CN119004708B - 一种海上浮标连接螺栓失效预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋工程技术及航海保障领域，具体涉及一种海上浮标连接螺栓失效预警方法及系统。所述预警方法包括如下步骤：获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的基础参数；利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的评估模型；通过所述评估模型，设定螺栓的风险因子阈值；基于所述风险因子阈值，对螺栓的失效风险进行评估；根据所述评估的结果，实现对海上浮标连接螺栓失效的预警。本发明综合考虑了螺栓松动、断裂和腐蚀等失效风险，实现了对海上浮标连接螺栓失效的全面化、精细化和精确化预警，有利于对螺栓或浮标结构进行针对性的维修维护，大幅减少了人工巡检成本，提高了维护效率与准确性，确保了海上浮标长期稳定运行。

Description

一种海上浮标连接螺栓失效预警方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋工程技术及航海保障领域，具体涉及一种海上浮标连接螺栓失效预警方法及系统。

背景技术

海上浮标作为重要的助导航和监测设备，其稳定性和安全性直接关系到海上交通、渔业活动及海洋环境监测的顺利进行。海上浮标连接螺栓是其稳定性和安全性的关键部分，一旦螺栓失效，可能导致浮标结构松动、倾斜甚至解体，进一步导致航标失效，从而引发严重的安全事故。因此，提前判断浮标连接螺栓的状态，显得尤为重要。

现有技术中，提出了一种螺栓失效预警方法，该方法基于多元逻辑回归模型和卷积神经网络模型，通过超声波实现对螺栓预紧力和螺栓疲劳裂纹的检测，提高了预警的效率和可靠性。但是仍存在不足之处。一是由于未松动螺栓在发生过载断裂和脆性断裂前可能没有明显的预紧力变化，也没有明显的裂纹，导致难以实现对螺栓非疲劳失效的精确化检测；二是由于螺栓受到外界应力、内部氢渗透诱导的脆性应力和环境腐蚀等作用时，均能产生裂纹，导致难以通过裂纹获得引起螺栓失效的具体原因；三是由于通过螺栓预紧状态和裂纹状态仅能判断螺栓松动失效和疲劳失效，难以判断螺栓过载失效、氢致失效和腐蚀失效等其他失效形式，导致对螺栓失效的预警存在局限性；四是未综合考虑引起螺栓断裂、松动和腐蚀失效的影响因素，难以实现针对性的维修维护，极易造成螺栓二次甚至多次失效，进一步提高了维修维护成本。目前，针对海上浮标连接螺栓失效的研究工作并不多，尚无具体的一种海上浮标连接螺栓失效的全面化、精细化和精确化预警方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种海上浮标连接螺栓失效预警方法及系统。

一方面，所述方法包括如下步骤：获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的基础参数；利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的评估模型；通过所述评估模型，设定螺栓的风险因子阈值；基于所述风险因子阈值，对螺栓的失效风险进行评估；根据所述评估的结果，实现对海上浮标连接螺栓失效的预警。本发明综合考虑了海上浮标连接螺栓失效的影响因素，构建了具有针对性的用于评估螺栓失效风险的评估模型，进一步利用该评估模型，实现了对海上浮标连接螺栓失效的全面化、精细化和精确化预警。

可选地，所述获取海上浮标连接螺栓断裂、松动和腐蚀的基础参数包括：获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的环境参数，所述环境参数包括环境的腐蚀性因子、应力状态、温度、湿度、波面相对高度、波面相位和氢浓度；获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的自身参数，所述自身参数包括螺栓的几何尺寸、使用年限、耐腐蚀性因子、老化速率因子、抗拉强度、临界氢浓度和氢扩散速率。本发明通过获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的环境参数以及自身参数，能够更全面地评估海上浮标连接螺栓的安全状况，为预防故障、保障海洋监测或能源采集等活动的顺利进行提供科学依据。

可选地，所述利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的评估模型包括：利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的腐蚀风险评估模型；利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型；利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的松动风险评估模型。本发明分别构建了针对海上浮标连接螺栓失效风险的三大评估模型：腐蚀风险评估模型、断裂风险评估模型及松动风险评估模型；所述评估模型通过精准量化分析螺栓在不同环境条件下的腐蚀风险、断裂风险及松动风险，不仅有助于提前识别潜在的安全隐患，还能指导制定有效的维护策略，确保浮标系统的稳定运行；通过综合运用所述评估模型，能够显著提升海上设施的安全管理水平，保障海洋活动的顺利进行。

可选地，所述腐蚀风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓腐蚀风险因子，表示环境腐蚀性因子，表示螺栓耐腐蚀性因子，表示温度，表示应力大小, 表示湿度，表示螺栓长度与直径的比值, 表示老化速率因子，表示螺栓的使用年限，、、、表示权重系数。本发明构建的腐蚀风险评估模型不仅具有高度的科学性和准确性，还能根据不同环境条件灵活调整参数，确保评估结果的可靠性与适用性，为海上浮标等海洋设施的防腐设计、材料选择及定期维护提供了重要参考。

