一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法，在隔水管上安装监测系统，获取隔水管的振动信号，首先经过非线性信号处理单元—随机共振系统进行信号处理，然后通过谱分析得到隔水涡激振动的频率，进而判别是否发生涡激振动。本发明专利技术能够从复杂的海洋噪声背景中检测出隔水管涡激振动频率，提高监测系统的监测性能。

A vortex resonance vibration monitoring method for riser based on stochastic resonance

The present invention provides a method of vibration monitoring of riser vortex induced stochastic resonance based on the installation of monitoring system in the riser, the riser vibration signal acquisition, signal processing unit, first through the nonlinear stochastic resonance system for signal processing, and then through the spectrum analysis to vibration vortex excited vibration frequencies, and then determine whether vortex induced vibration. The present invention can detect the vortex induced vibration frequency of the riser from the complex marine noise background, and improve the monitoring performance of the monitoring system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法
本专利技术涉及海洋工程和深水石油领域，特别是关于一种适用于长期服役的深水隔水管涡激振动监测方法。
技术介绍
在海洋石油领域，隔水管是连接海底井口与海面作业平台的咽喉要道，是深水油气勘探开发的重要武器，同样也是深水油气开发技术上要求最高、最具挑战性的部分。目前，海洋油气钻井向3000m甚至更深的海域进军。与浅水区相比，深海环境更恶劣。近年来，在很多地区发生一系列隔水管疲劳失效事故，这不仅体现了深水油气勘探开发的高风险，更充分说明了隔水管疲劳监测的必要性和重要性。隔水管在波浪、洋流和内部载荷作用下的复杂动静态响应是隔水管失效的重要原因，特别是涡激振动产生的交变应力载荷是隔水管失效的主要原因。在海流和波浪等复杂的环境载荷作用下发生以流固耦合为特征的涡激振动，其产生的交变应力作为低周疲劳载荷，导致隔水管的疲劳、损伤，乃至诱发管道断裂、泄漏等一系列事故。隔水管涡激振动监测是分析隔水管稳定性、评估其疲劳寿命的前提和基础，是降低失效风险、预防事故发生、确保安全服役的最佳选择。但是，在复杂的海洋环境噪声下，很难在线检测出隔水管的振动频率。实时获取隔水管的振动频率，保证隔水管工作在安全范围内，是深水石油作业亟需破解的难题。回顾所有微弱特征的信号检测方法，不论采用硬件还是软件实现，都立足于抑制噪声，采用各种措施尽量抑制噪声，然后把有用信号提取出来。在强噪声背景下隔水管涡激振动频率信号完全淹没在噪声中，无法进行检测。现阶段往往采用线性滤波的方法抑制噪声，但是当噪声频率与振动频率相近时，线性滤波亦会削弱振动信号。然而，随机共振方法则不同，它通过一个非线性系统，利用将噪声的能量转化为信号能量的机制来增强检测微弱特征信号。长期以来，人们较多的认为“噪声”是讨厌的东西，它破坏了系统的有序行为降低了系统的性能，是微弱信号检测的一大障碍，而采用随机共振的方法检测信号，噪声的增加不会恶化特定频带范围内输出的特征信号，相反，会使得输出局部信噪比得到一定的改善，增强信号的显现。利用随机共振的信号处理方法，可将隔水管涡激振动频率信号从强噪声背景检测出来。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法，首先经过非线性信号处理单元—随机共振系统进行信号处理，然后通过谱分析得到隔水涡激振动的频率，进而判别是否发生涡激振动。本专利技术能够从复杂的海洋噪声背景中检测出隔水管涡激振动频率，提高监测系统的监测性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：1)设置隔水管涡激振动监测系统，包括监测系统和监控与显示中心；所述的监测系统包括传感器、随机共振信号处理系统、处理器、功率放大器和水声发射换能器；所述的监控与显示中心包括水声接收换能器、A/D转换器、放大器、解调器和解码器；2)隔水管入水前，在隔水管上安装监测系统；当隔水管部署完成后，传感器工作获取隔水管的振动信号，所述的随机共振信号处理系统采用随机共振提高振动信号的信噪比，由处理器检测出隔水管的振动频率；振动频率信号通过功率放大器和水声发射换能器变换为声信号发射，通过水声信道传输至监控与显示中心；3)监控与显示中心的水声接收换能器接收声信号并转换为电信号，经过A/D转换器和放大器滤波放大后发送到解调器和解码器，进行解调和解码，得到隔水管振动频率数据；4)根据隔水管振动信息判定隔水管是否发生涡激振动。所述随机共振信号处理系统中，输出信号x的倒数式中，V(x)为非线性双稳态势函数，s(t)为外部激励信号，η(t)为背景噪声。