CN108181064B - 一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法，该方法是在管螺纹的螺纹接头表面粘贴一个压电陶瓷片，利用扫描电压信号对压电陶瓷片施加激励，驱动压电陶瓷片产生机械振动，随后带动管螺纹发生振动响应，由于松动引起的管螺纹的物理属性变化，直接影响到与管螺纹耦合的压电陶瓷片的振动响应信号，压电陶瓷片将振动信号转化为压电阻抗信号并被阻抗分析仪采集，通过对比分析接收到的电阻抗信号与正常密封状态下接收信号基准值的差异来判断和识别此时被测管螺纹的密封状态。本发明可简单方便地实现管螺纹密封状态(松动泄漏)的监测和识别，极大的提高了管螺纹连接的安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，产生积极的意义。

Description

一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术领域，涉及一种螺纹连接松动监测，具体涉及一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法。

背景技术

管螺纹连接作为连接构件被广泛应用于中小尺寸管路系统中，由管螺纹连接的管线具有定心、导向作用好，装配、拆卸方便，能够承受较大的轴向力和扭矩的优点。然而，管螺纹连接的管线在日常工作过程中，不可避免的受到各种外部荷载和振动作用影响，疲劳荷载效应随着管螺纹服役时长的增加而逐渐累积，如果缺乏合理有效地定期检修和维护机制，管螺纹连接常常会发生松动而导致泄漏发生，造成公共资源的浪费，严重时甚至会引发安全性事故，给全社会的人民生命财产安全埋下了巨大的隐患。因此，如何解决有密封要求的管路中管螺纹接头的松动泄漏问题长期以来一直被人们所关注，寻找一种简单有效、经济环保的管螺纹接头松动状态实时监测方法成为了当务之急。

压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate,PZT)以其特有的传感和作动功能而成为近年来在航空航天、能源、机械、建筑结构等领域广泛研究和应用的智能材料之一，其因具有响应快、频率范围宽、易裁剪、价格低廉等特点而在工程结构监测方面存在着巨大的应用潜力。而其中，基于压电陶瓷传感器的压电阻抗技术，因同时利用到压电材料的正逆压电效应，仅在被测结构表面粘贴或内部预埋一个压电陶瓷传感器，即可实现被测结构微小物理特性改变的监测和识别。这些特性使压电阻抗技术成为结构健康监测领域一种具有广阔发展和应用前景的监测识别新技术新方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对管螺纹接头松动监测领域的空白，提出一种基于压电阻抗法的管螺纹松动病害的监测方法，可以对管螺纹接头的松动进行实时准确地监测和识别。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，将一个压电陶瓷片以表面粘贴的方式固定于螺纹接头的表面，在压电陶瓷片表面进行防水绝缘处理；

步骤二，将压电陶瓷片通过线缆与阻抗分析仪相连接，然后将阻抗分析仪与电脑分析终端相连接；

步骤三，电脑分析终端通过线缆控制阻抗分析仪产生一扫频电压信号，经线缆传输到粘贴在管螺纹接头表面的压电陶瓷片上，由于压电材料的逆压电效应，压电陶瓷片产生机械振动，并带动压电陶瓷片附近的管螺纹接头产生振动响应；与此同时，管螺纹的振动响应又被压电陶瓷片所捕捉和采集，由于压电材料的正压电效应，该振动响应又会引起压电陶瓷片电阻抗信号的变化，经线缆传输到阻抗分析仪，随后转化为数字信号，传输到电脑分析终端；

步骤四，在电脑分析系统中定义管螺纹正常密封工作状态下，所监测采集的压电陶瓷片电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值；之后，通过监测后续服役状态下不同时期管螺纹连接测量电阻抗信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析并计算管螺纹接头的松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出管螺纹接头的密封情况。

作为改进，步骤四中，管螺纹正常密封工作状态下采集的压电陶瓷片电阻抗基准信号，取管螺纹安装完成投入使用初期的采集信号，或者是在通过现有技术检测方法确认管螺纹没有松动泄漏发生时，进行实验采集的信号。