可选地，所述利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型包括：利用所述基础参数，构建螺栓的应力风险评估模型；利用所述基础参数，构建螺栓的氢脆风险评估模型；利用所述基础参数，构建螺栓的过载风险评估模型。本发明基于螺栓的自身参数和环境参数，分别构建了螺栓的应力风险评估模型、氢脆风险评估模型及过载风险评估模型；所述应力风险评估模型、氢脆风险评估模型和过载风险评估模型聚焦于螺栓在不同失效机制下的表现，如应力集中导致的疲劳断裂、氢元素渗透引发的氢脆现象，以及超过材料强度极限的过载断裂；通过精细化的模拟与计算，所述评估模型能够准确评估螺栓在不同情况下的失效风险，为海洋浮标和螺栓连接结构的安全设计、风险评估及维护策略制定提供科学依据，确保浮标系统在复杂海洋环境中的可靠性与耐久性。

可选地，所述应力风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓受到的交变应力风险因子，表示映射函数，表示最值化处理函数，表示第次交变应力对应的频率，表示第次波面平均水面高度，表示第次波面的初始相位，表示应变迟滞相位，表示在频率为时的交变应力幅值；所述氢脆风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓内部氢脆风险因子，为环境中的氢浓度，表示螺栓的临界氢浓度，是螺栓受到的应力，是螺栓的抗拉强度，是环境温度，是氢在螺栓内部的扩散速率，是暴露时间，为氢在螺栓内部的特征扩散时间，，，是螺栓材料、应力和时间因素的权重系数；所述过载风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓断裂过载风险因子，表示实时预紧力，表示工作载荷，表示极限抗拉强度，表示断裂韧性，表示初始韧性，表示环境修正系数，表示退化系数，表示权重系数。本发明构建的应力风险评估模型用于分析螺栓受到外界交变应力影响时的失效风险程度；构建的氢脆风险评估模型用于分析螺栓受到内部氢作用时的失效风险程度；构建的过载风险评估模型用于分析螺栓在过载情况下的失效风险程度；所述应力风险评估模型、氢脆风险评估模型和过载风险评估模型，为分析螺栓失效风险提供了参考，还促进了断裂力学的深入发展，为提升海洋浮标结构的安全性与可靠性奠定了坚实基础。

可选地，所述松动风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓松动风险因子，表示实时预紧力，表示初始预紧力，表示环境温度，表示环境湿度。本发明构建的松动风险评估模型，不仅能高效、准确的体现浮标连接螺栓的松动状态，还能够在早期阶段识别出松动迹象，避免因松动导致的结构性能退化与安全隐患；此外，该模型还促进了松动监测技术的智能化发展，为实现远程监控、自动预警与智能维护提供了有力支持，对于提升海洋浮标结构的安全性与可靠性具有重要意义。

可选地，所述通过所述评估模型，设定螺栓的风险因子阈值包括：通过用于评估螺栓失效风险的腐蚀风险评估模型，设定螺栓腐蚀的风险因子阈值；通过用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型，设定螺栓断裂的风险因子阈值；通过用于评估螺栓失效风险的松动风险评估模型，设定螺栓松动的风险因子阈值。本发明针对于螺栓的评估模型，设定了对应的风险因子阈值；所述风险因子阈值的设定，不仅为螺栓状态的实时监测与评估提供了科学依据，还确保了浮标结构安全性的有效管理，构成了预防螺栓失效、保障浮标结构完整性的重要防线，对于提升浮标结构的整体性能与可靠性具有深远影响。

可选地，所述基于所述风险因子阈值，对螺栓的风险进行评估包括：

基于螺栓松动的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的松动风险进行评估；基于螺栓断裂的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的断裂风险进行评估；基于螺栓腐蚀的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的腐蚀风险进行评估。本发明通过对比实际风险因子与各自的风险因子阈值，精确判断螺栓在不同风险维度上的状态，及时识别出潜在的安全隐患；这种多维度的风险评估方法，不仅增强了风险评估的准确性和可靠性，还为实现螺栓的预防性维护、优化检修策略提供了有力支持，进一步确保了螺栓始终处于受控状态，为浮标结构的安全稳定运行筑起了坚实的防线。

第二方面，本发明提供的一种海上浮标连接螺栓失效预警系统包括采集设备、输入设备、处理器、输出设备和存储器，所述采集设备、所述输入设备、所述处理器、所述输出设备和所述存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令，所述系统使用所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法。本发明所提供的海上浮标连接螺栓失效预警系统集成度高，结构紧凑，能够实现对浮标关键连接部位螺栓状态的实时、精准监控；该系统通过集成先进的监测技术与智能分析算法，能够提前预警螺栓可能出现的松动、断裂或腐蚀等失效风险，有效避免了因螺栓失效导致的浮标结构损坏及数据传输中断等问题；此外，该系统还具备自动化、智能化的特点，能够大幅减少人工巡检成本，提高维护效率与准确性，确保海上浮标长期稳定运行，为海洋环境监测、航运安全及科研活动提供可靠保障。

