CN110231111A - 一种埋地管道非接触式应力实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，包括以下步骤：选取与埋地管道相同材质、管径和壁厚的管道进行提离效应测试，获得多组提离高度下的提离磁场梯度模量；利用matlab拟合G₁‑h关系曲线，得到提离梯度模量与提离高度的定量关系式中参数a₁、b₁、a₂、b₂的数值大小；将非接触式检测装置放置于埋地管道的正上方，得到该埋地管道的磁场梯度模量；最后根据上述得到的埋地管道的磁场梯度模量计算埋地管道的实时应力。本发明克服应力‑应变片监测只能反应管道的应力变化值以及接触式监测方式在现场安装使用受限的问题；从而避免管道发生过大荷载与应力作用下的失效与断裂事故。

Description

一种埋地管道非接触式应力实时监测方法

技术领域

本发明涉及一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，属于埋地管道应力监测领域。

背景技术

目前，针对埋地管道应用较广泛的监测方式为应力-应变片监测。如图1所示，常用的应变片由迭层薄膜、金属电阻片和塑料薄膜组成。将应变片贴在被测管道上，通过测量金属电阻片的阻值变化，对管道的应力值变化进行测定，从而实现管道应力的监测。

现在现有的监测存在以下缺点:

(1)根据应变片的原理，应力-应变片监测不能确定被测管道的初始应力值σ₀，它主要对压力与荷载引起的应力变化值进行响应，因而不能反应管道的真实应力状态，无法确定管道的安全状况；

(2)同时，应力-应变片监测采用的是接触式监测方式，针对埋地管道必须进行开挖，限制了在复杂地质环境中的应用，且增加了安装难度和费用。

发明内容

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，该方法克服应力-应变片监测只能反应管道的应力变化值以及接触式监测方式在现场安装使用受限的问题；从而避免管道发生过大荷载与应力作用下的失效与断裂事故。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，包括以下步骤：

步骤S10、选取与埋地管道相同材质、管径和壁厚的管道进行提离效应测试，获得多组提离高度h下的提离磁场梯度模量G₁；

步骤S20、利用matlab拟合G₁-h关系曲线，得到提离梯度模量G₁与提离高度h的定量关系式中参数a₁、b₁、a₂、b₂的数值大小；所述定量关系式为：

式中：G₁为提离磁场梯度模量；h为提离高度；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。

步骤S30、将非接触式检测装置放置于埋地管道的正上方，得到该埋地管道的磁场梯度模量G；

步骤S40、最后根据上述得到的埋地管道的磁场梯度模量G计算埋地管道的实时应力σ，其计算公式为：

式中：σ为实时应力；β为与管道埋深有关的磁信号变换系数；DQ为埋地管道背景磁场的梯度模量；h₁是指埋地管道的埋深；h₀是指标准高度，取值为1m；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。

进一步的技术方案是，所述非接触式检测装置包括非接触式应力监测仪、通过通讯扩展线与非接触式应力监测仪连接的数据采集器、通过网线与数据采集器连接的工业路由器、逆变控制器、蓄电池、电源控制器、通过电源线连接在电源控制器上的太阳能板，所述数据采集器、工业路由器分别接入逆变控制器，所述逆变控制器、蓄电池通过电源线并联接入电源控制器，所述非接触式应力监测仪的两端分别设有三轴磁阻传感器。

