基于壓電主動傳感法的鋼管螺紋接頭松動監測

李宗源， 馮 謙,2， 梁亞斌,2， 羅登貴,2， 劉鐵軍

(1. 中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071; 2. 武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071;3. 哈爾濱工業大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引 言

鋼管在管道工程中應用廣泛，連接方式多種多樣，焊接、螺紋連接、卡箍連接、法蘭連接等連接方式是鋼管管道連接的主要方式。螺紋連接因其可拆卸、制作方便、連接前后不發生彎曲而被廣泛使用，但其同樣容易產生松動泄露、接頭腐蝕等問題。鋼管管道連接部位是管道工程中的薄弱環節，對管道連接部位的研究相對缺失，因此，對連接部位進行松動監測等相關研究具有重要意義。

壓電材料是新型智能材料，其基本原理來自壓電效應。由于壓電效應的存在，利用壓電材料產生的超聲導波、lamb波、高頻機械震蕩等監測、檢測方法應運而生。各種檢測方法在土木工程領域中逐漸被廣泛應用[1]，并發明出新型構件[2-3]監測混凝土、螺栓[4]、鋼結構[5]、管道[6]等方方面面的工程對象。張宇[7]利用壓電阻抗法識別管道運營條件下的管道裂紋，得到有效的損傷識別指標，驗證了實驗可行性；Feng[8]用壓電主動法監測混凝土管管道裂縫不同走向以及局部滲水對壓電信號的改變程度；Du[9]通過人工制造缺陷來模擬管道腐蝕情況，之后利用時間反演法對鋼管管道的腐蝕缺陷進行實驗驗證；Yan[10]用超聲導波監測管道兩個裂縫，并通過損傷敏感程度來判斷壓電材料能否監測雙裂縫工況。雖然在管道病害方面利用壓電材料監測的方式方法很多，但實驗室所用方法能夠用于實際檢測的并不多，壓電主動法是能夠實際應用的方法之一。

本文利用壓電主動傳感法，對鋼管管道螺紋接頭部位的松動病害進行實驗，以探求松動監測可行性。

1 實驗原理

1.1 螺紋接頭松動對應力波能量的影響

應力波在管道和接頭之間的接觸界面發生透射，透射能量大小與接觸面積相關。當接頭部位松緊程度改變時，螺紋嚙合接觸面積隨之改變，由此通過監測接收應力波信號的能量改變，來間接表征接頭部位接觸面積的改變，最終達到監測松緊程度的目的。因壓電陶瓷片實現了電能與機械能的相互轉變，壓電陶瓷片可以作為傳感器，接收應力波，或者作為激發器，直接產生應力波。利用此效應來發射并接收應力波，能夠作為監測手段達到實驗目的。

應力波在傳播的過程中，受介質的影響較大。當構筑物隨著自身狀態的改變，相應的應力波的表現形式也發生改變。壓電陶瓷產生的應力波，對于接觸面積、界面、介質自身改變等方面的變化有明顯的識別作用。在該實驗中，信號通過連接界面傳遞能量，轉動過程中，緊固力通過界面的摩擦力表現在接頭部位的扭力上，界面的摩擦力同壓強，受力面積相關。在金屬制品表面接觸中，經典赫茲接觸理論和正弦波表面模型能夠很好解釋壓強、接觸面積，扭力之間的關系[11]，為了突出影響信號能量的主要因素，該實驗在原理分析里面的主要變量有兩個，分別是界面接觸面積S和兩個壓電片距離L。

1）接觸面積變化與轉動角度變量之間的關系

在接觸面積中，需要分析兩種情況下的接觸情況轉動前后過程中，管道與接頭存在接觸的面積S0，與在轉動過程中從接觸中分離的面積ΔS。

充分考慮所有接觸時，接觸面積的改變對信號能量的變化產生重要影響。因此，針對松動過程，重點考察接觸面中的面積改變。假設接頭轉動角度2π，螺紋面從管道中分離面積為S0，分離面積ΔS與轉動角度θ呈正比例關系：

2）相對距離變化與轉動角度變量之間的關系

同時，轉動過程中，需要分析兩個壓電陶瓷片間的相對距離L與管道轉動角度θ之間的關系。

假設初始位置兩個壓電片處于同一直線，兩者相對距離為a，管道半徑為R。此時，假設外接頭轉動一周2π，向外移動距離為b，則當管道轉動角度θ時（0θπ），壓電片距離與角度之間的關系如圖1所示，表達式為

圖1 管道外觀與壓電陶瓷片初始粘貼位置

距離的改變量ΔL表示如下：

經泰勒展開可知：

則實驗過程中信號能量的改變影響因素，用下式表示。由于?S∝θ、?L∝θ，所以：

能量的改變量同角度直接相關。

1.2 基于小波包能量法的松動指數

在能量傳播的過程中，波的能量主要體現在幅值大小上面，本文利用小波變換的方法,識別特征信號,對信號進行處理。

本文中，接收到的信號被n階變換從而變成數量為2n的信號集，記為變換之后的信號在頻率域中被劃分為j，實際信號的頻率范圍由采樣頻率決定，數字m代表采樣頻率[12]，變換后的小波信號為