附图说明

图1为本发明实施例的海上浮标连接螺栓失效预警方法的流程图；

图2为本发明实施例的海上浮标的状态示意图；

图3为本发明实施例的海上浮标连接螺栓失效预警系统结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路，软件或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。

请参见图1，本发明的实施例提供了一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，该方法包括如下步骤：

S1.获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的基础参数。

其中，步骤S1包括如下步骤：

S11.获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的环境参数。

具体地，又包括如下步骤：

S111.获取环境温度。

在获取环境温度的过程中，所采用的设备包括但不限于温度传感器、热电偶。

在一个实施例中，在螺栓附近或螺栓上安装温度传感器，通过温度传感器连接的数据采集系统或读数设备读取温度数据。

在另一个实施例中，将热电偶安装在螺栓附近或螺栓上，确保热电偶的感温元件能够充分接触并准确反映螺栓周围的温度，通过热电偶连接的数据采集系统或读数设备读取温度数据。

S112.获取环境湿度。

在获取环境湿度的过程中，所采用的设备包括但不限于湿度传感器。

在一个实施例中，在螺栓安装位置附近或具有代表性的环境区域内安装湿度传感器，通过传感器连接的数据采集系统或读数设备实时读取湿度数据。

S113.获取环境腐蚀性因子。

所述获取环境腐蚀性因子的方式包括但不限于环境分析、试验测试和查阅标准与规范。

在一个实施例中，对螺栓周围环境中的腐蚀性介质进行成分分析，所述腐蚀性介质包括但不限于海水和海洋大气。

进一步地，利用浓度、温度和湿度检测器获取腐蚀性介质的浓度，环境温度和湿度等参数。

进一步地，利用数据处理的方式，获得一个用于评价该腐蚀性介质对螺栓腐蚀效果的环境腐蚀性因子，所述环境腐蚀性因子满足如下表达式：

其中，表示环境腐蚀性因子，表示腐蚀性介质浓度，该浓度主要通过计算海水中腐蚀性介质的浓度获得，表示温度，表示湿度，，，，是通过实验数据拟合得到的常数，它们反映了对腐蚀性因子的影响权重。

在另一个实施例中，通过模拟螺栓实际工作环境进行加速腐蚀实验，如盐雾试验，以获取螺栓在不同条件下的腐蚀数据。同时，利用电化学测试方法评估螺栓的腐蚀倾向和速率，从而获得环境腐蚀性因子。

在其他的一个实施例中，参考浮标连接螺栓的行业标准、国家标准或国际标准，了解螺栓在不同环境下的腐蚀性能和防腐要求，从而获得环境腐蚀性因子。

S114.获取环境应力状态。

所述获取环境应力状态包括获取环境应力大小和获取环境应力频率，所述获取环境应力大小的方法包括但不限于电阻应变法、磁弹性法、超声波法和X射线衍射法。

在一个实施例中，采用了电阻应变法，通过测量螺栓在受力时产生的电阻变化来推算其应力大小。该方法的优点在于操作简便、成本较低，适用于初步应力检测。

在另一个实施例中，采用了磁弹性法，通过利用螺栓在磁场中受力时产生的磁弹性效应来检测应力大小。该方法的优点在于非接触、无损伤，测量精度较高。

在其他的一个实施例中，通过向螺栓发射超声波并接收其反射信号来检测内部应力。该方法优点在于测量精度高、适用范围广，能实现非接触式测量。

所述获取环境应力频率的方式包括但不限于振动监测法。

在一个实施例中，通过在螺栓或附近结构上安装振动传感器，监测其振动频率和振幅，可以间接反映螺栓所受到的动态应力频率。

S115.获取波面相对高度。

所述获取波面高度的方法包括但不限于波浪浮标搭载加速度传感器法和北斗波浪浮标法。

在一个实施例中，采用了北斗波浪浮标法。

具体地，将北斗接收机安装在浮标上，并确保其能够正常接收卫星信号。

进一步地，浮标由于受到风载荷、浪载荷和撞击等能产生水面波动的外力影响因素时，浮标随波浪起伏，北斗接收机实时测量浮标的三维位置信息。

进一步地，通过对比不同时间点的位置信息，计算出浮标在垂直方向上的位移，即波面相对高度。

S116.获取波面相位。

所述获取波面相位包括但不限于获取波面的初始相位和获取应力导致的迟滞相位。

所述获取波面的初始相位包括但不限于波形拟合法。

在一个实施例中，利用数学方法对波面数据进行拟合，得到波形的表达式。所述数学方法包括但不限于傅里叶变换、小波变换，所述表达式包含振幅、频率、相位等参数。

所述获取应力导致的迟滞相位包括但不限于波面数据位置比较法、理论模型法和相位解缠绕算法。

在另一个实施例中，采用了波面数据比较法，利用波面数据检测仪获取不同时间的波面数据。通过计算浮标不同时间波面数据的相位差，可以估计出波面在传播过程中的迟滞相位。

S117.获取氢浓度。

所述获取氢浓度指的是获取螺栓周围环境的氢浓度，所述获取氢浓度的方式包括但不限于环境监测法。

在一个实施例中，在浮标连接螺栓附近安装专门的氢浓度传感器，实时监测周围环境中的氢浓度，所述氢浓度传感器通常具有较高的灵敏度和准确性，能够快速响应环境中氢浓度的变化。