进一步的技术方案是，所述三轴磁阻传感器为AMR三轴磁阻传感器，其AMR三轴磁阻传感器包括依次电连接的惠斯通电桥、运算放大器、滤波器、模数转换器和USB芯片。

进一步的技术方案是，所述非接触式应力监测仪与埋地管道垂直。

进一步的技术方案是，所述步骤S10中通过监测仪测量管道的提离磁场梯度模量G₁。

进一步的技术方案是，所述提离高度h为监测仪到管道中心之间的高度。

本发明具有以下优点：

(1)基于建立的铁磁材料的力-磁定量关系，将监测得到的管道磁场梯度模量转化为管道应力值，从而实现管道当前真实应力状态的监测；

(2)基于建立的应力状态危险系数SDC计算模型表征管道的应力集中危险程度，并设定了监测分级响应状态，实现应力超标情况下的紧急预警；

(3)非接触式应力实时监测与预警系统采用地面安装的方式，相较于应变片接触式监测，节省了开挖安装成本，在传感器故障维修时维修费用更低。

附图说明

图1是现有技术中应变片组成图；

图2是提离效应测试实验图；

图3是非接触式检测装置放置于埋地管道的示意图；

图4是非接触式检测仪采集磁感应强度三分量的示意图；

图5是非接触式检测装置的结构示意图；

图6是AMR三轴磁阻传感器的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，包括以下步骤：

步骤S10、(如图2所示)选取与埋地管道相同材质、管径和壁厚的管道进行提离效应测试，获得多组提离高度h下的多组提离磁场梯度模量G₁；

步骤S20、利用matlab拟合G₁-h关系曲线，得到提离梯度模量G₁与提离高度h的定量关系式中参数a₁、b₁、a₂、b₂的数值大小；所述定量关系式为：

式中：G₁为提离磁场梯度模量；h为提离高度；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。

采用上述的方法对材质为L360，管道规格为Φ508×9mm的钢管进行实验，得到a₁、b₁、a₂、b₂分别为15170、12.73、-1.01、0.686，即变换系数β的定量关系式为：

步骤S30、(如图3所示)将非接触式检测装置放置于埋地管道的正上方，非接触式检测装置放置方向为管道的径向方向，得到该埋地管道的磁场梯度模量G；

具体的是：如图4所示，采集同一管道截面两侧两个测点的磁感应强度三分量B_x、B_y和B_z；其中X方向为管道的径向水平方向，Y方向为管道的轴向方向，Z方向为管道的竖直方向；

然后以下公式计算得到该管道截面的磁感应强度三分量沿垂直于管道轴向(X方向)的梯度以及磁场梯度模量G：

式中：i为磁感应强度的x，y，z方向；B_i1为1号传感器i方向的磁感应强度；B_i2为2号传感器i方向的磁感应强度；l为监测仪的长度；

步骤S40、最后根据上述得到的埋地管道的磁场梯度模量G计算埋地管道的实时应力σ，其计算公式为：

式中：σ为实时应力；β为与管道埋深有关的磁信号变换系数；DQ为埋地管道背景磁场的梯度模量；h₁是指埋地管道的埋深；h₀是指标准高度，取值为1m；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。其中埋地管道背景磁场的梯度模量DQ通过非接触式检测装置得到埋地管道所在地点的背景磁场。

其中上述步骤S40得到每个实时磁场梯度模量G对应的实时应力σ，其中在监测中

在本实施例的基础上还可以进行危险状态预警；具体的是：

先通过上述步骤S40中得到的实时应力σ计算应力状态危险系数SDC，其计算公式如下：

SDC＝-0.6245ln(σ)+1.5

然后根据应力状态危险系数SDC确定当前管道的监测状态，并预警；管道的监测状态分级如表1所示；

表2监控分级响应状态

SDC值	安全状况	监测状态
			(0，0.2]	高风险	紧急预警
(0.2，0.6]	中风险	重点监控
			(0.6，1)	低风险	正常运行

如图5所述，所述非接触式检测装置包括非接触式应力监测仪1、通过通讯扩展线3与非接触式应力监测仪1连接的数据采集器4、通过网线5与数据采集器连接4的工业路由器6、逆变控制器11、蓄电池10、电源控制器9、通过电源线8连接在电源控制器9上的太阳能板7，所述数据采集器4、工业路由器6分别接入逆变控制器11，所述逆变控制器11、蓄电池10通过电源线并联接入电源控制器9，所述非接触式应力监测仪1的两端分别设有三轴磁阻传感器2。

本检测装置的工作过程是：如图3所示，将非接触式应力监测仪1沿管道的水平径向方向放置在埋地管道的正上方，非接触式应力监测仪1两端的1号传感器和2号传感器分别采集到埋地管道两侧的两个测点的磁感应强度三分量，并传输到数据采集器4，通过数据采集器4的计算模块得到磁场梯度模量；

如图6所示，所述三轴磁阻传感器为AMR三轴磁阻传感器，其AMR三轴磁阻传感器包括依次电连接的惠斯通电桥、运算放大器、滤波器、模数转换器和USB芯片。惠斯通电桥用于将测量管道的磁信号转换成电压信号，运算放大器将电压信号放大倍数，增大输出电压，滤波器用于滤除电压信号中的高频噪声，模数转换器将输入的电压信号转换为一个输出的数字信号，然后通过USB芯片桥接模数转换器和数据采集器4，将数字信号外输至数据采集器4。