所述的水声接收换能器吊设在钻井平台以下10～20m位置，用于接收隔水管涡激振动的频率信号。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术将微弱信号通过非线性信号处理单元—随机共振系统进行信号增强，该随机共振系统，可以利用噪声激发出隐藏在强噪声背景中的微弱信号，提高隔水管振动信号的信噪比，较线性滤波器具有明显的优越性。2)由于本专利技术可对隔水管振动频率实现在线检测，较传输原始数据数据量明显降低，数据传输时间随之降低，同样的发射功率下，功耗降低，因此在电池能量不变的条件下，提高了隔水管倾角监测系统的生存周期。综上所述，本专利技术具有检测性能高、节能和寿命长的特点，可以广泛应用于深海环境的隔水管涡激振动监测中。附图说明图1是本专利技术的隔水管涡激振动监测系统原理示意图；图2是本专利技术的隔水管涡激振动监测系统安装总体示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。本专利技术提供的一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法，包括以下内容：1)设置一包括隔水管振动频率检测系统、水声信号接收装置和监控中心的隔水管涡激振动监测系统；隔水管振动检测系统包括传感器、随机共振信号处理系统、处理器、功率放大器、水声发射换能器和电源；数据接收与显示平台包括水声接收换能器、A/D转换器、放大器、解调器和解码器；其连接方式如附图1，其接口没有特殊连接方式；2)隔水管入水前，在隔水管上安装隔水管涡激振动监测系统，当隔水管部署完成后，监测系统开始工作获取隔水管的振动信息。在强噪声背景中，获取的振动信号中夹杂着大量噪声，往往使振动信号完全淹没在噪声中。本专利技术中摒弃传统的线性滤波技术，采用非线性信号处理单元，应用随机共振技术提高振动信号的信噪比，使信号处理器更为容易的检测出隔水管振动的频率；3)将水声信号接收装置吊设在钻井平台以下10～20m位置，用于接收隔水管涡激振动的频率信号。具体为：接收换能器将从水声信道接收的包含有隔水管涡激振动信息的声信号转换为电信号经滤波放大后发送到解调器和解码器分别进行解调和解码得到隔水管振动频率数据，并将其发送到数据监控中心；4)数据监控中心对接收的隔水管振动频率数据进行显示和保存，监控中心工作人员根据数据控中心显示的隔水管振动信息判定此时隔水管是否发生涡激振动，并采取相应措施。所述步骤2)中信号处理单元—随机共振系统可由朗之万方程描述，具体计算公式为：式中：是输出信号x的倒数，V(x)为非线性双稳态势函数，s(t)为外部激励信号，η(t)为背景噪声。通过对接收信号的分析确定最佳匹配的系统参数。如图1所示，本专利技术实施例的隔水管涡激振动监测系统包括一隔水管振动监测系统20和监控及显示中心21。隔水管振动监测系统20包括：传感器7用于获取振动数据，随机共振系统8应用随机共振技术增强弱信号，处理器9用来实现振动频率的在线检测，并将隔水管的振动原始数据和频率存储到SD卡10，处理器9还用于隔水管振动监测系统20的工作流程控制，功放12用于将检测出的信号进行功率放大，发射换能器用于将电信号转换为声信号，通过水声信道14传输。监控与显示中心21包括：接收换能器15、A/D转换器16、前置放大器17、解调/解码18。其中接收换能器15用来接收隔水管振动频率声信号，并实现声信号到电信号的转换。将滤波放大后的电信号进行A/D转换16，将模拟电信号转换为数字信号。如图2所示，在隔水管3下水之前，在预定位置部署隔水管涡激振动监测系统5，隔水管在海洋平台1上，逐渐下放，直至隔水管底部与井口4对接为止。水声接收换能器6主要用来接收隔水管的振动频率声信号，并将声信号转换为电信号，监控及显示中心2主要用来保存当前获得的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法，其特征在于包括下述步骤：1)设置隔水管涡激振动监测系统，包括监测系统和监控与显示中心；所述的监测系统包括传感器、随机共振信号处理系统、处理器、功率放大器和水声发射换能器；所述的监控与显示中心包括水声接收换能器、A/D转换器、放大器、解调器和解码器；2)隔水管入水前，在隔水管上安装监测系统；当隔水管部署完成后，传感器工作获取隔水管的振动信号，所述的随机共振信号处理系统采用随机共振提高振动信号的信噪比，由处理器检测出隔水管的振动频率；振动频率信号通过功率放大器和水声发射换能器变换为声信号发射，通过水声信道传输至监控与显示中心；3)监控与显示中心的水声接收换能器接收声信号并转换为电信号，经过A/D转换器和放大器滤波放大后发送到解调器和解码器，进行解调和解码，得到隔水管振动频率数据；4)根据隔水管振动信息判定隔水管是否发生涡激振动。

【技术特征摘要】
1.一种基于随机共振的隔水管涡激振动监测方法，其特征在于包括下述步骤：1)设置隔水管涡激振动监测系统，包括监测系统和监控与显示中心；所述的监测系统包括传感器、随机共振信号处理系统、处理器、功率放大器和水声发射换能器；所述的监控与显示中心包括水声接收换能器、A/D转换器、放大器、解调器和解码器；2)隔水管入水前，在隔水管上安装监测系统；当隔水管部署完成后，传感器工作获取隔水管的振动信号，所述的随机共振信号处理系统采用随机共振提高振动信号的信噪比，由处理器检测出隔水管的振动频率；振动频率信号通过功率放大器和水声发射换能器变换为声信号发射，通过水声信道传输至监控与显示中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，董海涛，周建良，许亮斌，申晓红，盛磊祥，马石磊，黄中明，锁健，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61