S12.获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的自身参数。

具体地，又包括如下步骤：

S121.获取螺栓几何尺寸。

所述获取螺栓几何尺寸的方式包括但不限于卡尺和螺纹规。

在一个实施例中，利用卡尺和螺纹规来测量螺栓的直径和长度，所述螺栓的直径包括螺纹的直径和螺栓头的直径。

具体地，利用卡尺测量螺栓的长度，所述长度是从螺栓头顶部到螺纹末端的直线距离。

进一步地，利用螺纹规测量螺栓头的直径和螺纹的直径。

S122.获取螺栓使用年限。

所述获取螺栓使用年限的方式包括但不限于查阅产品规格和技术文档、材料性能测试以及模型分析。

在一个实施例中，通过查阅螺栓制造商提供的产品规格表、技术手册或数据表，获取螺栓的使用年限。这些文档通常会提供有关螺栓材料、性能、工作环境推荐以及预期寿命或使用年限的信息。

在另一个实施例中，通过对螺栓进行材料性能测试，如化学成分分析、机械性能测试（如拉伸试验、硬度测试）等，获取螺栓的使用年限。这些测试可以深入了解螺栓的材质特性和机械性能，为评估螺栓使用年限提供科学依据。

在其他的一个实施例中，通过有限元分析软件对螺栓在实际工作环境中的应力分布、温度场等进行模拟，从而预测其疲劳寿命和使用年限。这种方法可以较为准确地模拟复杂工况下的螺栓性能。

S123.获取螺栓耐腐蚀性因子。

所述获取螺栓耐腐蚀性因子的方法包括但不限于实验室测试和参考标准与规范。

在一个实施例中，根据螺栓的材料、使用环境和预期腐蚀类型（如均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀等），选择了合适的测试方法。常见的测试方法包括盐水浸泡加速实验、电化学测试、应力腐蚀试验等。

进一步地，选取具有代表性的螺栓样品，确保样品表面无缺陷、无污染，并符合测试要求。

进一步地，按照选定的测试方法，对螺栓样品进行腐蚀测试。记录测试过程中的各项参数，如腐蚀介质浓度、温度、时间等。

进一步地，对测试数据进行整理和分析，计算腐蚀速率、腐蚀深度等关键指标。根据这些数据，评估螺栓的耐腐蚀性，并计算出耐腐蚀性因子。

在另一个实施例中，查阅与螺栓耐腐蚀性相关的行业标准、国家标准或国际标准。这些标准通常包含了螺栓耐腐蚀性的具体要求、测试方法和评估标准。

进一步地，将待评估的螺栓性能与标准中的要求进行对比。特别是关注与耐腐蚀性相关的指标，如腐蚀速率、腐蚀深度等。

进一步地，根据对比结果，确定螺栓的耐腐蚀性是否符合标准要求。如果符合，可以根据标准中的评估方法或推荐值来确定螺栓的耐腐蚀性因子，所述耐腐蚀性因子满足如下表达式：

其中，表示螺栓的耐腐蚀性因子，表示腐蚀速率，表示腐蚀深度。

S124.获取螺栓老化速率因子。

所述获取螺栓老化速率因子的方法包括但不限于实验室测试和参考标准与规范。

在一个实施例中，选取具有代表性的螺栓样品，确保样品在材料成分、热处理状态、表面处理等方面与实际使用的螺栓一致。并对样品进行必要的预处理，如清洗、干燥、称重等，以便后续测试结果的准确比较。

进一步地，对螺栓样品进行老化测试，记录测试过程中的各项参数，如温度、湿度、腐蚀介质的浓度、应力状态等。并定期观察并记录螺栓样品的老化现象，如表面腐蚀、裂纹扩展、重量变化等。

进一步地，对测试数据进行多次整理和分析，计算出螺栓的老化速率因子，所述老化速率因子满足如下表达式：

其中，表示老化速率因子，表示温度，表示湿度，表示腐蚀介质浓度，表示应力的振动频率，表示表示权重系数。

S125.获取螺栓抗拉强度。

所述获取螺栓抗拉强度的方式包括但不限于实验室测试和参考标准与规范。

在一个实施例中，选取具有代表性的螺栓样品，确保样品在材料成分、热处理状态、尺寸等方面符合测试要求。

进一步地，准备拉力试验机，确保设备处于良好工作状态，并符合相关测试标准的要求。同时将螺栓样品安装在拉力试验机的夹具内，确保样品得到均匀拉力的施加。调整夹具位置，使螺栓的轴线与拉力方向一致。

进一步地，启动拉力试验机，逐步增加施加在样品上的拉力。在试验过程中，需要保持拉力的稳定施加，并记录拉力变化与样品的变形程度。继续增加拉力，直至样品发生断裂。此时，拉力试验机会记录下样品断裂前的最大承受拉力，即抗拉极限载荷。

