CN219655863U - 一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针与云监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针与云监测系统，涉及管道检测领域。该系统包括管道腐蚀监测探针、屏蔽导线和压电阻抗无线监测装置，管道腐蚀监测探针包括外壳、压电叠堆、金属探针、管道连接机构和防水垫片，压电阻抗无线监测装置通过屏蔽导线与压电叠堆相连。管道内部液体的流动导致管道导致内壁发生腐蚀，金属探针的探头也发生腐蚀造成质量损失，从而金属探针的机械阻抗发生变化，进而与压电叠堆耦合的压电阻抗发生变化。通过压电阻抗无线监测装置采集并上传至到云平台的压电阻抗信号，能够获取管道内部探针的腐蚀状态，进而得到管道内壁的腐蚀情况。通过计算分析，能够对管道的腐蚀进行定量评估。

Description

一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针与云监测系统

技术领域

本实用新型属于管道检测领域，涉及一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针与云监测系统。

背景技术

管道结构是用于输送液体、气体或松散固体的管道及其支承加固结构，由于其环境效益好、安全性高、成本低、运输量大、能耗小等优点，被广泛应用于民生及工业的各个领域。在石油天然气、供水、化工等多个行业中，常用的管道材料为金属管道，其腐蚀是最为常见并且严重的问题。管道腐蚀是指输送液体的管道因化学反应或电化学反应发生腐蚀而导致管道的老化。管道腐蚀会造成管道壁厚变薄，从而引起有害物质的泄漏、运输成本的增加以及设备的损坏，甚至造成严重的环境污染和巨大的经济损失等。因此，开发管道腐蚀监测技术对其安全运输具有非常重要的意义。

目前，基于不同原理的管道腐蚀监测方法取得了较大进展，常见的方法有质量损失法、电化学方法、光纤传感技术、声发射检测技术、超声检测等。专利CN110594552A通过管道挂片架装置将可拆卸的挂片安装在管道内对闭路水系统腐蚀率进行检测。专利CN115184455A通过在管道上敷设多个声-光耦合探测单元，对压力管道腐蚀缺陷在线检测与空间定位，最后根据腐蚀特征频带能量的衰减程度量化评估管道的腐蚀等级。专利CN107782789A采用声发射传感器和声定位接收器对检测信息进行定位，使管道腐蚀状况通过超声波探伤仪形成C扫彩色图像，直观地反应管道的腐蚀程度。这些方法虽然都能够对管道腐蚀进行定性地评估，但都不能够对管道的腐蚀率进行定量地分析。管道腐蚀挂片法虽然操作简单，但需要工作人员周期性测量，劳动强度大，缺乏自动化管理。声发射技术和超声检测也易受管道内部介质的影响，并且使用的仪器价格昂贵，难以大规模应用。

近年来，基于压电阻抗的结构健康监测技术在各个领域得到了广泛的研究。压电阻抗技术是通过在被测主体结构表面粘贴压电材料或者将其嵌入到内部，使用阻抗分析仪对压电材料进行扫频激励，根据压电效应，此时压电材料与主体结构的耦合，任何主体结构的损伤将通过压电阻抗的形式反应出来。对比损伤后与损伤前的压电阻抗信号，能够了解被测主体结构的健康状态。随着压电阻抗技术的发展，基于压电阻抗的腐蚀监测技术也有所报道。专利CN109738354A将压电陶瓷片粘贴到待测金属结构上，当待测金属结构发生腐蚀时，其质量、刚度及厚度的损失会导致自身机械阻抗发生变化，从而通过测量与金属结构耦合的压电陶瓷片的压电阻抗信号得到金属结构的健康状态。专利CN108872319A将压电陶瓷片的底面粘贴于铁片顶面，并对其封装在带有通孔的外壳组成锈蚀传感器。将传感器埋设于锚固体系中，外界环境腐蚀物质通过通孔进入传感器内部，通过阻抗分析仪测量该锈蚀传感器压电阻抗的变化来监测锚固体系的腐蚀量。专利CN113311234A将压电片与被测金属片耦合的锈蚀传感装置与被监测钢筋同时浇筑于混凝土中，被测金属片在监测过程中不断腐蚀，因腐蚀引起的晶体结构变化及质量的变化都会引起该传感装置的耦合压电阻抗系统的刚度损失，表现为压电阻抗信号的变化，从而反映钢筋的腐蚀程度。专利CN114777026A将压电陶瓷环粘贴于金属管道外侧，管道内侧接触管道输送的物质发生腐蚀，厚度和质量的损失使管道机械阻抗发生变化，使用压电阻抗无线测量装置采集、传输并分析压电陶瓷环与管道耦合的压电阻抗信号，最终获取管道内侧腐蚀信息。压电阻抗技术具有灵敏度高，响应快速的特点，能够实现实时在线监测。

