CN105782726A - 管道结构应力疲劳监控新系统 - Google Patents

Abstract

一种基于实时测量震动加速度数据的管道结构应力和疲劳监控的新系统。震动传感记录器实时数据采集，监控在管道结构不同位置采集得到的加速度信息，由模态选择和叠加方法精确得到所在测量位置的曲率和应力，达到监控高危环境下长期作业的结构疲劳和安全目的。

Description

管道结构应力疲劳监控新系统

技术领域

本发明应用于管道结构安全监控，有效预防结构事故和危险物泄露。通过采集实时震动数据，精确得到重点薄弱环节的应力和疲劳，达到监控高危环境下长期作业的结构疲劳和安全目的。

背景技术

管道结构是能源生产和运输的重要传媒，由于高温高压的特殊要求，管道结构安全凸显的尤为重要。由于管道结构失效，尤其是震动疲劳引起的结构失效，引起的安全事故在国内外都时有发生。其中很大一部分事故经过深入调查发现，如果及时采取相应的措施，尤其是及时合理的监控，很多事故是可以合理避免的。因此，监控管道的作业状态在提高管道结构安全方面显得尤为重要。

传统的应力和疲劳监控是采用应变片监控，就是在要检测的位置安装应变片和数据采集和传输系统。这种方法经常要求移除管道外壁的涂层，同时需要人工的精确安装。这在容易腐蚀、高温高压、以及难以进行人工安装的高危环境下是很难实现满意的解决方案。

发明内容

为了解决在高温高压易腐蚀、和无法进行人工安装的高危环境下的管道结构安全检测，本发明提供的解决方案是采用安装特殊的震动传感记录器进行实时的震动测量，该系统模块测量所安装位置的震动的加速度或者转动加速度，而不是采用传统方法安装应变片测量应变。同时通过系统中数据采集模块把采集的震动数据记录下来，然后通过系统数据传输模块把数据传输到可以数据处理模块。在数据处理模块中，应用模态选择和叠加的求解方法，计算出重要位置的对应应力和疲劳结果，从而达到监控长期作业的结构疲劳和安全目的。

本发明的有益效果是：实时监测管道结构的震动状态，处理震动监控数据得到对应应力和疲劳结果，从而达到监控长期作业的结构疲劳和安全目的。

附图说明下面结合附图和实施案例对本发明进一步说明。

图1是安装在海洋平台上的管道以及震动监控系统的示例图。

图2是震动传感记录器的结构流程和工作示意图。

图3是震动监控系统的数据采集、存储和处理过程流程示意图。

图4是模态形状示意图。

具体实施方式

本发明提供的解决方案是采用安装特殊的震动传感记录器进行实时的震动测量，主要原理是利用加速度和角速度传感器记录所安装位置的震读数据，然后通过模态确认和叠加的方法计算整个管道结构的应力和疲劳分布，从而达到监控整个管线结构疲劳和安全目的。

图1示例图显示的是一个深水开采系统10，由一个海洋平台11，通过管道结构12连接到海底的井头防爆装置13。海洋平台上安装有电缆处理系统15，数据采集和处理系统14。如图例所示，特制的震动传感记录器16安装在管道结构的不同位置，通过电缆17连接到海洋平台上的数据采集和处理系统14。

在图2所示示例是震动传感器16的内部结构和工作流程示意图。震动加速度传感器23和加速度传感器24记录采集对应数据后，传输给模拟电路模块25。然后数据经模拟电路模块传输给数字电路模块26，进行数据的数字化和缓冲以便以后传输到外部网络服务器28。数字电路模块处理后的数据经过信号转换模块27处理后，可以以指定的传输模式传输到外部网络28。电源主板22通过外部电源21给模拟电路模块、数字电路模块和信号转换模块提供充足的电源用以保证各功能正常运转。

图3展示了本发明的震动监控系统的数据采集、存储和处理过程流程示意图。在进行震动传感记录器的数据处理进行之前，要先在安装好的管道系统进行模态分析，得到不同频率对应的不同的响应模态35。求解分析过程中，需要管道相关属性和运行数据（比如直径、壁厚、水深、管道应用张力等）才能够准确得到相应的模态频率和形状。比如对于铰接边界条件的一阶模态的对应形状是半个正弦波，二阶模态对应形状是整个正弦波，以此类推。

震动记录传感记录器16以特定的取样频率（比如0.01秒）测量所安装位置的震动加速度和角速度31，并记录在震动传感器的记忆芯片32中。数据采集和处理系统14通过间接的电缆17读取存储在记忆芯片的数据33。如前所述，所存储和读取的数据都是在时域空间下的数据。通过傅里叶变换，把读取的数据从时域转化到频域下，就可以得到所安装位置受到激发的频率以及震动的振幅34。测量得到的激发频率和预先分析得到的解析结果35进行比较和筛选，进而可以确定参加相应的模态数目和范围36，比如模态2、5、7通过对比比较确认参加了震动相应。接下来根据确定参加相应的模态的振幅计算每个模态对于整个震动的贡献（即权重值）37，比如前例所示，模态2权重为30%，模态5权重为50%，模态7权重为20%。在接下来的过程中，根据权重叠加参加相应的模态得到叠加模态，从而得到模态总相应38。这样就可以计算在管道结构任何位置的对应曲率和应力39。然后通过反傅里叶变换后，把在频域下的应力分布转换为在时域下的应力分布。通过常规的雨流计数等方法就可以计算管道上任何关键位置的疲劳损伤状况，从而达到监控整个管线结构疲劳和安全目的。

图4展示的是模态选择和叠加的示意图。根据测量数据对比，左图显示的是参加相应的模态2、5、7，通过对比比较确认参加了震动相应。根据测量得到的振幅得到，模态2权重为30%，模态5权重为50%，模态7权重为20%。右图显示的是根据权重叠加参加相应的模态得到总叠加模态。得到叠加的总模态后，就可以计算在管道结构任何位置的对应曲率和应力，以及疲劳损伤状况。

Claims (4)

1.感记录器实时数据采集，监控在管道结构不同位置采集得到的加速度信息。

2.采集到的加速度数据通过傅里叶变换，把数据从时域转化到频域下，可以得到所安装位置受到激发的频率以及震动的振幅。

3.量得到的激发频率和预先分析得到的解析结果比较和筛选，由模态选择和叠加方法精确得到所在测量位置的曲率和应力。

4.反傅里叶变换后，把在频域下的应力分布转换为在时域下的应力分布，计算得到任何关键位置疲劳损伤。