进一步地，根据抗拉极限载荷和样品的直径，计算螺栓的抗拉强度，所述抗拉强度满足如下表达式：

其中，为螺栓的抗拉强度，为螺栓的横截面直径，为螺栓的抗拉极限载荷。

S126.获取螺栓临界氢浓度。

所述获取螺栓临界氢浓度的方法包括但不限于物理法、电化学法和气泡法。

在一个实施例中，采用了物理法来获取螺栓临界氢浓度。

具体地，从螺栓上截取代表性样品，确保样品能够反映螺栓的整体氢含量情况。

进一步地，通过高温熔化样品，利用真空提取技术测定氢原子含量。这种方法技术要求较高，通常用于精密测量。

进一步地，根据测定的氢含量数据，结合螺栓材料的氢脆敏感性数据，评估螺栓的临界氢浓度。

S127.获取螺栓中氢扩散速率。

所述获取螺栓氢扩散速率的方法包括但不限于实验测量法和理论计算法。

在一个实施例中，通过实验测量法，来获取螺栓氢扩散速率。

具体地，选择具有代表性的螺栓样品，确保其材料、尺寸、热处理状态等符合测试要求。

进一步地，对样品进行必要的预处理，如清洗、去除表面涂层或氧化物等。

进一步地，采用电化学充氢、热解吸等方法，将一定量的氢引入螺栓样品中。同时，控制引入氢的条件（如温度、压力、时间），以确保氢在样品中的分布和含量符合测试需求。

进一步地，将样品置于特定的环境（如恒温恒压室）中，让氢在样品内部自由扩散；在不同时间点上，采用适当的方法（如质谱仪、热脱附谱仪等）检测样品表面的氢含量，以反映氢在样品内部的扩散情况。

进一步地，根据实验数据，绘制氢含量随时间变化的曲线；通过分析曲线，计算出氢在螺栓样品中的扩散速率，所述扩散速率满足如下表达式：

其中，表示螺栓中氢扩散速率，表示氢含量，表示扩散时间。

S2.利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的评估模型。

其中，步骤S2又包括如下步骤：

S21.利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的腐蚀风险评估模型。

在一个实施例中，通过考虑螺栓腐蚀的多种影响因素，构建了螺栓的腐蚀风险评估模型，所述腐蚀风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓腐蚀风险因子，表示环境腐蚀性因子，表示螺栓耐腐蚀性因子，表示温度，表示应力大小, 表示湿度，表示螺栓长度与直径的比值, 表示老化速率因子，表示螺栓的使用年限，、、、、表示权重系数。该模型综合考虑了螺栓腐蚀的外界影响因素和内在影响因素，能够更全面地评估螺栓的腐蚀行为。

S22.利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型；

其中，步骤S22又包括如下步骤：

S221.利用所述基础参数，构建螺栓的应力风险评估模型。

在一个实施例中，将浮标受到的外界应力和水波变化联系起来，再对应力进行传导分析，进一步获得螺栓受到的应力风险因子；所述外界应力包括但不限于风载荷、浪载荷和碰撞产生的应力；所述应力风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓受到的交变应力风险因子，表示映射函数，表示最值化处理函数，表示第次交变应力对应的频率，表示第次波面平均水面高度，表示第次波面的初始相位，表示应变迟滞相位，表示在频率为时的交变应力幅值。

需要注意的是，映射函数的作用主要是将浮标受到的外力响应时程映射为螺栓受到的外力响应时程。

具体地，浮标受到外界应力的数据集为：

螺栓受到的外界传导应力的数据集为：

可以发现，映射函数仅将浮标受到的外界交变应力幅值和频率的数据进行了转换，得到螺栓受到的外界交变应力的幅值和频率，其余数据均不变。其中，螺栓受到的应力和频率会受到螺栓材质结构、浮标材质和传导距离的影响。到以及到的转换关系可以通过测量大量的数据，再对数据进行拟合分析获得。

需要注意的是，最值化处理函数的作用主要是获取螺栓所受交变应力响应时程的最大值。

具体地，通过最值化处理函数进行处理的结果如下：

其中，最值化处理函数仅对中需要最值化处理的数据进行处理。

S222.利用所述基础参数，构建螺栓的氢脆风险评估模型。

在一个实施例中，通过综合考虑螺栓附近氢的浓度、自身承载力以及外界环境的影响，构建了螺栓的氢脆风险评估模型，所述氢脆风险评估模型满足如下表达式：

其中，其中，表示螺栓内部氢脆风险因子，为螺栓内部的氢浓度，表示螺栓的临界氢浓度，是螺栓受到的应力，是螺栓的抗拉强度，是环境温度，是氢在螺栓内部的扩散速率，是暴露时间，为氢在螺栓内部的特征扩散时间，，，是螺栓材料、应力和时间因素的权重系数。

需要注意的是，各权重系数可以通过对数据进行拟合获得。另外，螺栓内部的氢浓度难以检测，可以通过环境中的氢浓度和螺栓内部的氢浓度之间找一个对应关系，仅需检测环境中的氢浓度便可获得螺栓内部的氢浓度。