作为改进，在步骤四中，识别特征参数为可以表征电阻抗信号特征的直接测量值或者衍生值。

作为改进，所述识别特征参数包括接收电阻抗信号的实部、虚部、相位角、绝对值、峰值频率中任意一种或几种组合，和或电阻抗的倒数-电导纳信号的实部、虚部、相位角、绝对值、峰值频率中任意一种或几种组合。

作为改进，松动评判指标包括上述识别特征参数的信号特征值的相对变化值和或变化相对均方差，所定义的松动评判指标越大，则表明被测管螺纹接头的服役状态较正常密封状态差异越明显，即发生松动泄漏的可能性越大，松动病害越严重。

作为改进，步骤一中，在压电陶瓷片表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理。

作为改进，所述扫频电压的输出和电阻抗信号的采集接收装置为阻抗分析仪，阻抗分析仪通过夹具转接线缆与压电陶瓷片相连接，阻抗分析仪通过LAN线缆与电脑分析终端相连。

作为改进，所述电脑分析终端通过阻抗分析仪产生的激励信号为扫频电压信号。

本发明的有益效果在于将基于压电陶瓷传感器(压电陶瓷片)的压电阻抗技术应用到管螺纹接头的工作状态(或松动病害)的监测和识别，原理明确、成本低廉、操作简单易行、识别准确，可以实现管螺纹密封工作状态的长期在线监测和识别，对于减少管螺纹接头松动泄漏病害的发生，降低整个管道系统的监测和运行维护成本，科学评判和预测管螺纹的服役安全和剩余寿命，保障整个管螺纹系统工程的安全高效运转，维护广大人民的生命财产安全，将产生积极的意义。

另外本发明无需对待监测的管螺纹接头进行特殊定制，仅仅将单个压电陶瓷片通过粘贴方式固定在已有管螺纹接头上即可，方便快捷，使用成本低廉。

附图说明

附图1为本发明的管螺纹连接及压电陶瓷片布置示意图。

附图2是本发明的管螺纹松动状态监测装置示意图。

附图3是本发明的监测方法逻辑结构图。

附图4是基于压电陶瓷片的压电阻抗技术原理图。

附图5是管螺纹连接在密封和松动状态下螺纹接触面积减小对比示意图；

其中图5a为管螺纹连接密封状态示意图，图5b为管螺纹连接松动状态下示意图。

图中：1-螺纹管，2-螺纹接头，3-压电陶瓷片，4-夹具转换线缆，5-阻抗分析仪，6-LAN线缆，7-电脑分析终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做具体的描述：

两个螺纹管1通过螺纹接头2进行管螺纹连接，形成管螺纹接头，之后采取表面粘贴的方式将一个压电陶瓷片3固定于螺纹接头2的表面，如图1所示，并在压电陶瓷片3表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；

将压电陶瓷片3正反面通过合适的夹具转换线缆4连接到阻抗分析仪5上，本实施例采用的阻抗分析仪5为高精度阻抗分析仪，随后，阻抗分析仪5通过LAN线缆6与电脑分析终端7相连；

如图2和图3所示，电脑分析终端7通过LAN线缆6控制阻抗分析仪5产生一扫频电压信号，并通过夹具转换线缆4输出到压电陶瓷片3上，利用压电材料的逆压电效应，扫频电压信号驱动压电陶瓷片3产生机械振动，从而带动压电陶瓷片3周边的管螺纹接头产生振动响应；与此同时，振动响应信号被压电陶瓷片3所捕捉和采集，利用压电材料的正压电效应，压电陶瓷片3将捕捉的振动响应信号转化为电阻抗信号，经夹具转换线缆4传回到阻抗分析仪5，阻抗分析仪5将接收的电阻抗信号转化为数字信号，之后通过LAN线缆6传输回电脑分析终端7；