其中针对埋地管道尤其是长输管道的监测任务，一般情况下现场供电条件差，不能提供AC220V的交流电，因此采用太阳能系统对监测设备进行供电。

太阳能系统主要由太阳能板7、电源控制器9、蓄电池10和逆变控制器11组成。其工作过程是：

太阳光照射太阳能板7产生的电流经过电源控制器9对蓄电池10充电，蓄电池10的电能经过逆变控制器11变成AC220V交流电供监测设备使用。

蓄电池10具有电量储备功能，它在有光照条件下电量逐渐累积，当遇到阴雨天太阳能板7不能为蓄电池充电时，蓄电池10储存的电量可供系统继续工作，依然可稳定提供电源。

在长期连续阴雨天条件下(5天及以上)，太阳能发电量不足，蓄电池10电压持续下降，当蓄电池10电压低于设定阀值，供电系统关闭负载输出功能，保护蓄电池。当蓄电池10电压升至设定值，供电系统自动恢复供电。

上述实施例具有以下优点：

(1)基于建立的铁磁材料的力-磁定量关系，将监测得到的管道磁场梯度模量转化为管道应力值，从而实现管道当前真实应力状态的监测；

(2)基于建立的应力状态危险系数SDC计算模型表征管道的应力集中危险程度，并设定了监测分级响应状态，实现应力超标情况下的紧急预警；

(3)非接触式应力实时监测与预警系统采用地面安装的方式，相较于应变片接触式监测，节省了开挖安装成本，在传感器故障维修时维修费用更低；

(4)整套监测装置采用模块化设计，发生故障时只需对故障模块进行维修，大大提高了系统维修效率，同时可以根据用户需求增加不同的功能模块；

(5)AMR磁阻传感器采用坡莫合金作为惠斯通电桥的电阻材料，该材料具有精度高，体积小，稳定性好等优点，且工艺上只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，不需要昂贵的制造设备，适合批量生产和更迎合消费类电子市场的需求。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、选取与埋地管道相同材质、管径和壁厚的管道进行提离效应测试，获得多组提离高度h下的提离磁场梯度模量G₁；

步骤S20、利用matlab拟合G₁-h关系曲线，得到提离梯度模量G₁与提离高度h的定量关系式中参数a₁、b₁、a₂、b₂的数值大小；所述定量关系式为：

式中：G₁为提离磁场梯度模量；h为提离高度；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。

步骤S30、将非接触式检测装置放置于埋地管道的正上方，得到该埋地管道的磁场梯度模量G；

步骤S40、最后根据上述得到的埋地管道的磁场梯度模量G计算埋地管道的实时应力σ，其计算公式为：

式中：σ为实时应力；β为与管道埋深有关的磁信号变换系数；DQ为埋地管道背景磁场的梯度模量；h₁是指埋地管道的埋深；h₀是指标准高度，取值为1m；a₁、b₁、a₂、b₂分别为参数。

2.根据权利要求1所述的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，所述非接触式检测装置包括非接触式应力监测仪、通过通讯扩展线与非接触式应力监测仪连接的数据采集器、通过网线与数据采集器连接的工业路由器、逆变控制器、蓄电池、电源控制器、通过电源线连接在电源控制器上的太阳能板，所述数据采集器、工业路由器分别接入逆变控制器，所述逆变控制器、蓄电池通过电源线并联接入电源控制器，所述非接触式应力监测仪的两端分别设有三轴磁阻传感器。

3.根据权利要求2所述的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，所述三轴磁阻传感器为AMR三轴磁阻传感器，其AMR三轴磁阻传感器包括依次电连接的惠斯通电桥、运算放大器、滤波器、模数转换器和USB芯片。

4.根据权利要求2或3所述的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，所述非接触式应力监测仪与埋地管道垂直。

5.根据权利要求1所述的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，所述步骤S10中通过监测仪测量管道的提离磁场梯度模量G₁。

6.根据权利要求5所述的一种埋地管道非接触式应力实时监测方法，其特征在于，所述提离高度h为监测仪到管道中心之间的高度。