CN114813848A - 一种电熔接头损伤监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电熔接头损伤监测系统用于可导电非金属管道电熔接头的损伤监测，损伤监测系统包括：数据采集模块、数据库、数据处理模块以及损伤判断模块；数据处理模块用于处理数据采集模块采集的电阻数据，获得第一监测值和第二监测值；损伤判断模块用于将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断电熔接头发生了损伤。本发明提出的电熔接头损伤监测系统和方法利用电熔接头本体材料的传感特性，在无需外接传感器的情况下实现了电熔接头损伤状态的实时监测与评估，提升了非金属管道的安全性和可靠性。

Description

一种电熔接头损伤监测系统及方法

技术领域

本发明专利涉及管道监测领域，特别涉及一种电熔接头损伤监测系统及方法。

背景技术

在非金属管道的连接技术中，电熔连接技术因其现场安装方便、操作标准化高、性能可靠等优点，是目前常用的连接方法。目前，通过纤维增强层和钢丝网骨架增强，部分大口径非金属管材的承压能力已经突破6.4MPa，电熔接头的强度已经成为限制高压复合管发展的主要瓶颈。根据美国PPDC (Plastic Pipe Database Committee)对管道系统失效原因的分析，53%的管道失效发生在管件处。电熔接头的强度已经成为限制非金属管道系统发生的一个瓶颈。另一方面，随着非金属管道在氢气、燃气、核电等领域的应用，这对管道系统的安全性也提出了更高的要求。

因此，为提高电熔接头的承压强度，同时实现电熔接头的安全监测，发明人团队首次提出了具有应变自监测功能的短碳纤维增强塑料电熔管件（参考中国发明专利ZL201910147997.6）。该发明通过在聚合物基体中填充碳纤维以增强电熔接头本体材料的力学强度，由此提升电熔接头的承压强度。另一方面，利用碳纤维优异的导电性，在电熔接头本体材料中形成微观导电网络，使得电熔接头本体材料具有电学传感特性，由此实现了基于电阻测量的电熔接头应变自监测。目前对该类型电熔接头的研究主要集中在电熔接头的制备工艺（ZL201911289769.9）、电极布置（ZL202110042251.6）、模具结构（ZL202010793068.5、ZL201911403395.9）方面，以提升电熔接头的结构增强效果和监测电阻的可靠性。

现有的基于电阻测量的电熔接头监测研究中，能够监测得到内压作用下电熔接头的电阻变化。然而，目前还未见一种公开的、有效的根据电熔接头监测电阻变化判断接头的损伤状态的方法。这是由于导电复合材料电熔接头的损伤监测效果受接头本体材料性能、接头结构及载荷类型等多种因素的影响。材料方面，接头本体的导电复合材料的体积电导率会随着材料的应力水平发生变化；结构方面，电熔接头作为结构不连续处，内冷焊区存在明显的应力集中；受载方面，电熔接头承受内压、轴向载荷以及重力等复杂载荷作用。另一方面，实现电熔接头损伤监测的前提是能够量化表征电熔接头的损伤程度，目前无论是聚合物电熔接头还是导电复合材料电熔接头，均缺乏电熔接头的损伤量化表征研究。

因此，本发明旨在提出一种非金属管道电熔接头损伤监测方法及系统，基于该方法及系统实时监测并评估电熔接头的损伤状态，提升非金属管道的安全性和可靠性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电熔接头损伤监测系统，用于可导电非金属管道电熔接头的损伤监测，损伤监测系统包括：

数据采集模块、数据库、数据处理模块以及损伤判断模块；

其中数据采集模块通过一对监测电极连接到待监测的电熔接头，用于导通并采集两个监测电极之间电熔接头的电阻数据；

数据库用于储存第一损伤临界值、第二损伤临界值、数据采集模块采集的电阻数据、数据处理模块处理的数据、损伤判断模块处理的数据；

数据处理模块用于处理数据采集模块采集的电阻数据，获得第一监测值和第二监测值；

损伤判断模块用于将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；

当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断电熔接头发生了损伤。

根据本发明的一个实施例，电熔接头包括：聚合物基体以及导电填料，导电填料均匀分布在聚合物基体中形成导电网络，其中，聚合物基体包含聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺中的至少一种或多种；导电填料包含碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、金属纤维、镀金属玻璃纤维、石墨烯、炭黑中的至少一种或多种。