在电脑分析系统中定义管螺纹正常密封工作状态下，所测得的压电陶瓷片3的电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期管螺纹连接测量采集的电阻抗信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析并计算松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出管螺纹接头的密封情况。所定义的松动评判指标越大，则表明被测管螺纹连接的工作状态较正常密封状态偏差越大。

例如，当通过本发明采集到压电陶瓷片3的电阻抗信号Z后，可计算出电阻抗信号Z的衍生值(电阻抗的倒数)-电导纳信号Y，假设将电导纳信号Y的实部G(电导)作为识别特征参数，则此时管螺纹的松动评判指标，即可用电导G的平方根偏差(Root-mean-square-deviation,RMSD)来表示，即

其中，G(ω_i)表示压电陶瓷片在扫描电压频率点ω_i下测量的导纳实部信号值，G₀(ω_i)是管螺纹正常密封状态下扫描频率点ω_i下的基准导纳实部信号值，N表示扫描电压频率范围[ω₀ω₁]内的总测点数。其中，上式中的电导纳实部信号G还可由电阻抗信号的电阻、电抗、峰值频率或电导纳信号的电导、电纳和峰值频率等来代替。

这里给出本发明的基本原理，首先需要了解基于压电陶瓷片(压电陶瓷传感器)的压电阻抗法的基本原理，方便起见，压电陶瓷片与被测主体结构的机电耦合特性可以用图4所示的一维SMD(质量弹簧阻尼)模型来加以表示和分析。首先，输入高频交流电压对压电陶瓷片(PZT)进行高频激励，由于压电材料的逆压电效应，激励电压驱动压电陶瓷片产生x方向的机械振动，从而带动主体结构发生振动，此时主体结构与压电陶瓷片相互耦合，主体结构的物体特性参数(质量M、刚度K和阻尼C)变化直接影响到与之耦合的压电陶瓷片的振动响应，在压电材料正压电效应的作用下，压电陶瓷片的振动响应又输出为电阻抗信号，因此通过监测压电陶瓷片的电阻抗信号的变化即可间接地反映出主体结构的振动特性，即结构的健康状况。

针对于管螺纹连接，两个螺纹管1通过螺纹接头2进行管螺纹连接，如图5所示，当管螺纹发生松动时，假设螺纹接头2保持位置固定，螺纹管1沿着松动方向(这里假设逆时针方向)发生扭转(如图1)，此时螺纹管1与螺纹接头2的螺纹接触面积随之减小。针对管螺纹，假设螺纹管1逆时针方向每转动一周，其与螺纹接头2的接触面积减小ΔS₀，此值在管螺纹出厂时即确定，仅跟管螺纹的几何参数有关(螺纹直径、牙形角、导程等)。

这里假设管螺纹松动时，螺纹管1发生逆时针θ的扭转，此种松动状态下，管螺纹接触面积改变量ΔS可以表示为：

公式(2)可以表述为：

ΔS∝θ公式(3)

即当管螺纹发生松动时，螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积变化量与螺纹管1沿松动方向扭动的转角成正比。

因此，当管螺纹发生松动时，螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积随之减小，由此带来管螺纹接头的结构局部刚度和阻尼等物理属性的变化。当用扫频电压信号激励压电陶瓷片时，压电陶瓷片产生的机械振动带动管螺纹发生振动，此时，主体结构物理属性的改变直接影响到与管螺纹耦合的压电陶瓷片的振动响应，随后，包含结构物理属性变化信息的振动响应信号被压电陶瓷片捕捉并转化为电阻抗信号，之后，将采集到的电阻抗信号与管螺纹正常密封状态下采集到的压电阻抗基准信号进行对比分析。当无变化时，则表明管螺纹密封良好，无松动泄漏发生，否则表明管螺纹出现了松动，从而实现对管螺纹连接密封状态的监测和甄别。本发明提出的方法原理简单、操作易行，对管螺纹微小松动变化也能做到准确实时的监测和识别。

