CN102997041A - 一种高温压力管道结构损伤在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温压力管道结构损伤在线监测装置。本发明通过软硬件控制设置来实现的，硬件设置包括焊接式高温应变计、引线、引线座、环形固定支架、联接螺栓、引线固定卡座、隔热层等；软件设置主要集中在测试终端的上位机。软件系统以损伤识别模块为中心，实时采集损伤表征物理量，通过损伤模型实时计算出损伤因子DI(t)，并用此损伤因子来判断传感路径的损伤程度。本发明能够在复杂环境下对各种金属压力管道损伤进行在线监测，可以准确地识别与定位多损伤，且具有灵敏度高，便于安装等特点。

Description

一种高温压力管道结构损伤在线监测装置

技术领域

本发明涉及一种对在役高温压力管道损伤检测技术领域的方法，具体是一种高温压力管道结构损伤在线监测装置。

背景技术

现代工业中，高温压力管道广泛应用于化工、石油企业、电厂等，其安全可靠性是预防管道泄漏和爆炸事故发生的重要保障。由于高温蠕变和管壁腐蚀减薄等因素，导致压力管道结构损伤。早期损伤是由微小损伤裂纹引起，在应力集中部位的材料蠕变损伤积累发展到一定程度形成宏观裂纹，在复杂环境下很可能快速发展为大损伤，往往导致重大安全事故发生，造成更大经济损失。因此建立一套在役高温压力管道结构损伤在线监测装置，能够提供高温管道的动态、实时、在线的结构损伤监测数据，提供预报信息，对于消除故障隐患以及避免灾难性事故的发生具有重要意义。

随着石油、化工等传统工业日益向大规模、高效率发展，作为企业生产中至关重要的高温压力管道，目前应用的损伤分析判别技术还不能做出准确的预警和安全评估。载荷应力、热应力等引起的损伤是压力管道主要损伤模式之一，实现对高温压力管道结构损伤在线监测的核心技术是高温环境下应变测量装置。已有用于测量损伤变形的传感装置较多，比如一种电站锅炉主蒸汽管道高温蠕变监测系统201020270797.4，通过高分辨率相机拍摄监测薄片的应变，但是图像信号受工作环境的影响较大，容易失真。比如在役长输油气管道应力应变无损监测装置201120181082.6，但是这些装置一般仅适合常温工作环境下的应变测量，不满足高温环境下设备在线监测要求。目前高温管道应变监测技术手段还有引伸式传感器装置，但是这些装置系统的稳定性及精度要求高，而且累积误差大，影响测量结果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种在役高温压力管道结构损伤在线监测装置，实时动态监测高温管道的结构损伤状况。该装置包括硬件和软件两部份，可用于复杂的高温环境，能够准确地识别与定位多损伤，灵敏度高、便于安装。

本发明是通过以下技术方案是这样实现的：

高温压力管道结构损伤在线监测装置，其特征在于通过下面的硬件、软件控制设置来实现：

所述的监测装置硬件部份包括环形固定支架2、可调节联接螺栓3、焊接式高温应变计4、应变计引线5、引线座6、隔热层7、引线固定卡座8。所述的环形固定支架2与被测高温压力管道1同轴安装在管道表面，其下端联接处通过联接螺栓3将其固定在压力管道表面，环形固定支架2主要起到固定应变计引线。采用点焊方式10，将焊接式高温应变计4牢牢地安装在被测高温压力管道的表面上。首先应变计引线5通过引线座6将其固定在被测结构表面，然后再通过卡座8将引线固定在环形固定支架2的隔热层7上，以防高温损坏，最后应变计引线5与测试终端9相连接。上述监测装置硬件中，联接螺栓3可以调节环形固定支架2内径大小；应变计引线5通过引线固定卡座8将引线固定在环形固定支架2的隔热层7上。

所述的监测装置软件部份主要集中在测试终端的上位机。软件系统以损伤识别模块为中心，首先建立一个ARMA(n，m)模型为：

其中

为ARMA模型AR部分的第k阶系数，θ_j为ARMA模型MA部分的第j阶系数，n和m分别为AR部分和MA部分的阶次，a_i(t)是残差项并属于正态白噪声序列。由损伤因子计算模块执行事先编制好的ARMA(n，m)模型程序，采用AIC准则：