具体地，引入一个训练函数，满足如下表达式：

其中，为螺栓附近空气中的氢浓度。通过该训练函数，去捕捉螺栓处于不同状态时，螺栓内部和环境中的氢浓度对应关系。该对应关系可以通过数据拟合获得。

S223.利用所述基础参数，构建螺栓的过载风险评估模型。

在一个实施例中，通过考虑螺栓预紧力、抗拉强度、韧性和其他因素，构建了螺栓的过载风险评估模型，所述过载风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓断裂过载风险因子，表示预紧力，表示工作载荷，表示极限抗拉强度，表示断裂韧性，表示初始韧性，表示环境修正系数，表示退化系数，表示权重系数。

需要注意的是，环境修正系数满足如下表达式：

其中，表示环境温度，表示环境湿度。退化系数满足如下表达式：

其中，表示最大反力值。所述最大反力值指螺栓在受到外部载荷超过其设计允许范围时，为了抵抗这种过载而产生的最大反作用力。所述最大反力值可以通过有限元分析（FEA）或其他力学分析工具来模拟分析确定。

另外，断裂韧性是螺栓在裂纹扩展过程中抵抗断裂的能力。它描述了螺栓在裂纹存在时，裂纹扩展所需的最小能量或应力强度因子。因此，该表达式中定义为螺栓刚开始产生裂纹时受到的最小应力；定义为初始裂纹扩展时受到的最小应力。

S23.利用所述基础参数，构建用于评估连接螺栓性能的松动风险评估模型。

在一个实施例中，通过考虑引起螺栓松动的各个参数，构建了螺栓的松动风险评估模型，所述松动风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓松动风险因子，表示实时预紧力，表示初始预紧力，表示环境修正系数。所述满足的表达式在步骤S223中已经介绍，因此，所述松动风险评估模型可进一步变形为：

其中，表示环境温度，表示环境湿度。

需要注意的是，实时预紧力指的是在不同时间点对螺栓拧紧的过程中，螺栓与被联接件之间实际产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力；初始预紧力指的是螺栓在最开始进行拧紧的过程中，螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力；所述实时预紧力和所述理想预紧力都可以通过压力传感器进行测量获得。

S3.通过所述评估模型，设定螺栓的风险因子阈值。

其中，步骤S3又包括如下步骤：

S31.通过用于评估螺栓失效风险的腐蚀风险评估模型，设定螺栓腐蚀的风险因子阈值。

其中，步骤S31又包括如下步骤：

S311.对所述腐蚀风险评估模型进行模型训练。

在一个实施例中，通过实验测试和资料查阅获取了螺栓腐蚀风险因子相关影响因素的数据集，如下所示：

该数据集包含了大量的测试数据，根据这些测试数据，进行拟合处理，可以求解得到腐蚀风险评估模型的权重系数。

进一步地，将求解得到的所述权重系数代入所述腐蚀风险评估模型中，可以获得腐蚀风险评估模型的优化模型。

S312.根据所述模型训练的结果，设定螺栓腐蚀的风险因子阈值。

在一个实施例中，考虑了螺栓腐蚀导致浮标与螺栓连接功能失效的情形，该情形可能是螺栓断裂，也可能是螺栓松动。

具体地，在保持其他外界因素稳定的情况下，仅考虑腐蚀对螺栓功能的影响。随着腐蚀程度的加深，进一步观察浮标与螺栓的连接功能。当螺栓连接功能失效时，记录所述优化模型相关参数的具体数据，然后将所述具体数据代入到所述优化模型中，求解得到腐蚀风险因子，记为。

需要注意的是，为了保证能够及时发现螺栓腐蚀风险的隐患，并采取相对应的措施，设置了一个腐蚀安全因子，记为。该安全因子按小于的十分之一进行设定。

因此，螺栓腐蚀的风险因子阈值设定如下：

S32.通过用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型，设定螺栓断裂的风险因子阈值。

所述用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型，包括了应力风险评估模型、氢脆风险评估模型和过载风险评估模型。

在一个实施例中，参考步骤S31的方法，对应力风险评估模型、氢脆风险评估模型和过载风险评估模型进行模型训练。例如，对应力风险评估模型进行训练，仅考虑该模型相应参数数据对应力分析结果的影响。

需要注意的是，螺栓断裂风险评估模型和腐蚀风险评估模型不一样的地方在于，断裂风险评估模型包含三个子模型，其中一个模型达到风险条件，即可导致浮标连接螺栓的功能失效。因此，仅需找到三个子模型风险因子对应的最小阈值，即可实现对螺栓失效功能的判定。

具体地，参考步骤S31的方法，确定三个子模型在螺栓发生连接失效时的风险因子。所述应力风险评估模型在螺栓发生连接失效时的风险因子记为，所述氢脆风险评估模型在螺栓发生连接失效时的风险因子记为，所述过载风险评估模型在螺栓发生连接失效时的风险因子记为。