根据本发明的一个实施例，第一损伤临界值和第二损伤临界值为，通过对电熔接头试样施加载荷监测获得，预先储存于数据库中，其中电熔接头试样为与待监测的电熔接头材料、结构基本相同的电熔接头。

根据本发明的一个实施例，第一损伤临界值和第二损伤临界值为，通过对多个电熔接头试样施加载荷监测并计算平均值或者最小值而获得。

根据本发明的一个实施例，所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值为从以下数值中选择两个不同的值：损伤时刻的监测电阻值、监测电阻的变化值、监测电阻值的变化率、监测电阻相对变化曲线斜率的变化率；所述第一监测值和所述第二监测值为分别与所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值相对应的实时监测值。

根据本发明的一个实施例，第一监测值为待监测电熔接头的监测电阻值的变化率；第二监测值为待监测电熔接头的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率。

根据本发明的一个实施例，损伤监测系统连接到多个待监测电熔接头，同时执行多个待监测电熔接头的损伤监测。

根据本发明的一个实施例，还包括结果展示模块，结果展示模块用于接收并展示损伤判断模块发送的信息。

根据本发明的一个实施例，提供了一种电熔接头损伤监测方法，电熔接头损伤监测方法包括以下步骤：

预先对电熔接头试样施加载荷，记录电熔接头试样的电阻值数据并储存入数据库，电阻值数据至少包括：初始电阻值、损伤时刻电阻值以及从初始到损伤时刻之间多个时间周期内的电阻变化值；

对电阻值数据进行计算获得电熔接头试样损伤时刻的第一损伤临界值、第二损伤临界值，并储存入数据库；

对待监测电熔接头进行监测，获得第一监测值和第二监测值；

将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断为发生了损伤。

根据本发明的一个实施例，

第一损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻值的变化率，监测电阻值的变化率为该时刻电阻值相对初始电阻值的变化绝对值与电熔接头试样初始电阻值的比值；第二损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率，监测电阻相对变化曲线斜率的变化率为通过计算电熔接头试样在损伤时刻的前后各一个时间周期内监测电阻相对变化曲线的斜率的比值；

第一监测值为待监测电熔接头的监测电阻值的变化率；第二监测值为待监测电熔接头的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率；

当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断为发生了损伤。

与以往的相关技术相比，本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

（1）本发明提出的电熔接头损伤监测系统和方法利用电熔接头本体材料的传感特性，在无需外接传感器的情况下实现了电熔接头损伤状态的实时监测与评估，提升了非金属管道的安全性和可靠性；

（2）本发明提出的电熔接头损伤监测系统和方法通过采用不同维度的多个临界值来进行电熔接头损伤监测，能够克服单个临界值监测判断带来的不确定性和精准度不高的问题；

（3）本发明通过选择组合形式的损伤临界值进行判断，既可以实时监测短时间内突发损伤，又能够监测在长时间服役载荷作用下损伤的萌生与慢速扩展；

（4）本发明量化表征了电熔接头的损伤程度，结合电熔接头的监测电阻测量数据，获取了用于电熔接头损伤评估的关键参数：监测电阻值的变化率和监测电阻相对变化曲线斜率的变化率，并确定了其损伤临界值，为基于电阻测量的电熔接头损伤判断提供基础数据。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明一实施例的电熔接头损伤监测系统框架图。