信號能量大小定義為

分解后的信號能量為

松動后的信號就可以用如下的指標表示：

2 實驗裝置及步驟

實驗采用長 550 mm、外徑 48 mm 鋼管作為實驗對象，內徑42 mm，壁厚約3 mm。外接頭內徑44 mm。直接購買制作好的鋼管，螺紋接頭形制規整，螺紋線平整，接頭部位無明顯損傷，外接頭均勻緊固。圖2所示為粘貼壓電陶瓷片后的鋼管螺紋接頭部位，壓電陶瓷片粘貼位置是實驗初始工況下的位置。另附壓電陶瓷片的規格如表1所示。

圖2 管道外觀與壓電陶瓷片初始粘貼位置

表1 壓電片物理參數

實驗準備過程中，用皮尺測量管道周長，均分兩半后，對半周長5等份，做標記于管道壁上。之后，用環氧樹脂粘貼壓電片于圖3中的標示位置，壓電片1粘貼在鋼管上，被夾具固定，壓電片2粘貼在外接頭上，隨外接頭轉動，圖中起始位置作為實驗基準工況條件。實驗過程中，每次轉動以刻度線為準，轉動5次后壓電片所處位置和開始位置正好位于管道兩側。實驗過程中以弧長轉動為準，半徑相同，則每次轉動角度相同，設置工況如表2所示。

圖4是實驗所用設備，數據采集卡為美國國家儀器有限公司所產的型號為USB-6363型采集卡，實驗監測所用軟件為LabVIEW,實驗采用掃頻信號作為激發信號，對于激發信號的頻率范圍，首先采用1 Hz～1 MHz的頻率范圍進行測試，對于6種工況條件下,松動導致信號相對頻率的改變未知，采用何種頻率信號進行測試是實驗測試頻率選擇的主要考量，因此進行測試，對于頻率范圍，由測試結果可以作為頻率選擇的依據，附測試結果如圖5所示。

圖3 實驗過程圖

表2 實驗工況

圖4 實驗所用設備及器材

圖5 采集信號頻率域測試

圖中所示的結果為測試后頻譜圖，之后對實驗數據進行頻譜分析。結果表明，頻率在400 kHz以下能夠明顯識別松動的變化，因此，選擇100 Hz～400 kHz為實驗采樣頻率段進行掃頻激勵。表3為監測終端中使用的實驗參數。

表3 實驗參數

3 實驗結果及分析

實驗中：首先測試無松動情況下的信號，隨后轉動外接頭，使外接頭每次轉動角度相同，轉動到相應工況即停止轉動，然后測量數據，結果如圖6所示，從上到下依次為工況1～工況6實驗數據。

圖6 數據信號時程

由圖可明顯看出，隨著松動的進行，信號幅值逐漸降低。在最后一種工況下，信號能量同初始時的能量相比，發生了巨大變化，運用小波包能量分析法對所有工況條件的信號進行處理，結果如圖7所示。

圖7 信號處理后能量圖

信號的衰減呈現明顯的遞減關系，并且遞減速度較均勻，同推論所提到的能量衰減同轉動角度之間的關系，對應良好。同時，管道在轉動過程中，轉動扭力會有輕微的變化，為排除實驗過程中無關干擾因素帶來的影響，對實驗進行了5次重復性實驗，測試結果如圖8所示。

圖8 空間關系圖

參照實驗過程與圖中測試結果，該方法能夠較好反映接頭松動過程。在實驗的過程中，影響實驗結果的主要變量為接頭部位的有效接觸面積改變量ΔS和壓電片之間的距離改變量ΔL。在實際轉動角度方面，由于轉動角度固定，每次轉動π/5，分離面積和距離逐漸增加，但是，由于基礎面積和距離都是關于轉動角度θ的函數，整個信號的能量改變程度是關于角度θ的函數。

最終研究結果表明，運用壓電主動傳感法能夠有效監測接頭部位的松動情況。對于鋼管螺紋接頭的松動，直接體現在接頭和管道之間發生角度轉動，由此帶來的松動可以被主動傳感法有效監測。實驗下一步可以用壓電阻抗法測試轉動過程中機械阻抗的變化。

4 結束語

本文通過實驗室模擬松動過程的方法，利用扳手對鋼管螺紋接頭進行5次松動，利用壓電主動傳感法檢測松動過程中信號幅值的改變，運用小波包能量法對提取的信號進行分析，結果表明能量大小隨松動程度增加呈明顯的遞減關系。同時，為排除其他干擾因素，進行重復性實驗。最終結果表明，基于壓電主動傳感法能夠較好監測鋼管螺紋連接的松動，驗證了松動過程中松動程度同轉動角度之間良好的對應關系，探求在實際工程中有效實現對鋼管管道接頭的監測，探索健康監測在管道工程中更廣泛的應用途徑。

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