取使AIC值最小的n和m为模型最优阶次，根据最小二乘方法计算出ARMA(n，m)模型的参数

及

然后采用有限元模拟、理论分析计算出监测点无损伤时的结构特征量均值μ_λu。另外，依据模型最优阶次的计算结果为n＝m＝3，通过ARMA(3，3)模型参数

及θ₁，θ₂，θ₃计算出工作状态下的监测点的动态结构特征量均值μ_λd(t)。通过损伤因子公式DI(t)＝|μ_λd(t)-μ_λu|/μ_λu，可求出各时间段的损伤因子DI(t)，并用此损伤因子来判断传感路径的损伤程度。

上述监测装置软件设计中，当实际损伤因子发生变动即对象模型误差变化时，或者用户希望获得较高的精确度时，在线调节模型阶数值，使得输出值为无偏估计。另外，上位机中建立由在线动态采集数据组成的实时数据库，根据设定的算式和时间间隔，可以自动地给出任意时段的在役高温压力管道各监测点的损伤状态。

本发明的优点在于：

(1)本发明可用于高温环境下的各种在役金属管道长期在线监测，结构简单、多点测量、系统误差小、数据准确、成本低。

(2)本发明装置质量轻，在长期、稳定地获取管道应变监测数据的同时，不影响在役高温管道的运行环境，基本不增加管道表面的载荷。

(3)本发明软件部份应用ARMA模型实时在线计算损伤因子DI(t)，输出损伤识别结果，操作简单。

附图说明

图1是本发明的高温压力管道结构损伤在线监测装置示意图。

其中：1被测高温压力管道，2环形固定支架，3可调节联接螺栓，4焊接式高温应变计，5应变计引线，6引线座，7隔热层，8引线固定卡座，9测试终端，10点焊方式。

图2为本发明监测装置纵向示意图。

图3是本发明的结构损伤在线监测软件部份工作流程图。

图4为本发明实施例中的某发电厂高温主蒸汽管道的损伤识别结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的某实例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

将本发明提出的方法用于某火力发电厂在役高温压力管道的损伤识别，某厂一台已运行10年以上带基本负载的火电机组，过热蒸汽压力为26MPa、温度为600℃。主蒸汽管道材料为12Cr1MoV钢，规格为Φ540×85mm。对主蒸汽管道的20个易损伤关键点进行实时监测，其目的是动态监测高温管道的结构安全状况，在线进行损伤计算分析，实施生产过程化工设备在线状态预警控制，减少非计划性停车。

参见图1所示，首先将环形固定支架2安装在被测高温压力管道1上，采用可调节联接螺栓3紧固。采用点焊方式10，将焊接式高温应变计4牢牢地安装在被测高温压力管道的表面上。然后应变计引线5通过引线座6将其固定在被测结构表面，然后再通过卡座8将引线固定在环形固定支架2的隔热层7上，以防高温损坏，最后应变计引线5与测试终端9相连接。

参见图3所示，在本发明软件部份损伤识别模块中，ARMA模型和损伤识别算法采用Matlab R2010a版语言开发。该损伤识别系统模块存储在上位机中，可实时自动地给出任意时间段各监测点的损伤状态。在本发明中，传感信号采集单元21选取Agilent公司生产的全数字式120个单端通道34980A信号采集仪，该系统每通道高达2MHz信号采样率，因此本发明的损伤识别系统具有较高的动态范围、精度和更快的响应速度。

按照损伤识别工作流程图3操作，在进入损伤识别之前，先依据实时采集的信号，对蒸汽管道各监测点的轴向应变测量数据进行分析，为损伤识别提供数据准备。不失一般性，例如取某火力发电厂在役高温压力管道6、15号监测点应变测量数据日平均值分析，6号监测点2011年3月10日至4月29日的共50天的测量数据如下(单位：mm)：0.012、0.013、0.012、0.013、0.014、0.014、0.013、0.014、0.015、0.015、0.016、0.015、0.015、0.016、0.017、0.017、0.016、0.018、0.018、0.019、0.019、0.018、0.02、0.02、0.021、0.021、0.021、0.022、0.023、0.023、0.023、0.023、0.025、0.026、0.026、0.026、0.027、0.028、0.029、0.03、0.029、0.032、0.033、0.034、0.035、0.036、0.039、0.041、0.043、0.045。15号监测点2011年3月10日至4月29日的共50天的测量数据如下(单位：mm)：0.009、0.009、0.01、0.01、0.011、0.011、0.011、0.012、0.012、0.013、0.013、0.014、0.014、0.015、0.015、0.015、0.016、0.016、0.017、0.017、0.017、0.018、0.018、0.019、0.019、0.020、0.02、0.021、0.021、0.022、0.022、0.023、0.023、0.024、0.025、0.025、0.026、0.026、0.027、0.028、0.029、0.03、0.03、0.031、0.032、0.033、0.034、0.036、0.038、0.04。根据6、15号监测点的数据分析这两处高温压力管道损伤状况，对信号建立ARMA(n，m)模型，N＝50，其中n和m分别从1取到10，然后计算出各自所对应的AIC值，取使AIC最小的n和m为模型的阶次，计算结果为n＝m＝3。则该ARMA(3，3)模型为：

