CN1784589A - 用于监控含有加压流体的管道的性能的方法和系统 - Google Patents

用于监控含有加压流体的管道的性能的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于监控含有加压流体的管道的性能的方法和系统，所述管道包括至少一个流动区和特殊区。本发明的方法包括：静态监控预定数目的特殊区，以获得周向膨胀信息；利用上述周向膨胀信息，来计算管道的有效刚度K(ti)及其所测得的剩余截面As (ti)。本方法还可包括对管道进行动态监控，以获得与其本征振动频率和模式有关的信息。

Description

用于监控含有加压流体的管道的性能的方法和系统
本发明涉及用于监控含有加压流体的管道的性能的方法。本发明还提出了使用这种方法的系统。
本发明属于管道老化管理的一般范畴，特别是钢筋混凝土或预应力混凝土做的管道，在管道中含有加压流体，并且(在隧道中或者通过间隙)可够着管道的外表面。
这些钢筋混凝土或预应力混凝土管道装备有钢筋，钢筋会受到腐蚀，这会随时间使钢筋截面变小。以下将引用剩余钢筋截面(residualsteel cross-section)这一概念，此概念在本领域是众所周知的。
加压流体输送系统的操作员主要关注的是控制含有这类加压流体的管道发生爆裂的风险。
此目的通过一种用于监控含有加压流体的管道的性能的方法来实现，其中该管道包括至少一个连续管路区和特殊区(singularityzone)。
根据本发明的该方法包括：
-静态监控管道的预定数目的特殊区和/或连续管路区以提供周向膨胀信息，和
-利用所述周向膨胀信息来计算管道的有效刚度K(ti)及其所测得的剩余钢筋截面As(ti)。
在本发明的一种具体的完成型式中，该监控方法还包括对管道进行动态监控，以提供与所述管道的振动本征模式和频率有关的信息。然后，还利用与本征模式和频率有关的信息以及周向膨胀信息来计算有效刚度和所测得的剩余钢筋截面。
根据本发明的方法还可以有利地包括：
-预测剩余钢筋截面估计值A’s(ti)随时间的变化A’s(t＞ti)的过程，此预测是基于管道的腐蚀模型和机械性能而进行的，
-在所测得的剩余钢筋截面As(ti)和剩余钢筋截面估计值A’s(ti)之间进行比较，和
-当所述所测得的剩余钢筋截面As(ti)和所述剩余钢筋截面A’s(ti)估计值之差大于预定的精度时，对腐蚀模型进行更新。
在本发明的一种有利型式中，预测过程被组织起来，以便在更新腐蚀模型的阶段中结合有来自外部来源的信息。
根据本发明的监控方法还可包括剩余钢筋截面测量值As(ti)和机械强度极限标准(CL)之间的比较，在此比较之后是：
-当此测量值As(ti)小于所述机械强度极限标准(CL)时，或者发送用于立即更换所述管道的对应于被监控区的那一段的信息，
-或者计算所述管道的剩余使用寿命D(ti)。
根据本发明的监控方法还可包括在剩余钢筋截面测量值As(ti)与同所述管道机械强度有关的报警标准(CA)之间进行比较，在此比较之后是：
-当此测量值As(ti)小于所述报警标准(CA)时，或者发送用于加强并之后更换所述管道的对应于被监控区的那一段的信息，
-或者计算在所述管道的报警启动前的工作时间Da(ti)。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于监控含有加压流体的管道的性能的系统，此管道包括至少一个连续管路区和特殊区，其特征在于，所述管道包括：
-用于静态监控预定数目的特殊区以提供周向膨胀信息的装置，和
-利用所述周向膨胀信息来计算管道的有效刚度K(ti)及其所测得的剩余钢筋截面As(ti)的机构(means)。
在本发明一个特定实施例中，此系统还包括用于动态监控管道的装置，以获得与此管道的振动本征模式和频率有关的信息，与本征模式和频率有关的该信息也被上述机构用来计算管道的有效刚度和剩余钢筋截面。
根据本发明的系统还可有利地包括：
-用于预测剩余钢筋截面估计值A’s(ti)随时间的变化A’s(t＞ti)的机构，此预测是基于管道的腐蚀模型和机械性能而进行的，
-用于比较所测得的剩余钢筋截面As(ti)和剩余钢筋截面估计值A’s(ti)的机构，和
-用于在所述测得的剩余钢筋截面As(ti)和所述剩余钢筋截面A’s(ti)估计值之差大于预定的精度时更新腐蚀模型的机构。