目前，利用压电阻抗技术对管道腐蚀监测的研究并不多，并且大多的已报道的初期研究普遍存在物理意义不明确、易受其他因素影响、不能准确量化腐蚀的局限性，未能实现对管道腐蚀的定量评估。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，并通过云监测系统对管道腐蚀实时在线监测并定量分析。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，所述管道腐蚀监测探针10包括外壳1、压电叠堆2、金属探针3、管道连接机构4和防水垫片6；所述压电叠堆2粘贴于金属探针3顶端；所述防水垫片6放入金属探针3表面上设置的预制槽内；所述管道连接机构4焊接在管道7表面，管道连接机构4中心设有通孔，管道7上对应位置设有通孔，与管道连接机构4连通；所述金属探针3放入管道连接机构4中，底端伸入至管道7内，然后通过外壳1完成金属探针3的封装；所述金属探针3在管道7内发生腐蚀。

进一步的，所述金属探针3两侧开有通孔，所述管道连接机构4设有螺纹孔洞，使用螺栓5通过所述金属探针3的通孔拧在管道连接机构4的螺纹孔洞中；其二者连接后仍可相对滑动。

进一步的，所述压电叠堆2的形状为圆柱形，由n个压电层、n+1个电极层和2个普通陶瓷层组成，普通陶瓷层位于外侧，普通陶瓷层的内侧与电极层相邻，压电层和电极层交替分布；所述压电叠堆2直径与所述金属探针3顶部直径相同；所述压电叠堆2比普通压电陶瓷片具有更高的驱动力、灵敏度和精度。

进一步的，所述压电叠堆2通过环氧树脂与所述金属探针3相粘结。

进一步的，所述管道连接机构4中心的通孔与金属探针3最大直径大小相同，可以将金属探针3放入管道连接机构4中。

进一步的，所述金属探针3的中部套有防水垫片6。

进一步的，所述防水垫片6为硅橡胶材料，也可选用硅胶等其他防水材料。

进一步的，所述管道连接机构4被焊接到管道7上，管道7上设有与管道连接机构4孔洞中心对齐且大小相同的孔洞。

进一步的，所述管道连接机构4设有外螺纹，与外壳1螺纹连接。

进一步的，所述外壳1、金属探针3、管道连接机构4以及管道7的材料一致，可为45号钢。

一种基于压电阻抗的管道腐蚀云监测系统，所述云监测系统包括：上述管道腐蚀监测探针、压电阻抗无线监测装置8和屏蔽导线9；管道腐蚀监测探针中的压电叠堆2从轴向两侧正负极分别引出屏蔽导线9与压电阻抗无线监测装置8相连。所述压电阻抗无线监测装置8能够对管道腐蚀监测探针的压电阻抗测量并将数据上传至云平台11，然后传输至计算机12，对管道的腐蚀进行在线监测并分析。

进一步的，所述压电阻抗无线监测装置8由压电阻抗无线测量板与外壳封装而成。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针与云监测系统。管道内介质的流通导致管道内壁发生腐蚀，利用安装在管道内的金属探针的腐蚀程度对管道内壁进行腐蚀监测。本实用新型在金属探针与管道的连接通过管道连接机构实现，消除了金属探针与管道直接通过螺纹相连接的预紧力，因此管道腐蚀监测探针表现出了与单个金属探针相同的压电阻抗信号。当金属探针的探头发生腐蚀，金属探针的机械阻抗发生变化，从而压电叠堆与金属探针耦合系统的压电阻抗发生变化，其压电阻抗信号的谐振频率随着腐蚀的增加而逐渐增大，其中腐蚀程度与谐振频率表现出了良好的线性关系。使用压电阻抗无线监测装置对其压电阻抗信号测量，同时将数据上传至云平台进行分析，最终可以获得管道腐蚀监测探针的腐蚀程度，实现对管道的实时在线监测。

附图说明

图1为本实用新型的管道腐蚀监测探针的结构图；

图2为本实用新型的管道腐蚀云监测系统的示意图；

图3(a)和图3(b)分别为本实用新型的金属探针与管道连接机构的结构图；

图4为本实用新型实施例中的管道腐蚀监测探针在通电电化学加速腐蚀试验不同腐蚀天数下的电导谱；

图5为本实用新型实施例中的管道腐蚀监测探针的一阶谐振频率与通电电化学加速腐蚀试验不同腐蚀天数的关系图像。

图中，1、外壳；2、压电叠堆；3、金属探针；4、管道连接机构；5、螺栓；6、防水垫片、7、管道；8、压电阻抗无线监测装置；9、屏蔽导线；10、管道腐蚀监测探针；11、云平台；12计算机。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的目的是提供一种管道腐蚀监测探针，并通过由压电阻抗无线监测装置组成的云监测系统对金属管道的腐蚀进行在线监测，能够定量评估管道的腐蚀程度。

本实用新型的基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针结构如图1所示，该管道腐蚀监测探针，包括：外壳1、压电叠堆2、金属探针3、管道连接机构4、螺栓5、防水垫片6。

所述压电叠堆2底面通过环氧树脂粘贴到所述金属探针3的顶面；所述压电叠堆2与所述金属探针3顶部拥有相同的直径，且形状为圆柱形。

如图3(a)所示，所述金属探针3由四部分组成，由上到下分别为第一到第四部分；第一部分为的圆柱；第二部分外径较大的正六边形棱柱，边缘开有两个孔洞；第三部分为可套入所述防水垫片6的圆柱；第四部分为探头，形状为圆柱形。

