بخشی از مقاله
معيارهاي انتخاب نوع ، تعداد و چيدمان حسگرها به منظور پايش سلامت سکوي فراساحل پايه ثابت شابلوني در منطقه خليج فارس
خلاصه
پايش سلامت سازه ها در دهه هاي اخير به دليل افزايش نياز به بررسي مداوم سازه هاي بزرگ به زمينه تحقيقاتي مناسبي تبديل شده است . در اين تحقيق ابتدا انواع بارهاي وارد بر سکو در منطقه خليج فارس و تعدادي از خرابيهاي رايج آن تحت اثر اين خرابيها عنوان مي شود. سپس به تعريف و تشريح سيستم پايش سلامت سازه در سطوح مختلف و اجزاي اصلي تشکيل دهنده اين سيستم پرداخته ميشود در ادامه با توجه به نتايج بدست آمده از مطالعه و مقايسه تحقيقات نظري و عملي پايش سلامت سازه ها در صنايع فراساحل و صنايع مشابه ، معيارهاي انتخاب حسگرها از نظر نوع ، تعداد و چيدمان معرفي و بررسي ميگردند. در انتها نکاتي کاربردي و ترکيبي مناسب از حسگرها براي پايش بلند مدت سلامت و تشخيص آسيب سکوي شابلوني در خليج فارس پيشنهاد ميشود.
کلمات کليدي: پايش سلامت سازه ، سکوي ثابت دريايي، پاسخ ديناميکي، حسگر، تشخيص آسيب .
١. مقدمه
نقش استراتژيک خليج فارس در منطقه خاورميانه و اهميت ميادين نفت و گاز در قدرت اقتصادي و سياسي ايران و اهميت سکوهاي دريايي به عنوان يکي از زيرساخت هاي کشور جهت بهره برداري از اين ميادين و هزينه هاي بالاي برپايي و نصب آنها باعث شده اين سازه ها به عنوان سرمايه هاي ملي کشور محسوب شوند. سکوهاي فراساحل در دوران ساخت و بهره برداري تحت اثر بارهايي قرار مي گيرند که خرابيهاي جزئي و کلي در سکو ايجاد ميکنند. لذا هرگونه نظارت بر سلامت سازه سکو کاملا ضروري ميباشد. سير تکاملي علم پايش سلامت سکوهاي دريايي از اوايل دهه ٧٠ ميلادي با مطالعات واندريو[١] در زمينه تغييرات فرکانس طبيعي در اثر برخورد کشتي شروع شده ، و تا کنون ادامه داشته است . يکي از تحيقاتي که نتايج قابل قبولي براي سکوهايي دريايي در اين زمينه داشته ، کارکلني و دادز در سال ١٩٨٠ مي باشد[١]. در اين مطالعه پاسخ ارتعاشي سکو به تحريکات محيطي به وسيله ٨ شتاب سنج در بالاي سطح آب اندازه گيري شد. اين شتاب سنج ها در پايين سطح آب نيز قرار گرفتند تا مودهاي ارتعاشي محلي برخي از اعضاي سازه نيز بدست آيد. خرابيها به سه صورت سوراخ شدن و آب گرفتگي در يک عضو قطري ، تضعيف اتصال يک عضو قطري و جدايي کامل يک عضو قطري ايجاد شد. نتيجه حاصله نشان داد که تنها جدايي کامل يک عضو قطري از سکو را ميتوان با استفاده از تغيير در فرکانس هاي طبيعي کل سازه تشخيص داد و دو خرابي ديگر با استفاده از تغيير در مودها قابل شناسايي هستند. در سال ١٩٨٤ يانگ و همکارانش آزمايش را بر روي يک مدل سکوي مقياس شده انجام دادند. در اين آزمايش ها تحريک اتفاقي به سه محل اين مدل به صورت افقي و در بالاي سطح آب وارد و پاسخ شتاب در ٤ نقطه اندازه گيري شده است . حالت هاي مختلف خرابي از جمله ترک، خرابي اتصالات ، تغيير شرايط پي، تغيير جرم عرشه و مشابه سازي جرم ناشي از جانداران دريايي به اين مدل اعمال شده است . روش استفاده شده (Random Decrement) ميباشد. نويسندگان اين مقاله فقط به اعلام نتايج اين تست ها اکتفا نموده و در مورد ارتباط آن ها با خرابيها، مطلبي منتشر نکرده اند. در پايان مشخص گرديد که اين روش از توانايي کافي براي کشف عيب و نوع آن در سکوها برخوردار نيست اما تاثير موضعي خرابي بهتر قابل تشخيص است [١].