进一步地，获取最小化风险因子，具体如下：

同样，为了保证获得提前预警并及时对螺栓进行维修维护的效果，设置一个断裂安全因子。该断裂安全因子按小于的十分之一进行设定。

进一步地，确定所述断裂风险评估模型的风险因子阈值。所述风险因子阈值为：

S33.通过用于评估螺栓失效风险的松动风险评估模型，设定螺栓松动的风险因子阈值。

在一个实施例中，参考步骤S31的方法，对螺栓松动的评估模型进行模型训练。仅考虑该模型相应参数数据对松动分析结果的影响。

当螺栓的连接功能失效时，将此时的松动风险因子记为，再按的十分之一设置一个松动安全因子。

进一步地，确定松动风险评估模型的风险因子阈值。所述风险因子阈值为：

S4.基于所述风险因子阈值，对螺栓的风险进行评估。

其中，步骤S4又包括如下步骤：

S41.基于螺栓腐蚀的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的腐蚀风险进行评估。

在一个实施例中，将根据实际数据求解得到的螺栓腐蚀风险因子与所述腐蚀风险因子阈值进行比较。将实际风险因子定义为。

当时，螺栓存在腐蚀导致失效的风险。

当时，螺栓不存在腐蚀导致失效的风险。

需要注意的是，该方法仅是判断螺栓的腐蚀是否存在导致失效的风险。

S42.基于螺栓断裂的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的断裂风险进行评估。

在一个实施例中，将根据实际数据求解得到的螺栓断裂风险因子与所述断裂风险因子阈值进行比较。将实际风险因子定义为。

当时，螺栓存在断裂导致失效的风险。

当时，螺栓不存在断裂导致失效的风险。

需要注意的是，该方法仅是判断螺栓的断裂是否存在导致失效的风险。

S43.基于连接螺栓松动的风险因子阈值和实际风险因子，对连接螺栓的松动风险进行评估。

在一个实施例中，将根据实际数据求解得到的螺栓松动风险因子与所述松动风险因子阈值进行比较。将实际风险因子定义为。

当时，螺栓存在松动导致失效的风险。

当时，螺栓不存在松动导致失效的风险。

需要注意的是，该方法仅是判断螺栓的松动是否存在导致失效的风险。

S5.根据所述评估的结果，实现对海上浮标连接螺栓失效的预警。

在一个实施例中，根据螺栓腐蚀、断裂和松动的风险评估结果，进行了合理化的预警方式设置。因为螺栓腐蚀、断裂和松动均可单独导致浮标连接螺栓的功能失效，所以可以设置三类预警方式。具体如下：

当螺栓存在腐蚀导致失效的风险时，发出腐蚀失效风险预警信号。所述腐蚀失效风险预警信号通过红色闪烁警报灯发出。

当螺栓存在断裂导致失效的风险时，发生断裂失效风险预警信号。所述断裂失效风险预警信号通过黄色闪烁警报灯发出。

当螺栓存在松动导致失效的风险时，发生松动失效风险预警信号。所述松动失效风险预警信号通过蓝色闪烁警报灯发出。

需要注意的是，只要接收到其中一个预警信号，就可以说明螺栓存在失效风险，极易对浮标结构造成影响。螺栓由于失效对浮标结构造成的影响包括但不限于浮标倾斜。针对于浮标倾斜的状态和正常的状态，如图2所示，图2中的(a) (b)表示的是浮标正常的状态，(c) (d)表示的是浮标由于螺栓失效造成的倾斜状态。

通过判断螺栓失效风险的预警信号，有利于及时判定浮标与螺栓之间的连接存在哪一种类型的失效风险，从而对浮标和螺栓进行针对性的维修维护。

请参见图3，图3为本发明实施例中的一种海上浮标连接螺栓失效预警系统结构示意图。该系统包括采集设备、输入设备、处理器、输出设备和存储器，所述采集设备、输入设备、处理器、输出设备和存储器相互连接，所述系统使用所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令。

在本实施例中，所述采集设备采用了多种仪器，包括但不限于压力传感器、温度传感器、湿度传感器、波面监测仪和浓度监测仪；所述采集设备用于采集应力状态、温度、湿度、腐蚀介质浓度、波面相对高度、波面相位和氢浓度等数据信息。

所述输入设备采用了一个触摸屏，所述触摸屏主要用于输入螺栓几何尺寸、使用年限、腐蚀性因子、耐腐蚀性因子、老化速率因子、抗拉强度、临界氢浓度、氢扩散速率、腐蚀风险因子阈值、断裂风险因子阈值和松动风险因子阈值等数据信息。

所述处理器作为系统的核心，包括计算模块和评估模块；

具体地，所述计算模块内置了诸多算法模型，包括螺栓腐蚀失效模型、断裂失效的三个子模型和松动失效模型，主要用于训练、解析螺栓失效模型并获得评估螺栓失效的风险因子；

所述评估模块内置比较算法，主要用于将螺栓失效的腐蚀风险因子、断裂风险因子、松动风险因子分别和对应的腐蚀风险因子阈值、断裂风险因子阈值、松动风险因子阈值进行大小比较，并将比较结果发送给输出设备。