本发明利用管螺纹连接在松动发生时，螺纹管和螺纹接头之间的螺纹接触面积发生改变，由此带来的管螺纹物理属性改变直接反馈在与管螺纹耦合的压电陶瓷片的电阻抗信号变化上的基本原理，通过比较分析实际采集的压电陶瓷片电阻抗信号与管螺纹密封状态下参考值的相对大小，即可简单高效地实现管螺纹密封状态的监测和识别，对于提高管螺纹连接的安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

Claims (7)

1.一种基于压电阻抗法的管螺纹松动监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，将一个压电陶瓷片以表面粘贴的方式固定于螺纹接头的表面，在压电陶瓷片表面进行防水绝缘处理；

步骤二，将压电陶瓷片通过线缆与阻抗分析仪相连接，然后将阻抗分析仪与电脑分析终端相连接；

步骤三，电脑分析终端通过线缆控制阻抗分析仪产生一扫频电压信号，经线缆传输到粘贴在管螺纹接头表面的压电陶瓷片上，由于压电材料的逆压电效应，压电陶瓷片产生机械振动，并带动压电陶瓷片附近的管螺纹接头产生振动响应；与此同时，管螺纹的振动响应又被压电陶瓷片所捕捉和采集，由于压电材料的正压电效应，该振动响应又会引起压电陶瓷片电阻抗信号的变化，经线缆传输到阻抗分析仪，随后转化为数字信号，传输到电脑分析终端；

步骤四，在电脑分析系统中定义管螺纹正常密封工作状态下，所监测采集的压电陶瓷片电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值；之后，通过监测后续服役状态下不同时期管螺纹连接测量电阻抗信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析并计算管螺纹接头的松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出管螺纹接头的密封情况；

松动评判指标包括上述识别特征参数的信号特征值的相对变化值和或变化相对均方差，所定义的松动评判指标越大，则表明被测管螺纹接头的服役状态较正常密封状态差异越明显，即发生松动泄漏的可能性越大，松动病害越严重；

当管螺纹发生松动时，假设螺纹接头保持位置固定，螺纹管沿着松动方向，此时螺纹管与螺纹接头的螺纹接触面积随之减小；针对管螺纹，假设螺纹管逆时针方向每转动一周，其与螺纹接头的接触面积减小ΔS₀；

这里假设管螺纹松动时，螺纹管发生逆时针θ的扭转，此种松动状态下，管螺纹接触面积改变量ΔS表示为：

公式(2)可以表述为：

ΔS∝θ 公式(3)

即当管螺纹发生松动时，螺纹管和螺纹接头的螺纹接触面积变化量与螺纹管沿松动方向扭动的转角成正比。

2.如权利要求1所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：步骤四中，管螺纹正常密封工作状态下采集的压电陶瓷片电阻抗基准信号，取管螺纹安装完成投入使用初期的采集信号，或者是在通过现有技术检测方法确认管螺纹没有松动泄漏发生时，进行实验采集的信号。

3.如权利要求1或2所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：在步骤四中，识别特征参数为可以表征电阻抗信号特征的直接测量值或者衍生值。

4.如权利要求3所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：所述识别特征参数包括接收电阻抗信号的实部、虚部、相位角、绝对值、峰值频率中任意一种或几种组合，和或电阻抗的倒数-电导纳信号的实部、虚部、相位角、绝对值、峰值频率中任意一种或几种组合。

5.如权利要求1所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：步骤一中，在压电陶瓷片表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理。

6.如权利要求1所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：扫频电压的输出和电阻抗信号的采集接收装置为阻抗分析仪，阻抗分析仪通过夹具转接线缆与压电陶瓷片相连接，阻抗分析仪通过LAN线缆与电脑分析终端相连。

7.如权利要求1所述的管螺纹松动监测方法，其特征在于：所述电脑分析终端通过阻抗分析仪产生的激励信号为扫频电压信号。

Images