سواميداس و چن در سال ١٩٩٢ به هدف ارائه روشي براي عيب يابي، پژوهش را بر روي يک سکوي مدل سه پايه صورت دادند. آن ها تغييرات شکل مد و نسبت هاي ميرايي را با استفاده از پاسخ فرکانسي سيستم اندازه گيري و محل خرابي را با توجه به جايي که حسگرها بيشترين تغيير را گزارش مي دهند، پيدا کردند. کيم و استابس نيز در سال ١٩٩٥ الگوريتمي را براي تعيين خسارت در سکوها با داشتن داده هاي مودي محدود، براي سکوي آسيب ديده ارائه کردند[٢].
تحقيقات انجام شده در اين ١٥ سال نتيجه بهتري نسبت به دهه ٧٠ ميلادي نشان نميدهد. همانطور که اشاره شد در اکثر موارد اندازه گيري تغيير در فرکانس طبيعي سازه و شکل مودها، روش اصلي براي عيب يابي در سکوهاي دريايي بوده است و تنها در مطالعه يانگ و همکارانش روشي ابداعي به کار گرفته شده است . از سال ١٩٩٥ تاکنون تغييرات بيشتري در اين علم صورت گرفت و مانگ و همکارانش در سال ١٩٩٦ تشخيص آسيب در سکوهاي دريايي را با استفاده از شبکه عصبي انجام دادند [٣]. از سال ١٩٩٩ روش هاي ارتعاشي محيطي مورد توجه قرار گرفته است . ويرو و ريتمان در سال ١٩٩٩ تشخيص آسيب و تغيير جرم عرشه در دو سکوي مقياس شده آزمايشگاهي با در نظر گرفتن تغيير در بردارهاي مودي سازه آسيب ديده را مدنظر قرار دادند. نتيجه اين تحقيق اين بود که با نصب حسگرها در تراز بالاي آب و برآورد تغيير در بردارهاي مودي به روشهاي مختلف مي توان آسيب هاي وارد به سکو را تشخيص داد[٤]. مانگل و همکارانش در سال ٢٠٠١ به بررسي تشخيص آسيب و تغيير جرم عرشه در دو سکوي مقياس شده آزمايشگاهي با تعيين پاسخ ناشي از ضربه و همچنين ارتعاش آزاد سکو با ايجاد جابجايي اوليه در آن پرداختند. در اين پژوهش نتيجه گيري شد که با توجه به عملي بودن دو روش مذکور براي ارتعاش سکوهاي واقعي، هر دو روش تحريک توانايي لازم براي تشخيص آسيب را دارا هستند و از تغيير در بردارهاي مودي سازه براي تشخيص محل آسيب استفاده شد [٥]. آلام و سواميداس در سال ٢٠٠٢ به تشخيص ترک در سکوهاي ثابت دريايي با توجه به تغيير در پاسخ جابجايي و کرنش بر اساس مدلسازي تحليلي سازه داراي ترک پرداختند[٦]. پس از ابداع حسگرهاي فيبر نوري پايش سلامت سکوهاي دريايي تحولات اساسي داشته و از پيشرفت هاي اخير در اين زمينه ميتوان به مانيتورينگ سکوي CBA٣٢ بوسيله سنسورهاي پيشرفته در چين توسط آقاي جينپينگ او و همکارانش اشاره کرد[٧].