图2是本发明一实施例的电熔接头示意图。

图3（a）是本发明另一个实施例的电熔接头示意图，图3（b）为该电熔接头的剖面图。

图4是本发明一实施例的电熔接头损伤监测方法流程图。

图5是本发明一实施例的电熔接头损伤量化表征流程图。

图6为本发明一实施例的电熔接头损伤量化表征结果。其中，图6（a）为电熔接头承压强度随接头内压关系曲线，图6（b）为电熔接头损伤程度随接头内压关系曲线。

图7为本发明一实施例的电熔接头的监测电阻变化以及接头内压随时间变化曲线。

图8为本发明一实施例的电熔接头施加内压载荷至接头失效过程中接头监测电阻随内压变化曲线。

图9为本发明一实施例的电熔接头监测电阻与接头损伤程度对比结果。

图10为本发明一实施例的电熔接头损伤监测过程电阻变化曲线。

图11为本发明另一个实施例的电熔接头损伤监测过程电阻变化曲线。

附图说明：管材1、电熔接头2、数据采集模块3、成对的监测电极4、分段式电阻丝5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

附图1-11所描述的为本发明实施的较佳示意图，但是本发明所涉及的具体技术形式也可以以其他类似的方式实施，并不仅限于附图1-11所给出的框架和顺序。更精确地讲，本发明所给出的实施流程是该发明所涉及技术领域中较为透彻全面理解本发明技术路线的较好方式。

除本发明外另有定义词汇外，本发明中所使用的全部技术和科学术语均与本发明技术领域内所属技术人员通常理解的内容相同。本发明内容和实施路线中所使用的术语只是为了更好地表达本发明技术流程中具体实施的步骤，并不仅仅局限在所描述的术语内。

在合理情况下，本发明公开的实施方式中各个实例是可以互相组合的。

图1是本发明一实施例的电熔接头损伤监测系统框架图。参考图1，在一个实施例中该电熔接头损伤监测系统用于可导电非金属管道电熔接头的损伤监测，损伤监测系统包括：数据采集模块3、数据库、数据处理模块以及损伤判断模块。

在一个实施例中，管材1是非金属管道，或非金属复合管。例如可以是聚乙烯管道、金属增强聚乙烯管道、PVC管道、聚丙烯管道、聚酰胺管道等。

其中，数据采集模块3包括了电熔接头监测电阻测量、采集和传输功能，该数据采集模块3可以同时用于多个电熔接头的监测电阻测量，以减少管线中数据采集模块3的数量。

数据采集模块3通过一对监测电极连接到待监测的电熔接头，用于导通并采集两个监测电极之间电熔接头的电阻数据。待监测的电熔接头是可导电非金属管道电熔接头。

在一个实施例中，待监测的电熔接头2本体材料为填充型导电复合材料，基体为聚乙烯和聚丙烯等聚合物材料，填料为碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、金属纤维、镀金属玻璃纤维、石墨烯、炭黑等导电填料。均匀分布在聚合物基体中的导电填料能够形成微观的导电网络，提升复合材料的导电性。在电熔接头表面粘贴成对的监测电极，可以测量得到两个电极之间电熔接头本体材料的电阻。当电熔接头发生损伤时，接头内部会出现塑性变形或者微观裂纹等缺陷，导致接头本体材料中的微观导电网络发生破坏，从而降低电熔接头本体材料的导电性，由此测量得到的电熔接头监测电阻会随之增加。

在一个优选的实施例中，待监测的电熔接头可以是本发明人团队在先前研究中提出的具有应变自监测功能的短碳纤维增强塑料电熔管件，包括但不限于在中国发明专利ZL201910147997.6、ZL201911289769.9、ZL202110042251.6、ZL202010793068.5以及ZL201911403395.9等专利文献中公开的已知电熔接头。以Dn 110 mm电熔接头为例，该电熔接头本体材料为短碳纤维增强聚乙烯导电复合材料。由于碳纤维材料优异的导电性，填充在聚乙烯基体中的碳纤维形成微观的导电网络，能够提升复合材料的导电性。此外，待监测的电熔接头还可以是其他类型的可导电电熔管件。

