率信號。

本發明的有益效果是：

1)本發明將微弱信號通過非線性信號處理單元—隨機共振系統進行信號增強，該隨機共振系統，可以利用噪聲激發出隱藏在強噪聲背景中的微弱信號，提高隔水管振動信號的信噪比，較線性濾波器具有明顯的優越性。

2)由于本發明可對隔水管振動頻率實現在線檢測，較傳輸原始數據數據量明顯降低，數據傳輸時間隨之降低，同樣的發射功率下，功耗降低，因此在電池能量不變的條件下，提高了隔水管傾角監測系統的生存周期。

綜上所述，本發明具有檢測性能高、節能和壽命長的特點，可以廣泛應用于深海環境的隔水管渦激振動監測中。

附圖說明

圖1是本發明的隔水管渦激振動監測系統原理示意圖；

圖2是本發明的隔水管渦激振動監測系統安裝總體示意圖。