静态监控装置可以包括用于测量一段管道的纵向变形的机构，以及用于测量所述管道段的周向变形的机构。
动态监控装置包括用于测量管道上的预定数目的点处的位移速度的测震学机构。
根据本发明的方法还可包括用于对静态监控装置和动态监控装置所提供的原始数据进行预处理的机构，这些预处理机构设计成可计算给定时期内的平均变形以及工作期间的平均本征频率。
本发明将用于永久性监控使用中的这类管道的性能的技术与管道的老化预测模型结合在一起，目的是控制这些管道爆裂的危险以及优化管道更换的周期。
这种类型管道的特殊区(例如支撑块之上的通道、弯管、收缩式锥管等)的长期性能必须与连续管路区的长期性能区分开，如表1所示。因此，根据本发明的智能监控系统必须将这种性能和优先性的差别结合在监控中。
  特殊区   连续管路区
  普通内部腐蚀   +   +
  外部腐蚀   +
  初始故障   ++   +
  优先性   +++   +
  “静态”监控   xx
“动态”监控   x(其他振动模式)   xx(振动模式I)
因此，根据本发明的方法在其完成型式中包括：
-用来“静态”监控预定有限数目的特殊区(承接件、弯管等)的仪器；
-通过为包括连续管路区和特殊区的一段管道配备“动态”监控的仪器，来完成此装置。
然而，应该注意的是，如果只使用静态监控，根据本发明的方法也能工作得很好。
根据本发明的方法和系统在其完成型式中所提供的重大贡献涉及到将这两种类型的监控(静态和动态)组合起来，其创造性在于能够永久性地监控连续管路区和特殊区的机械性能。
根据本发明的方法和系统所提供的第二个贡献包括，提供了将监控一段管道(监控周向和纵向的变形，以及监控本征模式和频率)与测量数据的预处理组合起来的解决方案。此解决方案允许可通过间接方式来确定配备有仪器段的剩余钢筋截面。
第三个贡献包括，在用于预测管道金属部分的腐蚀动力学的模型中使用监控所得的数据。监控数据对模型的充实使得可以预测将达到的使用寿命，从而最大限度地降低了任何不确定性，并且允许在适当的时间开始适当的维护操作。
总之，这三个贡献允许对配备了仪器的管路的更换周期进行优化，同时控制了这些结构爆裂的危险。
根据本发明的监控方法允许：
-以间接方式永久性地确定钢筋混泥土管道中的剩余钢筋截面；
-将测量值与经过验证的物理模型所产生的估计值进行比较；
-在预测工具中利用监控所得的数据来预测剩余钢筋截面的长期变化，同时将不确定源减至最低；
-将测量值和机械强度标准进行比较；
-仅通过在有限数目的特殊区段配备仪器，来确定用于管理整个管道网络的全局方案；
-对根据成本上和时间而言处于损坏状态的管道进行适当的维护操作；
-最大程度地降低与管道维护有关的成本；
-控制管道爆裂的危险；
-通过利用智能监控装置来提供持久的和动态的控制，从而向监控部门和公众做出保障。
本发明的其他优点和特征在阅读了实施例的详细描述和附图之后将会是显而易见的，该实施例并不具限制性，在附图中：
-图1显示了根据本发明的方法的工作原理；
-图2是静态监控装置的示意性描述；
-图3显示了可以对其实施解决方案的管道在承受压力下的性能(在钢筋混凝土管道的情形下)；
-图4显示了进行基本数据的预处理以允许实现将达到的剩余钢筋截面值的不同阶段(在静态监控的情形下)；和
-图5显示了根据本发明的方法中所用的更新过程。
永久性监控技术和预测工具的结合构成了智能监控装置(IMD)，智能监控装置又构成了根据本发明的系统。
为了只保留有限量的数据(管道刚度K(ti)及其剩余钢筋截面As(ti))以便对规定时段内的测量进行综合处理，有必要对永久性监控所产生的数据进行预处理。
预测工具是建立在物理定律(管道腐蚀和机械性能的建模)之上，其允许通过计算方法来确定剩余钢筋截面A’s(ti)估计值及其随时间的变化A’s(t＞ti)。
然后，将通过监控系统所得到的剩余钢筋截面As(ti)以规定的间隔与其估计值A’s(ti)进行比较。如果这两个值之差大于提前确定的精度E，则利用剩余钢筋截面的测量值As(ti)来更新腐蚀模型。此更新过程允许重新计算剩余钢筋截面估计值A’s(ti)及其随时间的变化A’s(t＞ti)。预测工具设计成在更新腐蚀模型的过程中能够结合入来源于静态或动态监控之外的信息(试验测试、目视检查、故障数，等等)。