图2是本发明一实施例的电熔接头示意图。如图2所示，在电熔接头表面粘贴成对的监测电极4，可以测量得到两个电极之间电熔接头本体材料的电阻。当电熔接头发生损伤时，接头内部会出现塑性变形或者微观裂纹等缺陷，导致接头本体材料中的微观导电网络发生破坏，从而降低电熔接头本体材料的导电性，由此测量得到的电熔接头监测电阻会随之增加。基于此，通过测量电熔接头的电阻变化，可以监测电熔接头的损伤状态。

图3展示了本发明另一个实施例的电熔接头。其中，图3（a）是本发明另一个实施例的电熔接头示意图，图3（b）为该电熔接头的剖面图。如图3（a）、图3（b）所示，可以将电熔接头中的焊接电阻丝设置为分段式电阻丝5，两段电阻丝相互独立、互不导通，采用电阻丝作为监测电极；由此可以测量得到监测电极之间接头本体材料的电阻。

在本发明中，数据库用于储存第一损伤临界值、第二损伤临界值、数据采集模块3采集的电阻数据、数据处理模块处理的数据、损伤判断模块处理的数据。

在本发明的一个实施例中，第一损伤临界值和第二损伤临界值为表征电熔接头在发生损伤时的临界数值，与电熔接头本身的材料性质与构造相关，通常是固定的值。优选的，第一损伤临界值和第二损伤临界值可以从以下数值中选择两个不同的值：损伤时刻的监测电阻值、监测电阻的变化值、监测电阻值的变化率、监测电阻相对变化曲线斜率的变化率等。

具体的，监测电阻值为损伤时刻的监测到的电阻值的绝对值；监测电阻值的变化值为通过计算电熔接头试样在损伤时刻的电阻值减去电熔接头试样初始电阻值。具体的，监测电阻值的变化率为该时刻电阻值相对初始电阻值的变化绝对值与电熔接头试样初始电阻值的比值；监测电阻相对变化曲线斜率的变化率为通过计算电熔接头试样在损伤时刻的前后各一个时间周期内监测电阻相对变化曲线的斜率的比值。

这样的选择其中一个优势在于，上述参数仅需通过测量电熔接头监测电阻或者通过测量电熔接头监测电阻后进行计算即可获得；而通过采用第一损伤临界值和第二损伤临界值两个参数作为损伤判断的临界值，相比采用单个数值能够更加精准地监测判断出电熔接头的损伤。具体的说，由于电熔接头在生产制造过程中，填充型导电复合材料的分布尚无法精准控制，因此不同个体的初始电阻值、损伤时刻电阻值可能并不相同。如果仅参考单个临界值作为损伤判断的标准，则精度无法得到很好的控制。

此外，这些数值可以通过预先对于同一批次的电熔接头试样进行爆破试验计算来获得，并预先储存在数据库中。其中电熔接头试样为与待监测的电熔接头材料、结构基本相同的电熔接头，可以是与待测试的电熔接头采用相同工艺、同一批次生产获得。优选的，第一损伤临界值和第二损伤临界值为，通过对多个电熔接头试样施加载荷监测并计算平均值或者最小值而获得。通过多次的实验计算获得的平均值能够表征电熔接头的相对更加准确的临界值；而通过多次的实验计算获得最小值则表征电熔接头在对安全性能提出更高的要求场合下采用的参考值。

在一个优选实施例中，第一损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻值的变化率，监测电阻值的变化率为该时刻电阻值相对初始电阻值的变化绝对值与电熔接头试样初始电阻值的比值；第二损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率，监测电阻相对变化曲线斜率的变化率为通过计算电熔接头试样在损伤时刻的前后各一个时间周期内监测电阻相对变化曲线的斜率的比值。

在另一个实施例中，第一损伤临界值也可以为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻值，监测电阻值为损伤时刻的监测到的电阻值的绝对值；第二损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻值的变化值，监测电阻值的变化值为通过计算电熔接头试样在损伤时刻的电阻值减去电熔接头试样初始电阻值。