براي بررسي رفتار يک سازه واقعي تحت اثر بارهاي وارده نياز به استفاده از حسگرها ميباشد. اينکه حسگرها چه اطلاعاتي را مي توانند ثبت کنند،کدام يک از آنها براي سازه مذکور مناسب تر ميباشد و اطلاعات مفيدتري را جمع آوري ميکند و باعث تشخيص بهتر خرابي مي شود مستلزم شناخت انواع حسگرها است . همچنين مطالعه نتايج استفاده ترکيبي از سنسورها براي يک پايش سلامت کامل و برداشت اطلاعات جامع از سکو و بررسي روش مناسب و کاربردي جهت پايش سلامت سکو جزو مسائلي است که بايد مد نظر قرار گيرد. ضمنا بررسي اطلاعات مربوط به ورودي و خروجي حسگرها از نکات مهم پايش سلامت سازه است زيرا با تشخيص درست ماهيت ورودي از قبيل (نوفه سفيد، ارتعاشي تصادفي، ضربه و...) و يا اينکه از نوع (کرنش ، شتاب ، سرعت ، جابجايي يا تغيير مکان ) است ، مي توان انتظار روش هاي دقيقتر و واقع بينانه تري جهت تعيين فرکانس هاي طبيعي، اشکال مودي، سختي سازه ، ميرايي سازه ، محل و نوع آسيب و در کل رفتار سازه را داشت .
٢. متن اصلي
سازه هاي فراساحل نقش بسزايي در بهره برداري از منابع محيط دريا دارند که از جمله کاربردهاي مهم آنها مي توان به استخراج نفت و گاز اشاره کرد.
از انواع سازه هاي فراساحل ميتوان سکوي پايه ثابت شابلوني را نام برد که اصطلاحاً به آن جکت نيز ميگويند که براي استخراج نفت و گاز در آبهاي کم عمق بسيار کاربرد دارند که عمدتا از فولاد ساخته شده و از جمله متداول ترين سکوها در منطقه خليج فارس محسوب ميشوند. اين سازه ها در طول عمر خود تحت تاثير بارهايي قرار ميگيرند که از مهمترين آنها ميتوان به بارهاي حين ساخت ، حمل و نصب ، بارهاي حين بهره برداري مانند بارهاي وارده هنگام حفاري و استخراج ، بارهاي محيطي مانند بار باد، موج ، يخ و جريان هاي دريايي ، بارهاي اتفاقي مانند زلزله ، انفجار، آتش سوزي، طوفان و برخورد کشتي اشاره کرد که تحت اثر اين بارها سکو دچار آسيب هايي مانند خستگي اتصالات و ايجاد ترک در آنها، خوردگي اعضا، سوراخ شدگي و آب گرفتگي اعضا، و حتي خرابي کلي و از بين رفتن ناگهاني سکو ميشود.
با توجه به هزينه بالاي ساخت اين سازه ها و جلوگيري از خسارات مالي وجاني، نياز به بررسي مداوم سلامت اين سازه ها ميباشد که با توجه به هزينه هاي زياد استفاده از نيروي انساني جهت بررسي چشمي در درازمدت مانند استفاده از غواص و خطرات جاني آن از يک طرف و خطاي انساني و محدود بودن حوزه بررسي توسط غواص از طرف ديگر، موجب نياز مبرم به استفاده از يک سيستم پايش سلامت دراز مدت براي اين نوع سازه ها مي شود.