一旦达到所需的精度，就将剩余钢筋截面的测量值As(ti)与机械强度极限标准CL进行比较。如果测量值低于该标准，例如，就可以决定立刻对管道的受仪器监控的部分进行更换。
如果剩余钢筋截面测量值As(ti)大于该极限标准，则利用通过预测工具计算得来的剩余钢筋截面随时间的变化来确定管道的剩余使用寿命D(ti)。
随后的阶段包括对剩余钢筋截面测量值As(ti)和与机械强度有关的报警标准CA进行比较。这时，如果测量值小于报警标准，则例如可以对管道的受仪器监控的部分进行加强处理以推迟更换。
如果剩余钢筋截面测量值As(ti)大于报警标准，则利用预测工具所计算出的剩余钢筋截面随时间的变化来确定报警启动前的工作时间Da(ti)。在这些条件下，维护操作例如包括不做任何事情，使管道保持在那种状态下。
现在参考上面提到的附图进行描述，并对根据本发明的一个实施例进行详细描述。
在预定有限数目的特殊区中使用静态监控装置。此装置的目的是在特殊区中监控管道的纵向和周向变形的长期变化。
为了使此静态监控可靠，使用了两种类型的传感器。例如，基于不同长度进行测量的标准应变测量传感器(感应传感器)和光纤传感器的组合是一种可能。
纵向变形主要用于在意外应力(地震、过压)的情况下验证管道的机械强度(爆裂的危险)。在解决方案中在正常工作条件下采用周向变形，从而允许监控剩余钢筋截面的长期变化，参见图3。
动态监控装置利用了管道在承受压力时的自然振动。它设计成利用测震仪在规定数目的点处测量位移速度。动态监控装置的目的是测定管道的振动本征模式(模式变形)和相应的频率。
监控装置所收集的原始数据量随测量的频率而增加。必须以规定的间隔对这些数据进行预处理，以便抽取有限数量的值来允许进行剩余钢筋截面的测量。
此预处理包括利用原始数据(变形、压力、本征频率、模式变形)来计算：
-给定期间内的平均变形(例如：在加压循环之前、之中和之后)；
-在工作期间的平均本征频率；
-一段管道在给定期间内的刚度K，参考图3和图4；
-相应的剩余钢筋截面As。
图4中的图表显示了静态监控的情况下预处理的不同阶段。确定变形与刚度之间的关系以及刚度与剩余钢筋截面之间的关系的物理定律是仪器监控管道的固有特性。
制作了用于动态监控的与图4相似的图表。在这种情况下，所使用的物理定律允许确定本征频率、相关区的刚性损失(这取决于相应的振动模式)和剩余钢筋截面之间的关系。这些物理定律同样是仪器监控管道的固有特性，并且主要取决于管道的表面状态。
对基本原始数据进行预处理的不同阶段允许得到剩余钢筋截面值，如图4显示了静态监控实例。
随后的阶段包括以规定的间隔对监控系统所得到的剩余钢筋截面As(ti)及其估计值A’s(ti)进行比较。如果这两个值之差大于事先确定的精度，则剩余钢筋截面的测量值As(ti)可用来更新腐蚀模型。
除其他以外，此更新还基于贝叶斯(Bayesian)逻辑，在可以得到基本数据时，贝叶斯逻辑可用来改进预测模型的精度。
更新过程允许重新计算剩余钢筋截面估计值A’s(ti)及其随时间的变化A’s(t＞ti)。
预测工具设计成能够在更新腐蚀模型的阶段中结合源于静态或动态监控之外的信息(试验测试、目视检查、故障数，等等)。
一旦得到所需的精度，则对剩余钢筋截面测量值As(ti)和机械强度的极限标准CL进行比较。如果测量值低于该标准，例如可以决定立刻对管道的仪器监控部分进行更换。
随后的阶段包括对剩余钢筋截面测量值As(ti)和与机械强度有关的报警标准CA进行比较。这时，如果测量值小于报警标准，则例如可以对管道的仪器监控部分进行加强处理以推迟更换。
如果剩余钢筋截面测量值As(ti)大于极限标准，则可以利用预测工具根据以下方式计算出的剩余钢筋截面随时间的变化，来确定剩余使用寿命，参见图5：
D(ti)＝t(As＝CL)-ti
如果剩余钢筋截面测量值As(ti)大于报警标准，则可以利用预测工具根据以下方式计算出的剩余钢筋截面随时间的变化，来确定报警前的工作时间Da(ti)：
Da(ti)＝t(As＝CA)-ti
当剩余钢筋截面测量值As(ti)大于报警标准时，则维护操作例如包括不做任何事情，使管道保持在那种状态下。
当然，本发明并不限于以上所述的实例，在不脱离本发明范围的前提下，可以对这些实例进行多种变化。

Claims (12)