数据处理模块用于处理数据采集模块3采集的电阻数据，获得第一监测值和第二监测值。第一监测值和第二监测值是与第一损伤临界值和第二损伤临界值对应的电熔管件的实时监测值，同样是从以下数值中选择两个不同的值：监测电阻值、监测电阻的变化值、监测电阻值的变化率、监测电阻相对变化曲线斜率的变化率等。

损伤判断模块用于将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断电熔接头发生了损伤。

在一个实施例中，损伤监测系统连接到多个待监测电熔接头，同时执行多个待监测电熔接头的损伤监测。

在一个实施例中，本发明的电熔接头损伤监测系统还包括结果展示模块，结果展示模块用于接收并展示损伤判断模块发送的信息。结果展示模块可以是LED屏、液晶显示器，平板电脑，手机或者其他智能终端。

图4是本发明一实施例的电熔接头损伤监测方法流程图。参考图4，本发明提供一种电熔接头损伤监测方法，包括以下步骤：

预先对电熔接头试样施加载荷，记录电熔接头试样的电阻值数据并储存入数据库，电阻值数据至少包括：初始电阻值、损伤时刻电阻值以及从初始到损伤时刻之间多个时间周期内的电阻变化值；

对电阻值数据进行计算获得电熔接头试样损伤时刻的第一损伤临界值、第二损伤临界值，并储存入数据库；对待监测电熔接头进行监测，获得第一监测值和第二监测值；

将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；当第一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判断为发生了损伤。

其中，对于第一损伤临界值、第二损伤临界值等，在前文已经记载，在此不做赘述。在电熔接头损伤监测中，对电熔接头损伤程度的准确量化表征是一项基础工作；以下将对量化表征电熔接头损伤程度进一步进行详细说明。

图5是本发明一实施例的电熔接头损伤量化表征流程图。如图5所示，量化表征电熔接头损伤程度为，通过对电熔接头进行内压预加载产生不同程度的接头损伤，建立接头内压与接头损伤程度的关联关系，包括以下步骤：

A. 电熔接头损伤引入：通过对电熔接头进行内压预加载，在接头中产生损伤；

B. 电熔接头强度测量：通过爆破试验测量电熔接头产生损伤后的承压强度；

C. 电熔接头损伤程度计算：将电熔接头的损伤程度定义为接头承压强度的降低程度，由此计算得到内压预加载后接头的损伤程度：

其中，

代表进行内压为

的内压预加载后接头的损伤程度，范围在0~1之 间，0代表无损伤，1代表完全损伤；

代表在进行内压为

的内压预加载后接头的承压 强度；

代表电熔接头没有损伤时的最高承压强度。

D. 对多个接头重复上述A-C步骤，由此得到不同预加载内压下的电熔接头损伤程度。

图6为本发明一实施例的电熔接头损伤量化表征结果。其中，图6（a）为电熔接头承压强度随接头内压关系曲线，图6（b）为电熔接头损伤程度随接头内压关系曲线。如图6所示，随着预加载的内压增加，在内压0~4MPa的阶段，接头承压强度先是经过平稳的过程，这期间的接头承压强度变化较小；在内压为5~7MPa的阶段，接头承压强度开始出现较大变化，接头出现损伤；在内压达到8MPa时，接头承压强度接近0，接头完全损伤。由此可知，对于预加载内压为2.49 MPa和5.04 MPa的电熔接头，其承压强度并未见明显降低。随着预加载内压继续增加，如对于预加载内压为6.50 MPa和7.17 MPa的电熔接头，电熔接头的承压强度出现了明显的降低。

上述结果说明对电熔接头进行内压加载会产生接头损伤，导致接头承压强度降低。预加载内压越大，接头承压强度降低越明显，说明接头的损伤程度越大。为了量化分析不同预加载内压引入的接头损伤程度，根据公式（1）计算了电熔接头的损伤程度。

在预加载内压较低时，电熔接头承压强度基本没有降低，其对应的接头损伤程度基本为0。当预加载内压达到约6 MPa时，电熔接头承压强度开始出现明显降低，其对应的接头损伤程度明显增加。预加载内压继续增加时，电熔接头的损伤程度迅速增加。