所述输出设备包括显示屏、预警灯和大喇叭；

具体地，所述显示屏用于显示处理器处理的结果，所述结果包括“异常，存在螺栓腐蚀失效风险”，“异常，存在螺栓断裂失效风险”，“异常，存在螺栓松动失效风险”，“正常”；

所述预警灯包括红色闪烁警报灯、黄色闪烁警报灯和蓝色闪烁警报灯；所述红色闪烁警报灯用于预警螺栓腐蚀失效风险，所述黄色闪烁警报灯用于预警螺栓断裂失效风险，所述蓝色闪烁警报灯用于预警螺栓松动失效风险；

所述大喇叭在浮标连接螺栓“异常”情况下起作用。

所述存储器采用高速固态硬盘，具有读写速度快、容量大和可靠性高的特点，主要用于存储输入设备和采集设备获得的原始数据以及经过处理器处理后的结果数据，能够满足大数据量存储的需求。

综上所述，本发明提供的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法综合考虑了海上浮标连接螺栓失效的影响因素，构建了具有针对性的用于评估螺栓失效风险的评估模型，进一步利用该评估模型，实现了对海上浮标连接螺栓失效的全面化、精细化和精确化预警。与所述预警方法对应的预警系统能够实现对浮标关键连接部位螺栓状态的实时、精准监控；通过集成先进的监测技术与智能分析算法，能够提前预警螺栓可能出现的松动、断裂或腐蚀等失效风险，有效避免了因螺栓失效导致的浮标结构损坏及数据传输中断等问题；具备自动化、智能化的特点，能够大幅减少人工巡检成本，提高维护效率与准确性，确保海上浮标长期稳定运行，为航运安全、海洋环境监测及科研活动提供可靠保障。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

获取海上浮标连接螺栓松动、断裂和腐蚀的基础参数，所述基础参数包括环境参数和自身参数，所述环境参数包括环境的腐蚀性因子、应力状态、温度、湿度、波面相对高度、波面相位和氢浓度，所述自身参数包括螺栓的几何尺寸、使用年限、耐腐蚀性因子、老化速率因子、抗拉强度、临界氢浓度和氢扩散速率；

利用所述基础参数，构建用于评估螺栓失效风险的评估模型，所述评估模型包括腐蚀风险评估模型、断裂风险评估模型和松动风险评估模型，所述断裂风险评估模型包括应力风险评估模型、氢脆风险评估模型和过载风险评估模型，所述腐蚀风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓腐蚀风险因子，表示环境腐蚀性因子，表示螺栓耐腐蚀性因子，表示温度，表示应力大小, 表示湿度，表示螺栓长度与直径的比值, 表示老化速率因子，表示螺栓的使用年限，、、、、表示权重系数；

通过所述用于评估螺栓失效风险的评估模型，设定螺栓的风险因子阈值；

基于所述风险因子阈值，对螺栓的失效风险进行评估；

根据所述评估的结果，实现对海上浮标连接螺栓失效的预警。

2.根据权利要求1所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述应力风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓受到的交变应力风险因子，表示映射函数，表示最值化处理函数，表示第次交变应力对应的频率，表示第次波面的相对高度，表示第次波面的初始相位，表示应变迟滞相位，表示在频率为时的交变应力幅值，表示暴露时间；所述氢脆风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓内部氢脆风险因子，为环境中的氢浓度，表示螺栓的临界氢浓度，是螺栓受到的应力，是螺栓的抗拉强度，是环境温度，是氢在螺栓内部的扩散速率，是暴露时间，为氢在螺栓内部的特征扩散时间，，，是螺栓材料、应力和时间因素的权重系数；所述过载风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓断裂过载风险因子，表示实时预紧力，表示工作载荷，表示极限抗拉强度，表示断裂韧性，表示初始韧性，表示环境修正系数，表示退化系数，表示权重系数。

3.根据权利要求1所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述松动风险评估模型满足如下表达式：

其中，表示螺栓松动风险因子，表示实时预紧力，表示初始预紧力，表示环境温度，表示环境湿度。

4.根据权利要求1所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述通过所述评估模型，设定螺栓的风险因子阈值包括：

通过用于评估螺栓失效风险的腐蚀风险评估模型，设定螺栓腐蚀的风险因子阈值；

通过用于评估螺栓失效风险的断裂风险评估模型，设定螺栓断裂的风险因子阈值；

通过用于评估螺栓失效风险的松动风险评估模型，设定螺栓松动的风险因子阈值。

5.根据权利要求1所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述基于所述风险因子阈值，对螺栓的失效风险进行评估包括：

基于螺栓松动的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的松动失效风险进行评估；

基于螺栓断裂的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的断裂失效风险进行评估；

基于螺栓腐蚀的风险因子阈值和实际风险因子，对螺栓的腐蚀失效风险进行评估。

6.一种海上浮标连接螺栓失效预警系统，所述系统使用权利要求1至5任意一项所述的一种海上浮标连接螺栓失效预警方法，其特征在于，所述系统包括采集设备、输入设备、处理器、输出设备和存储器，所述采集设备、所述输入设备、所述处理器、所述输出设备和所述存储器相互连接，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器被配置用于调用所述程序指令。