基于壓電阻抗技術的油氣管道健康監測系統構建

杜國鋒，宛 超 （長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

長輸管道具有高效、便捷、環保等特點，被廣泛應用于石油、天然氣、煤氣、水等的運輸［1］。由于油氣管道大多埋設在巖土或海洋中，其所處環境復雜，容易遭到破壞。此外，由于部分管道建成時間較早，已經接近或超出使用壽命，在各種因素的影響下，容易發生管道事故，給國民經濟造成巨大損失，同時對自然環境和民眾安全帶來重大威脅［2］。為此，筆者基于壓電阻抗技術構建了油氣管道健康監測系統，對油氣管線的損傷進行實時監測，對運行狀況不良的管段進行及時處理，以期減小經濟損失，保障人民生命財產安全。

1 壓電阻抗技術

壓電材料具有傳感或者傳感與驅動雙重功能，壓電阻抗技術是壓電智能材料在結構健康診斷方面的具體應用，其基本原理是：當結構處于某種狀態時，它的機械阻抗是恒定的。如果結構的狀態發生變化，它的機械阻抗也會發生相應變化。所以，可以通過測量結構的機械阻抗值來考察結構是否出現損傷，進而實現對結構健康狀態的監測［3］。由于結構的機械阻抗值直接測量十分困難，所以，可以通過測量貼在結構表面的壓電材料的電阻抗來間接得到結構的機械阻抗。對結構表面的壓電片施加交流電場使其產生機械振動，壓電片帶動本體結構產生振動。本體結構的機械振動反作用于壓電片，使壓電片產生正壓電效應，電阻抗值發生變化，在壓電材料電阻抗的信號中包含了結構損傷信息。其中，基于壓電陶瓷 （PZT）耦合特性的阻抗技術因工作頻率高 （30～500kHz），對結構初始損傷敏感，對外界環境有免疫力，具有傳感與驅動的雙重功能，不依賴主體結構模型，適用于復雜土木工程結構的健康監測。PZT傳感器體積小、質量輕，對本體結構影響很小，可以粘貼在已有結構的表面或埋入新建結構的內部進行結構健康監測，是主動型健康監測方法［4-5］。利用壓電阻抗技術識別結構損傷在土木工程領域已有應用。石油天然氣管道一般為鋼制管道，與土木工程結構有相近之處，所以利用壓電阻抗技術對其進行健康監測具有可行性。

2 油氣管道健康監測系統的組成

油氣管道健康監測系統框架如圖1所示。

1）數據采集模塊 數據采集模塊由布設在油氣管道上的PZT傳感器和采集卡組成。在滿足監測要求的前提下盡可能減少PZT傳感器的布設數量，以減少數據傳輸量。該模塊基于近端或遠程數據傳輸平臺將采集數據傳輸到信號處理系統中，系統運行初期采用有線傳輸方式，最終目標是實現數據無線傳輸。遠程數據采集可以通過RS232串口與數據信號處理模塊相連，通過AT指令控制模塊實現各種數據通信功能。

2）數據信號處理模塊 數據信號處理模塊由信號放大器和壓電阻抗分析儀組成，該模塊將傳輸來的數據或信號放大后進行處理和分析，具有標準化、可擴展、混合并行模式、多層次互聯的特性。在滿足運算速度要求的前提下，要求DSP的功耗小，電路設計簡單，軟件開發容易。信號處理模塊的主要技術指標包括：①輸入模擬信號，通道數為32路，信號頻率為0～800kHz；②通訊接口，RS422口及RS232接口各1個，自定義的通用IO口16位；③輸出模擬信號通道數為2路；④LCD彩色顯示屏；⑤運算能力，實時進行數據計算處理。

3）管道損傷識別模塊 管道損傷識別模塊的主要功能是判別管道是否有損傷、確定損傷的程度及位置，是系統中最關鍵的模塊，在運行該模塊之前需要對壓電管道模型運動方程和相應信號進行修正。該模塊采用智能算法，即神經網絡來進行損傷識別。在人工神經網絡中，以方差及協方差等結構動態響應的統計特征參數作為神經網絡的輸入，以損傷位置和損傷程度作為神經網絡的輸出，利用神經網絡來實現損傷識別過程。

4）管道健康狀況評估模塊 管道健康狀況評估模塊的主要功能是評估管道損傷后的剩余強度，對強度儲備進行可靠性分析，根據損傷的類型預測管道的使用壽命。在該模塊中采用的評估標準［6］主要有：①ASEM B31G準則—— 《腐蝕管道剩余強度的簡明評價方法》；②英國電力設計標準 《有缺陷結構完整性的評價標準》（CEEB-R／H／R6）；③中國石油天然氣集團公司制定的 《含缺陷油氣輸送管道剩余強度評價方法》（SY／T6477-2000）。在現有以上3種評估標準中根據損傷類型選取適當的評價準則進行管道健康狀況評估。

5）管道維修養護對策模塊 管道維修養護對策模塊的主要功能是判斷險情類型、評估隱患險情程度、對事故程度進行分類，對未失效的管道采取維護或維修措施［7］。油氣管道維修包括修理、維護和更換。修理是指對失效管道的搶修，適用于對管道故障沒有充分了解、缺乏事前的準備的情況，是管道發生故障后才進行的。維護是為降低管道失效概率，防止管道性能退化，按事前設計方案或相關技術條件規定進行的，也稱預防性維修。更換是指更換管道或相關設備，是管道維修所采用的措施之一。該模塊將根據管道健康狀況評估結果提出相關維修對策。

圖1 油氣管道健康監測系統

3 構建油氣管道健康監測系統的預期成果

利用壓電阻抗技術構建油氣管道健康監測系統的預期成果主要包括以下幾個方面：建立壓電片-粘結層-管道的耦合智能結構模型；利用壓電阻抗分析儀進行多路數據處理；遠程數據傳輸與信號去噪技術；實現油氣管道損傷的在線監測；事故報警與管道維修養護提醒；建立管道安全運行的智能化管理系統。

總之，筆者提出基于壓電阻抗技術的油氣管道健康監測系統是實現油氣管道完整性管理和安全運營的可行路線，但建立該系統尚有很多問題需要解決，這里只提出了初步框架，關鍵技術問題有待深入研究。

［1］姚安林，徐濤龍，李又綠，等 ．國內油氣管道完整性管理應予以重視的問題 ［J］．油氣儲運，2010，29（10）：721-726．

［2］潘旭海，蔣軍成 ．重 （特）大泄露事故統計分析及事故模式研究 ［J］．化學工業與工程，2002（3）：248-252．

［3］焦莉，李宏男．PZT的EMI技術在土木工程健康監測中的研究進展 ［J］．防災減災工程學報，2006，26（1）：102-108．

［4］朱宏平 ．結構損傷檢測的智能方法 ［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［5］Park S．PZT-based active damage detection techniques for steel bridge components ［J］．Smart Materials and Structures，2006，15：957-966．

［6］邵娜 ．油氣長輸管道剩余強度的評價方法研究 ［D］．沈陽：沈陽工業大學，2009．

［7］陳利瓊，張鵬 ．基于風險的油氣管道維修及搶險流程 ［J］．油氣儲運，2008（7）：1-5．