通过上述损伤量化表征试验建立了电熔接头加载内压与接头损伤程度的关联关系。若认为电熔接头损伤程度超过0.1时（也可以取其它值）代表接头出现明显损伤，则根据损伤量化表征结果此时对应的接头内压为6.15 MPa。

在以下的实际案例中，采用电阻相对变化的临界值作为第一损伤临界值、采用电阻相对变化曲线斜率的变化率临界值作为第二损伤临界值来进一步说明本发明的电熔接头损伤监测系统及方法。

图7为本发明一实施例的电熔接头的监测电阻变化以及接头内压随时间变化曲线。该过程通过对电熔接头试样施加内压载荷至接头失效，测量得到。如图7所示，将电熔接头的监测电极连接至电阻测量系统，对电熔接头试样施加内压载荷至接头失效，从而在电熔接头中产生不同程度的损伤，采集并记录此过程中的接头监测电阻变化。为电熔接头爆破过程中测量得到的电熔接头监测电阻相对变化曲线。电熔接头爆破过程的监测电阻相对变化曲线具有明显的规律性。在低压阶段，接头监测电阻变化很小，基本可以忽略。电熔接头失效之前，接头监测电阻表现为持续快速的上升。电熔接头的监测电阻在加载初期和接头即将失效之前表现出了两种截然不同的变化趋势，这表明电熔接头在监测电阻曲线的拐点处可能出现了损伤，导致了接头监测电阻快速增加。

根据图7中电熔接头监测电阻相对变化曲线，可以计算任意时间范围内的监测电 阻相对变化曲线的斜率，用于计算接头出现损伤时监测电阻相对变化曲线斜率变化率的临 界值

。

图8为本发明一实施例的电熔接头施加内压载荷至接头失效过程中接头监测电阻随内压变化曲线。将爆破测试过程中测量得到的监测电阻随时间变化曲线转化为监测电阻随内压变化曲线，如图8所示。

图9为本发明一实施例的电熔接头监测电阻与接头损伤程度对比结果。如图9所示，电熔接头监测电阻相对变化曲线与接头损伤程度曲线的变化趋势基本吻合。在电熔接头内压较低时，电熔接头监测电阻的相对变化基本可以忽略，对应的是电熔接头损伤程度接近于0，这表明接头处于安全状态。电熔接头失效之前，接头的损伤程度不断增加至爆破失效发生时的1，这一阶段对应的电熔接头监测电阻也出现持续快速的上升。结果表明电熔接头的监测电阻变化与接头的损伤程度具有良好的对应关系，测量得到的电熔接头监测电阻变化能够用于表征电熔接头的损伤。

若是认为当电熔接头损伤程度超过0.1时（也可以取其它值）接头出现了明显损 伤，根据损伤量化表征结果此时对应的接头内压为6.15 MPa。从图9的对比结果可以得到此 时监测电阻相对变化率为

，由此确定了接头出现损伤时的监测电阻相对变化 的

为

。可以根据多个电熔接头爆破过程的监测电阻相对变化曲线得到多 个临界值，通过计算这些结果的平均值或者取其中的最小值确定

。

若是认为当电熔接头损伤程度超过0.1时（也可以取其它值）接头出现了明显损 伤，根据损伤量化表征结果此时对应的接头内压为6.15 MPa。从图7中可以确定此时的对应 的测试时间约为40 s。由此计算该时刻前后

（这里

取为5 s）时间范围内监测电阻相对 变化曲线的斜率

和

。对于图7中的曲线，

为35~40 s时间范围内曲线的斜率，由下式 计算为320.11% s^-1；

为40~45 s时间范围内曲线的斜率，由下式计算为1099.19% s^-1。

由此计算得到电熔接头出现损伤时刻监测电阻相对变化曲线斜率变化率的临界 值

为：

根据上述确定了接头出现损伤时的监测电阻相对变化的临界值

（即第一损伤 临界值），以及监测电阻相对变化曲线斜率变化率的临界值

（即第二损伤临界值）。

图10为本发明一实施例的电熔接头损伤监测过程电阻变化曲线。如图10所示，在 电熔接头的损伤监测过程中，电熔接头的监测电阻相对变化值不断增加。数据处理模块实 时计算监测电阻相对变化值