١,٢. تعريف پايش سلامت سازه
سيستم پايش سلامت سازه ١ سعي بر اندازه گيري ورودي و خروجي يا همان رفتارسازه دارد. به اين منظور که از آنها در يک آناليز معکوس براي بدست آوردن مشخصه هاي سازه ، رديابي تغييرات آنها، و در نتيجه تشخيص شروع آسيب در سازه استفاده مي شود. بنابراين فرآيند SHM يک سيستم سازه اي عبارت است از زير نظر گرفتن سازه با استفاده از اندازه گيري پاسخ هاي ديناميکي از طريق حسگرها، استخراج مشخصه هاي حساس به آسيب سازه با استفاده از نتايج اندازه گيريها و آناليز اين مشخصه ها براي معين کردن وضعيت کنوني سلامت سيستم [٨]. بر اساس تعريف ، پايش سلامت سازه را ميتوان به پنج سطح تقسيم نمود[٩]:
سطح ١: تشخيص و اثبات حضور خرابي در سازه
سطح ٢: تعيين محل خرابي
سطح ٣: ارزيابي شدت خرابي
سطح ٤: امکان کنترل و تأخير رشد خرابي
سطح ٥: تعيين عمر باقيمانده ي سازه
سطح اول زماني قابل دستيابي است که ويژگيهاي مشخصي از سازه را در طول زمان و به طور مداوم بتوان زير نظر گرفت [ ]. مشخصات سازه اي همچون انرژي کرنشي، فرکانس هاي طبيعي اصلي، شکل مودي وکاهش سختي از جمله پارامترهايي هستند که باتوجه به نوع سازه براي اين سطح انتخاب شده و مورد بررسي و پايش قرار ميگيرند. روشي که به طور گسترده براي تشخيص حضور خرابي بکار ميرود پايش فرکانس هاي طبيعي است چون خرابي باعث کاهش سختي و در نتيجه تغيير در فرکانس هاي طبيعي مي شود[٩].
شاخص خرابي يک کميت ديناميکي است و معياري است براي تشخيص وجود خرابي در سازه مورد نظر. براي مثال بسياري از شاخص هاي خرابي، از تغييرات فرکانس هاي طبيعي سازه استفاده مي کنند چون فرکانس هاي طبيعي در سطح بالايي از دقت و راحتي بدست ميآيند. از طريق مقايسه ي فرکانس هاي طبيعي سازه در طول زمان و پايش آن ها نسبت به فرکانس هاي اصلي حالت اوليه اندازه گيري ميتوان به وجود خرابي پي برد همچنين از تغييرات اشکال مودي نيز مانند فرکانس ميتوان استفاده کرد. اما اين معيارها وقتي امکان پذير است که خرابي باعث تغيير در سختي ديناميکي سازه شود. خرابيهاي کوچک تغييرات خيلي ناچيز در سختي ايجاد ميکنند که در رفتار ديناميکي سازه مشخص نخواهد بود. روش هاي مبتني بر انتشار امواج براي کشف اين خرابيهاي کوچک بسيار موثر است .
چنانچه توضيح داده شد پارامترهاي مودال نقشي اساسي در شاخص هاي خرابي ايفا ميکنند. اين بدين معني است که اين پارامترها ميتوانند حداقل براي تشخيص وجود خرابي در روش هاي سطح اول استفاده شوند. يک بازرسي موفق در گرو استفاده از پارامترهاي مودال تخمين زده شده در قالب شاخص هاي خرابي است ، که تغييرات و ناسازگاري کمي داشته و تحت تأثير عوامل ديگر قرار نگرفته اند. اگر اين پارامترها تحت تأثير عوامل خارجي قرار گرفته باشند نتايج نادرستي بدست مي آيند و خرابي را مشخص ميکنند که وجود واقعي ندارد. همچنين اگر تخمين اين پارامترها به طور غير دقيق صورت گيرد خرابي همواره پنهان ميماند که گاه منجر به فروريزي سازه خواهد شد.