其中：t＝1，2，...，50。根据最小二乘方法计算出ARMA(3，3)模型的参数

及θ₁，θ₂，θ₃。

第三步，采用有限元模拟、理论分析计算出高温压力管道20个监测点无损伤时的结构特征量均值μ_λu。另外，通过ARMA(3，3)模型参数及θ₁，θ₂，θ₃计算出工作状态下的20个监测点的动态结构特征量均值μ_λd(t)。通过损伤因子公式DI(t)＝|μ_λd(t)-μ_λu|/μ_λu，可求出各时间段的损伤因子DI(t)。

第四步，计算所有传感器路径的损伤因子DI(t)，并用此值来判断传感器路径被损伤影响的程度，损伤监测界面上动态显示各监测点的损伤状况。

本实施例以这些因素的统计数据为依据，构造一个ARMA(3，3)模型来分析主蒸汽管道6、15号监测点的损伤因子，某一时间段内的各监测点的损伤数据结果见表1。本发明实施例中的某发电厂高温压力管道2011年3月10日至4月29日各监测点的损伤识别结果如图4所示。从附图4可以看出，监测点12号损伤因子值较大，该点最易发生损伤突变。

表1某一时间段内高温压力管道的各监测点的损伤结果

Claims (4)

1.一种高温压力管道结构损伤在线监测装置，其特征在于，所述的监测装置硬件部份包括环形固定支架(2)、联接螺栓(3)、焊接式高温应变计(4)、应变计引线(5)、引线座(6)、隔热层(7)、引线固定卡座(8)；所述的环形固定支架(2)与被测高温压力管道(1)同轴安装在管道表面，环形固定支架(2)下端联接处通过联接螺栓(3)将其固定在压力管道表面；采用点焊方式(10)，将焊接式高温应变计(4)牢牢地安装在被测高温压力管道的表面上。利用引线座(6)将应变计引线(5)固定在被测结构表面，然后通过卡座(8)将引线固定在环形固定支架(2)的隔热层(7)上，以防高温损坏，最后应变计引线(5)与测试终端(9)相连接。

所述的监测装置软件部份主要集中在测试终端的上位机，软件系统以损伤识别模块为中心，首先建立一个ARMA(n，m)模型，n和m分别为AR部分和MA部分的阶次。由损伤因子计算模块执行事先编制好的ARMA(n，m)模型程序，采用AIC准则：

取使AIC值最小的n和m为模型最优阶次，根据最小二乘方法计算出ARMA(n，m)模型的参数及θ₁，θ₂，…θ_m。然后采用有限元模拟、理论分析计算出监测点无损伤时的结构特征量均值μ_λu。另外，依据模型最优阶次的计算结果为n＝m＝3，通过ARMA(3，3)模型参数

及θ₁，θ₂，θ₃计算出工作状态下的监测点的动态结构特征量均值μ_λd(t)。通过损伤因子公式DI(t)＝|μ_λd(t)-μ_λu|/μ_λu，可求出各时间段的损伤因子DI(t)，并用此损伤因子来判断传感路径的损伤程度。

2.根据权利要求1所述的一种高温压力管道结构损伤在线监测装置，其特征在于，其中硬件部份：联接螺栓(3)可以调节环形固定支架(2)内径大小；应变计引线(5)通过卡座(8)将引线固定在环形固定支架(2)的隔热层(7)上。

3.根据权利要求1所述的一种高温压力管道结构损伤在线监测装置，其特征在于，其中软件部份：当实际损伤因子发生变动即对象模型误差变化时，或者用户希望获得较高的精确度时，在线调节模型阶数值，使得输出值为无偏估计。

4.根据权利要求1所述的一种高温压力管道结构损伤在线监测装置，其特征在于，其中硬件部份：高温应变测量装置与所述传感器集成在一起，以便高温应变计在所述监测结构表面上安装后，所述传感器装置感测监测结构表面传递的损伤响应信号。

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