作为第一监测值，实时计算电熔接头监测电阻相对变化曲 线的斜率变化率

作为第二监测值。在时间

秒时刻，由于电熔接头中出现了损伤缺 陷，导致监测电阻出现了快速增加，此时计算得到的电熔接头第二监测值

。虽然 此时电熔接头的第一监测值

，远小于电熔接头的第一临界值，但是由于 第二监测值

大于第二损伤临界值

（为3.43），损伤判断模块即判断此时电熔接头出现 了损伤。

图11为本发明另一个实施例的电熔接头损伤监测过程电阻变化曲线。如图11所 示，在电熔接头的损伤监测过程中，电熔接头的监测电阻相对变化值不断增加。数据处理模 块实时计算监测电阻相对变化值

作为第一监测值，实时计算电熔接头监测电阻相对变 化曲线的斜率变化率

作为第二监测值。在电熔接头整个测试过程中，监测电阻相对变化 值平缓增加，没有出现曲线的突增。但是在长时间的服役载荷作用下，接头内部还是会缓慢 地出现裂纹等损伤的萌生与扩展，导致电熔接头的监测电阻值缓慢增加。在

分钟时 刻，电熔接头的监测电阻值超过了临界值，即此时的电熔接头第一监测值

开始超过了 电熔接头的第一临界值（

）。虽然此时第二监测值

，远小于电熔 接头的第二临界值

，但是由于第一监测值

大于第一损伤临界值

，损伤判断模块 即判断此时电熔接头出现了损伤。

采用类似的方法可以计算任意时刻的电熔接头监测电阻相对变化和监测电阻相 对变化曲线斜率变化率。基于此可以获得电熔接头在任意

时刻的第一监测值和第二监测 值；将第一监测值与第一损伤临界值对比，以及将第二监测值与第二损伤临界值对比；当第 一监测值大于第一损伤临界值和/或第二监测值大于第二损伤临界值时，损伤判断模块判 断为发生了损伤。由此，即可判断电熔接头的损伤状态。

对于本领域技术人员来说，根据上述实施例已经可以充分理解，即第一损伤临界值和第二损伤临界值从以下数值中选择两个不同的值进行组合来具体实施本发明的技术方案：损伤时刻的监测电阻值、监测电阻的变化值、监测电阻值的变化率、监测电阻相对变化曲线斜率的变化率。由此可以获得第一损伤临界值和第二损伤临界值的多种组合形式，本领域技术人员根据上述实施例已经能够充分理解，其具体实施方式与上述应用案例基本类似，在此不做赘述。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明实施例中所使用的“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不可以理解为指示或者暗示相对重要性，或者隐含指明本实施例中所指示的技术特征数量。由此，本发明实施例中限定有“第一”、“第二”等术语的特征，可以明确或者隐含地表示该实施例中包括至少一个该特征。在本发明的描述中，词语“多个”的含义是至少两个或者两个及以上，例如两个、三个、四个等，除非实施例中另有明确具体的限定。

在本发明中，除非实施例中另有明确的相关规定或者限定，否则实施例中出现的术语“安装”、“相连”、“连接”和“固定”等应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以理解的，也可以是机械连接、电连接等；当然，还可以是直接相连，或者通过中间媒介进行间接连接，或者可以是两个元件内部的连通，或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，能够根据具体的实施情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电熔接头损伤监测系统，用于可导电非金属管道电熔接头的损伤监测，其特征在于，所述损伤监测系统包括：

