基于壓電主動(dòng)傳感法的鋼管螺紋接頭松動(dòng)監(jiān)測(cè)

李宗源， 馮 謙,2， 梁亞斌,2， 羅登貴,2， 劉鐵軍

(1. 中國(guó)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(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引 言

鋼管在管道工程中應(yīng)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(fā)生彎曲而被廣泛使用，但其同樣容易產(chǎn)生松動(dòng)泄露、接頭腐蝕等問(wèn)題。鋼管管道連接部位是管道工程中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)管道連接部位的研究相對(duì)缺失，因此，對(duì)連接部位進(jìn)行松動(dòng)監(jiān)測(cè)等相關(guān)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(lái)自壓電效應(yīng)。由于壓電效應(yīng)的存在，利用壓電材料產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波、lamb波、高頻機(jī)械震蕩等監(jiān)測(cè)、檢測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。各種檢測(cè)方法在土木工程領(lǐng)域中逐漸被廣泛應(yīng)用[1]，并發(fā)明出新型構(gòu)件[2-3]監(jiān)測(cè)混凝土、螺栓[4]、鋼結(jié)構(gòu)[5]、管道[6]等方方面面的工程對(duì)象。張宇[7]利用壓電阻抗法識(shí)別管道運(yùn)營(yíng)條件下的管道裂紋，得到有效的損傷識(shí)別指標(biāo)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)可行性；Feng[8]用壓電主動(dòng)法監(jiān)測(cè)混凝土管管道裂縫不同走向以及局部滲水對(duì)壓電信號(hào)的改變程度；Du[9]通過(guò)人工制造缺陷來(lái)模擬管道腐蝕情況，之后利用時(shí)間反演法對(duì)鋼管管道的腐蝕缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Yan[10]用超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)管道兩個(gè)裂縫，并通過(guò)損傷敏感程度來(lái)判斷壓電材料能否監(jiān)測(cè)雙裂縫工況。雖然在管道病害方面利用壓電材料監(jiān)測(cè)的方式方法很多，但實(shí)驗(yàn)室所用方法能夠用于實(shí)際檢測(cè)的并不多，壓電主動(dòng)法是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的方法之一。

本文利用壓電主動(dòng)傳感法，對(duì)鋼管管道螺紋接頭部位的松動(dòng)病害進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探求松動(dòng)監(jiān)測(cè)可行性。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 螺紋接頭松動(dòng)對(duì)應(yīng)力波能量的影響

應(yīng)力波在管道和接頭之間的接觸界面發(fā)生透射，透射能量大小與接觸面積相關(guān)。當(dāng)接頭部位松緊程度改變時(shí)，螺紋嚙合接觸面積隨之改變，由此通過(guò)監(jiān)測(cè)接收應(yīng)力波信號(hào)的能量改變，來(lái)間接表征接頭部位接觸面積的改變，最終達(dá)到監(jiān)測(cè)松緊程度的目的。因壓電陶瓷片實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)變，壓電陶瓷片可以作為傳感器，接收應(yīng)力波，或者作為激發(fā)器，直接產(chǎn)生應(yīng)力波。利用此效應(yīng)來(lái)發(fā)射并接收應(yīng)力波，能夠作為監(jiān)測(cè)手段達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

應(yīng)力波在傳播的過(guò)程中，受介質(zhì)的影響較大。當(dāng)構(gòu)筑物隨著自身狀態(tài)的改變，相應(yīng)的應(yīng)力波的表現(xiàn)形式也發(fā)生改變。壓電陶瓷產(chǎn)生的應(yīng)力波，對(duì)于接觸面積、界面、介質(zhì)自身改變等方面的變化有明顯的識(shí)別作用。在該實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)通過(guò)連接界面?zhèn)鬟f能量，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，緊固力通過(guò)界面的摩擦力表現(xiàn)在接頭部位的扭力上，界面的摩擦力同壓強(qiáng)，受力面積相關(guān)。在金屬制品表面接觸中，經(jīng)典赫茲接觸理論和正弦波表面模型能夠很好解釋壓強(qiáng)、接觸面積，扭力之間的關(guān)系[11]，為了突出影響信號(hào)能量的主要因素，該實(shí)驗(yàn)在原理分析里面的主要變量有兩個(gè)，分別是界面接觸面積S和兩個(gè)壓電片距離L。

1）接觸面積變化與轉(zhuǎn)動(dòng)角度變量之間的關(guān)系

在接觸面積中，需要分析兩種情況下的接觸情況轉(zhuǎn)動(dòng)前后過(guò)程中，管道與接頭存在接觸的面積S0，與在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中從接觸中分離的面積ΔS。

充分考慮所有接觸時(shí)，接觸面積的改變對(duì)信號(hào)能量的變化產(chǎn)生重要影響。因此，針對(duì)松動(dòng)過(guò)程，重點(diǎn)考察接觸面中的面積改變。假設(shè)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度2π，螺紋面從管道中分離面積為S0，分離面積ΔS與轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ呈正比例關(guān)系：

2）相對(duì)距離變化與轉(zhuǎn)動(dòng)角度變量之間的關(guān)系

同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，需要分析兩個(gè)壓電陶瓷片間的相對(duì)距離L與管道轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ之間的關(guān)系。

