一种隔水管涡激振动检测新算法

　　0　引言

　　随着探测和开采不断向深水和超深水挺进,隔水管长度随之增加,沿隔水管长度方向流体速度大小变化明显, VIV效应显著。VIV引起的交变应力载荷导致隔水管结构疲劳损伤,且是隔水管疲劳的主要诱因[1-4]。

　　为了确保隔水管在安全区域内工作,必须监测VIV。目前有两类监测方案即应变监测法和运动监测法[5-11]。应变监测指运用应变记录设备直接监测隔水管的弯曲应变和应力,运动监测主要采用加速度传感器获得VIV响应加速度,然后运用数字信号处理算法获取隔水管的振动位移或其均方根。运动监测法具有成本低,安装简单,能够测量隔水管的整体响应,在深水中可靠等优点,而获得广泛应用。对于加速度信号处理方法,因为二次积分法所产生的误差较大, Paolo Simantiras和Neil Willis提出了基于Welch原理的VIV均方根位移算法[12]。由于探测和开采不断向深水和超深水挺进,隔水管长度随之增加,质量增大,隔水管低阶固有频率变小, VIV频率变小,振动趋于恶劣。又因为深水环境载荷复杂多变,振动位移检测变为一个微弱信号检测问题,上述算法面临积分下限难以确定和精度低的问题。基于以上问题,本文提出了基于矩阵分解的隔水管VIV位移检测算法,并定义算法检测精度参数,仿真结果表明该法具有抗噪性强,精度高等优点。

　　1　隔水管VIV信号监测模型

　　VIV是海水流经隔水管时,流体漩涡脱落所产生的以流固耦合为特点的结构振动。如图1所示。

　　某一深度隔水管的VIV轨迹成“8”字形[5],其方向为顺时针或逆时针。为便于分析VIV响应被分解为:由升力激发的横向振动,振幅约为1倍直径;曳力引起的顺流振动,振幅约为直径的10%~15%,振动频率为横向振动频率的2倍,以及横流引起的顺流振动,振幅约为横向振幅的30%~50%。由于流固耦合的复杂性,隔水管质量、长度以及海洋流速的变化, VIV频率呈现一定的随机性。但在短时间内(一小时或者更短),隔水管的VIV响应被认为是平稳的,为多个正弦信号的加权和[13-15]。在两个方向所获得的振动响应信号分别为:

　　(1)横向振动信号模型:

　　因为横向振动信号和线内振动信号的数学模型相同,以下算法分析中只考虑横向振动信号模型。

　2　Welch位移均方根监测算法

　　对式(1)求其Welch功率谱,记为Pacc(f),则位移的功率谱为[12]:

　　3　基于矩阵分解的VIV检测算法

　　本文所提出的VIV检测算法,以MUSIC算法和PHD算法为基础,监测VIV信号的幅值和频率,进而重构隔水管VIV的位移以及其均方根。