数据采集模块、数据库、数据处理模块以及损伤判断模块；

其中所述数据采集模块通过一对监测电极连接到待监测的电熔接头，用于导通并采集两个所述监测电极之间所述电熔接头的电阻数据；

所述数据库用于储存第一损伤临界值、第二损伤临界值、所述数据采集模块采集的所述电阻数据、所述数据处理模块处理的数据、所述损伤判断模块处理的数据；

所述数据处理模块用于处理所述数据采集模块采集的所述电阻数据，获得第一监测值和第二监测值；

所述损伤判断模块用于将所述第一监测值与所述第一损伤临界值对比，以及将所述第二监测值与所述第二损伤临界值对比；

当所述第一监测值大于所述第一损伤临界值和/或所述第二监测值大于所述第二损伤临界值时，所述损伤判断模块判断所述电熔接头发生了损伤。

2.根据权利要求1所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述电熔接头包括：聚合物基体以及导电填料，所述导电填料均匀分布在所述聚合物基体中形成导电网络，其中，所述聚合物基体包含聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺中的至少一种或多种；所述导电填料包含碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、金属纤维、镀金属玻璃纤维、石墨烯、炭黑中的至少一种或多种。

3.根据权利要求1所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值为，通过对电熔接头试样施加载荷监测获得，预先储存于所述数据库中，其中所述电熔接头试样为与所述待监测的电熔接头材料、结构基本相同的电熔接头。

4.根据权利要求3所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值为，通过对多个电熔接头试样施加载荷监测并计算平均值或者最小值而获得。

5.根据权利要求1所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值为从以下数值中选择两个不同的值：损伤时刻的监测电阻值、监测电阻的变化值、监测电阻值的变化率、监测电阻相对变化曲线斜率的变化率；所述第一监测值和所述第二监测值为分别与所述第一损伤临界值和所述第二损伤临界值相对应的实时监测值。

6.根据权利要求5所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述第一监测值为所述待监测电熔接头的监测电阻值的变化率；所述第二监测值为所述待监测电熔接头的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率。

7.根据权利要求1所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，所述损伤监测系统连接到多个所述待监测电熔接头，同时执行多个所述待监测电熔接头的损伤监测。

8.根据权利要求1所述的电熔接头损伤监测系统，其特征在于，还包括结果展示模块，所述结果展示模块用于接收并展示所述损伤判断模块发送的信息。

9.一种电熔接头损伤监测方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的电熔接头损伤监测系统，所述电熔接头损伤监测方法包括以下步骤：

预先对电熔接头试样施加载荷，记录所述电熔接头试样的电阻值数据并储存入所述数据库，所述电阻值数据至少包括：初始电阻值、损伤时刻电阻值以及从初始到损伤时刻之间多个时间周期内的电阻变化值；

对所述电阻值数据进行计算获得电熔接头试样损伤时刻的第一损伤临界值、第二损伤临界值，并储存入所述数据库；

对待监测电熔接头进行监测，获得第一监测值和第二监测值；

将所述第一监测值与所述第一损伤临界值对比，以及将所述第二监测值与所述第二损伤临界值对比；当所述第一监测值大于所述第一损伤临界值和/或所述第二监测值大于所述第二损伤临界值时，所述损伤判断模块判断为发生了损伤。

10.根据权利要求9所述的电熔接头损伤监测方法，其特征在于，

所述第一损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录所述电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻值的变化率，所述监测电阻值的变化率为该时刻电阻值相对初始电阻值的变化绝对值与所述电熔接头试样初始电阻值的比值；所述第二损伤临界值为，预先对电熔接头试样施加载荷并记录所述电熔接头试样在损伤时刻的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率，所述监测电阻相对变化曲线斜率的变化率为通过计算所述电熔接头试样在损伤时刻的前后各一个时间周期内监测电阻相对变化曲线的斜率的比值；

所述第一监测值为所述待监测电熔接头的监测电阻值的变化率；所述第二监测值为所述待监测电熔接头的监测电阻相对变化曲线斜率的变化率；

当所述第一监测值大于所述第一损伤临界值和/或所述第二监测值大于所述第二损伤临界值时，所述损伤判断模块判断为发生了损伤。

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