如图3(b)所示，所述管道连接机构4为圆柱形，中心设有与所述金属探针3第三部分直径相同的预留孔洞；所述管道连接机构4的顶面设有螺纹的孔洞，供螺栓5拧入；所述管道连接机构4的侧面设有螺纹，与外壳1相连接。

所述防水垫片6共三个，依次套入所述金属探针3的预留位置；所述金属探针3放入所述管道连接机构4的预留孔洞中，使其完好贴合，所述金属探针3的预留孔洞与所述管道连接机构4的螺纹孔洞对齐；所述螺栓5通过所述金属探针3的预留孔洞拧入所述管道连接机构4的螺纹孔洞中；所述外壳1与所述管道连接机构4的外侧螺纹连接，完成封装；所述管道连接机构4焊接到所述管道7上，组成管道腐蚀监测探针的实施例。

所述金属探针3与所述管道连接机构4通过所述螺栓5相连，所述金属探针3的通孔直径略大于所述螺栓5的直径，所述金属探针3与所述管道连接机构4之间并未产生直接的连接关系，而是通过所述螺栓5的螺帽将所述金属探针3卡在所述管道连接机构4上，未限制金属探针3的轴向自由振动。

所述金属探针3上安装有三个所述防水垫片6，对所述金属探针3放入管道连接机构4的预留孔洞部分进行防渗透处理，保证管道腐蚀监测探针的防水性。

如图2所示，本实用新型实施例中的管道腐蚀监测探针与所述压电阻抗无线监测装置8通过所述屏蔽导线9相连，形成云监测系统，由所述压电阻抗无线监测装置8采集数据并上传至云平台11，最终计算机12可通过互联网登录至云平台获取信息。

可选的，所述压电阻抗无线监测装置8可通过在外壳预留电源接口进行供电，也可在外壳内部加装电源供电。

工作原理：所述金属探针3的探头处在所述管道7的内部，管道7内介质的流通导致管道内壁及探头发生腐蚀，所述金属探针3因腐蚀导致机械阻抗发生变化，从而与所述压电叠堆2耦合的压电阻抗发生变化，通过压电阻抗无线测量装置预定的频率范围对压电阻抗进行测量，并将测量结果上传至云监测平台。通过计算机对云监测平台数据的阻抗谱分析，随着腐蚀的发生，阻抗谱的谐振频率逐渐均匀增加。

所述阻抗谱的谐振频率对应的振动模态相对稳定且容易识别，为所述金属探针3的轴向振动模态。

此外，所述实施例通过对所述管道腐蚀监测探针10的通电腐蚀试验，使用压电阻抗无线监测装置8测量并处理分析，得到对应的图4与图5，从而根据所述阻抗谱的谐振频率的变化定量评估腐蚀量。

由图4与图5可知，在本实施例中，所述阻抗谱的谐振频率随着腐蚀天数的增加逐渐增加，且该谐振频率与腐蚀的天数(即腐蚀量)成较好的线性关系。因此，本实用新型能够通过所述管道腐蚀监测探针10的阻抗谱的谐振频率的变化定量评估管道的腐蚀程度。

Claims (8)

1.一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述管道腐蚀监测探针包括外壳（1）、压电叠堆（2）、金属探针（3）、管道连接机构（4）和防水垫片（6）；所述压电叠堆（2）粘贴于金属探针（3）顶端；所述防水垫片（6）放入金属探针（3）表面上设置的预制槽内；所述管道连接机构（4）焊接在管道（7）表面，管道连接机构（4）中心设有通孔，管道（7）上对应位置设有通孔，与管道连接机构（4）连通；所述金属探针（3）放入管道连接机构（4）中，底端伸入至管道（7）内，然后通过外壳（1）完成金属探针（3）的封装。

2.根据权利要求1所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述金属探针（3）两侧开有通孔，所述管道连接机构（4）设有螺纹孔洞，使用螺栓（5）通过所述金属探针（3）的通孔拧在管道连接机构（4）的螺纹孔洞中，二者连接后仍可相对滑动。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述压电叠堆（2）的形状为圆柱形，由n个压电层、n+1个电极层和2个普通陶瓷层组成，普通陶瓷层位于外侧，普通陶瓷层的内侧与电极层相邻，压电层和电极层交替分布；所述压电叠堆（2）直径与所述金属探针（3）顶部直径相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述压电叠堆（2）通过环氧树脂与所述金属探针（3）相粘结。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述管道连接机构（4）中心的通孔与金属探针（3）最大直径大小相同；所述管道连接机构（4）被焊接到管道（7）上，管道（7）上设有与管道连接机构（4）孔洞中心对齐且大小相同的孔洞。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述金属探针（3）的中部套有防水垫片（6）；所述防水垫片（6）为硅橡胶材料或硅胶材料。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述管道连接机构（4）设有外螺纹，与外壳（1）螺纹连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于压电阻抗的管道腐蚀监测探针，其特征在于，所述外壳（1）、金属探针（3）、管道连接机构（4）以及管道（7）的材料一致，为45号钢。