1.一种用于监控含有加压流体的管道的性能的方法，所述管道包括至少一个连续管路区和特殊区，其特征在于，所述方法包括：
-静态监控预定数目的特殊区和/或连续管路区，以提供周向膨胀信息，和
-利用所述周向膨胀信息来计算管道的有效刚度K(ti)及其所测得的剩余钢筋截面As(ti)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对管道进行动态监控，以提供与所述管道的振动本征模式和频率有关的信息，与所述本征模式和频率有关的该信息也被用来计算所述管道的刚度K(ti)和所测得的剩余钢筋截面As(ti)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
-预测所述剩余钢筋截面估计值A’s(ti)随时间的变化A’s(t＞ti)的过程，此预测是基于所述管道的腐蚀模型和机械性能而进行的，
-在所述所测得的剩余钢筋截面As(ti)和所述剩余钢筋截面估计值A’s(ti)之间进行比较，和
-当所述所测得的剩余钢筋截面As(ti)和所述剩余钢筋截面估计值A’s(ti)之差大于预定的精度时，对所述腐蚀模型进行更新。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预测过程被组织起来，以便在更新所述腐蚀模型的阶段中能够结合有来自外部源的信息。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对剩余钢筋截面的测量值As(ti)与机械强度极限标准(CL)进行比较，在此比较之后是：
-当此测量值As(ti)小于所述机械强度极限标准(CL)时，或者发送用于立即更换所述管道的对应于被监控区的那一段的信息，
-或者计算所述管道的剩余使用寿命D(ti)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述剩余钢筋截面测量值As(ti)与同所述管道的机械强度有关的报警标准(CA)进行比较，在此比较之后是：
-当此测量值As(ti)小于所述报警标准(CA)时，或者发送用于进行加强处理并之后更换所述管道的对应于被监控区的那一段的信息，
-或者计算在所述管道的报警启动前的工作时间Da(ti)。
7.一种用于监控含有加压流体的管道的性能的系统，该管道包括至少一个连续管路区和特殊区，其特征在于，所述系统包括：
-用于静态监控预定数目的特殊区和/或连续管路区以提供周向膨胀信息的装置，和
-利用所述周向膨胀信息来计算所述管道的有效刚度K(ti)及其所测得的剩余钢筋截面As(ti)的机构。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于动态监控管道以提供所述管道的本征振动模式和频率信息的装置，所述本征模式和频率信息被所述机构用来计算所述有效刚度K(ti)和所测得的剩余钢筋截面As(ti)。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
-用于预测剩余钢筋截面估计值A’s(ti)随时间的变化A’s(t＞ti)的机构，此预测是基于管道的腐蚀模型和机械性能来进行的，
-用于对所述测得的剩余钢筋截面As(ti)与所述剩余钢筋截面估计值A’s(ti)进行比较的机构，和
-用于在所述测得的剩余钢筋截面As(ti)与所述剩余钢筋截面A’s(ti)估计值之差大于预定的精度时对所述腐蚀模型进行更新的机构。
10.根据权利要求7到9中任一项所述的系统，其特征在于，所述静态监控装置包括用于测量一段管道的纵向变形的机构，以及用于测量所述管道段的周向变形的机构。
11.根据权利要求8和权利要求9或10中任一项所述的系统，其特征在于，所述动态监控装置包括用于在管道上的预定数目的点处测量位移速度的测震学机构。
12.根据权利要求7到11中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括对所述静态和/或动态监控装置所提供的原始数据进行预处理的机构，这些预处理机构设计成可计算一段给定时期内的平均变形以及工作阶段中的平均本征频率。
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