سطح دوم به تعيين مکان خرابي پس از تشخيص وجود خرابي در سازه مي پردازد. روش هاي بسياري براي تعيين محل خرابي وجود دارد. بعضي از اين روش ها بر اساس پارامترهاي مودال سازه محدوده خرابي را مشخص ميکنند و بسياري ديگر بر اساس کرنش هاي اعضا و انتشار امواج به تعيين محل دقيق خرابي اقدام ميکنند.
حال که وجود و محل خرابي تشخيص داده شد بايد شدت خرابي نيز تعيين گردد که در سطح سوم به اين امر پرداخته مي شود. روش هاي بسياري بر اساس نوع خرابي وجود دارند که هر کدام از آن ها نيازمند اندازه گيري پارامتري از عضو سازه اي معيوب ميباشند مثل ضريب تجمع تنش وانرژي کرنشي. هنگامي که شدت خرابي تعيين شد بايد رشد خرابي کنترل شود تا در مواقع حساس از جمله طوفان و زلزله سازه دچار فرو ريزش نگردد که اين وظيفه سطح چهارم است و در نهايت سطح پنجم به تعيين عمر باقيمانده سازه بر اساس اين چهار سطح مينمايد.
٢,٢. اجزاي پايش سلامت سازه
يک سيستم پايش سلامت سازه به طور کلي از سه بخش اصلي تشکيل شده است [١٠]: ١- حسگرها ٢- سيستم پردازش اطلاعات ٣- سيستم ارزيابي سلامت سازه
١,٢,٢. حسگرها
در پايش سلامت سازه ها حسگرها به دو دسته اصلي تقسيم ميشوند که دسته اول حسگرهاي اندازه گيري کميت هاي فيزيکي و حساس به خواص و رفتار سازه ميباشند مانند: شتاب سنج ها، سرعت سنج ها، تغييرمکان سنج ها و کرنش سنج ها. دسته دوم حسگرهاي مربوط به اندازه گيري پارامترهاي محيطي که سازه در آن قرار دارد هستند شرايط محيطي در پاسخ ديناميکي سازه تاثير زيادي دارند لذا بايد تغييرات شرايط محيطي نيز اندازه گيري شوند.
از جمله اين پارامترها که بايد توسط سنسورهاي مخصوص اندازه گيري شوند ميتوان به سرعت باد، دما، رطوبت ، شرايط خاک و خوردگي اشاره کرد.
٢,٢,٢. سيستم پردازش اطلاعات
اين سيستم خود از سه بخش دريافت ، انتقال و ذخيره سازي تشکيل شده است که اطلاعات بدست آمده از سنسورها را براي تبديل به اطلاعات مفيد براي پايش سلامت سازه دريافت ميکند و پس از انتقال ، آنها را ذخيره سازي ميکند[١٠]. بخش انتقال اطلاعات به يکي از دو صورت انتقال با سيم و انتقال بي سيم مورد استفاده قرار مي گيرد.
٣,٢,٢. سيستم ارزيابي سلامت سازه
بخش نهايي يک سيستم پايش ، ارزيابي شرايط سازه است . در اين بخش اطلاعات ذخيره شده توسط بخش قبل با استفاده از الگوريتم هاي موجود به مشخصه هاي ذاتي سازه تبديل ميگردند. درواقع استخراج مشخصه ها، مرحله شناسايي ويژگيهاي حساس به آسيب سازه ميباشد که با استفاده از پاسخ ارتعاشي اندازه گيري شده سازه به دست ميآيد که اين امکان را ميدهد که سازه آسيب ديده و آسيب نديده را از هم تشخيص داد. اساس انتخاب مشخصه ، تجربه گذشته همراه با اطلاعات اندازه گيري شده سيستم ميباشد. پس از استخراج مشخصه هاي ذاتي سازه با استفاده از الگوريتم هاي پايش سلامت ميتوان شرايط و موقعيت سازه را شناسايي کرد. وضعيت سازه با توجه به پنج سطحي از پايش سلامت که در قبل توضيح داده شد مشخص ميشود. بعد از