假設(shè)初始位置兩個(gè)壓電片處于同一直線，兩者相對(duì)距離為a，管道半徑為R。此時(shí)，假設(shè)外接頭轉(zhuǎn)動(dòng)一周2π，向外移動(dòng)距離為b，則當(dāng)管道轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ時(shí)（0θπ），壓電片距離與角度之間的關(guān)系如圖1所示，表達(dá)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(jīng)泰勒展開(kāi)可知：

則實(shí)驗(yàn)過(guò)程中信號(hào)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(guān)。

1.2 基于小波包能量法的松動(dòng)指數(shù)

在能量傳播的過(guò)程中，波的能量主要體現(xiàn)在幅值大小上面，本文利用小波變換的方法,識(shí)別特征信號(hào),對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

本文中，接收到的信號(hào)被n階變換從而變成數(shù)量為2n的信號(hào)集，記為變換之后的信號(hào)在頻率域中被劃分為j，實(shí)際信號(hào)的頻率范圍由采樣頻率決定，數(shù)字m代表采樣頻率[12]，變換后的小波信號(hào)為

信號(hào)能量大小定義為

分解后的信號(hào)能量為

松動(dòng)后的信號(hào)就可以用如下的指標(biāo)表示：

2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng) 550 mm、外徑 48 mm 鋼管作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，內(nèi)徑42 mm，壁厚約3 mm。外接頭內(nèi)徑44 mm。直接購(gòu)買(mǎi)制作好的鋼管，螺紋接頭形制規(guī)整，螺紋線平整，接頭部位無(wú)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(shí)驗(yàn)初始工況下的位置。另附壓電陶瓷片的規(guī)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(shù)

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，用皮尺測(cè)量管道周長(zhǎng)，均分兩半后，對(duì)半周長(zhǎng)5等份，做標(biāo)記于管道壁上。之后，用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼壓電片于圖3中的標(biāo)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(zhuǎn)動(dòng)，圖中起始位置作為實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)工況條件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每次轉(zhuǎn)動(dòng)以刻度線為準(zhǔn)，轉(zhuǎn)動(dòng)5次后壓電片所處位置和開(kāi)始位置正好位于管道兩側(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以弧長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)為準(zhǔn)，半徑相同，則每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，設(shè)置工況如表2所示。

圖4是實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備，數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)國(guó)家儀器有限公司所產(chǎn)的型號(hào)為USB-6363型采集卡，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)所用軟件為L(zhǎng)abVIEW,實(shí)驗(yàn)采用掃頻信號(hào)作為激發(fā)信號(hào)，對(duì)于激發(fā)信號(hào)的頻率范圍，首先采用1 Hz～1 MHz的頻率范圍進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于6種工況條件下,松動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)相對(duì)頻率的改變未知，采用何種頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)試是實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率選擇的主要考量，因此進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于頻率范圍，由測(cè)試結(jié)果可以作為頻率選擇的依據(jù)，附測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖

表2 實(shí)驗(yàn)工況

圖4 實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及器材

圖5 采集信號(hào)頻率域測(cè)試

圖中所示的結(jié)果為測(cè)試后頻譜圖，之后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。結(jié)果表明，頻率在400 kHz以下能夠明顯識(shí)別松動(dòng)的變化，因此，選擇100 Hz～400 kHz為實(shí)驗(yàn)采樣頻率段進(jìn)行掃頻激勵(lì)。表3為監(jiān)測(cè)終端中使用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中：首先測(cè)試無(wú)松動(dòng)情況下的信號(hào)，隨后轉(zhuǎn)動(dòng)外接頭，使外接頭每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同，轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)工況即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示，從上到下依次為工況1～工況6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)程

由圖可明顯看出，隨著松動(dòng)的進(jìn)行，信號(hào)幅值逐漸降低。在最后一種工況下，信號(hào)能量同初始時(shí)的能量相比，發(fā)生了巨大變化，運(yùn)用小波包能量分析法對(duì)所有工況條件的信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號(hào)處理后能量圖

信號(hào)的衰減呈現(xiàn)明顯的遞減關(guān)系，并且遞減速度較均勻，同推論所提到的能量衰減同轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，對(duì)應(yīng)良好。同時(shí)，管道在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)扭力會(huì)有輕微的變化，為排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)關(guān)干擾因素帶來(lái)的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了5次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 空間關(guān)系圖

參照實(shí)驗(yàn)過(guò)程與圖中測(cè)試結(jié)果，該方法能夠較好反映接頭松動(dòng)過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度方面，由于轉(zhuǎn)動(dòng)角度固定，每次轉(zhuǎn)動(dòng)π/5，分離面積和距離逐漸增加，但是，由于基礎(chǔ)面積和距離都是關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ的函數(shù)，整個(gè)信號(hào)的能量改變程度是關(guān)于角度θ的函數(shù)。

最終研究結(jié)果表明，運(yùn)用壓電主動(dòng)傳感法能夠有效監(jiān)測(cè)接頭部位的松動(dòng)情況。對(duì)于鋼管螺紋接頭的松動(dòng)，直接體現(xiàn)在接頭和管道之間發(fā)生角度轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶來(lái)的松動(dòng)可以被主動(dòng)傳感法有效監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)下一步可以用壓電阻抗法測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械阻抗的變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬松動(dòng)過(guò)程的方法，利用扳手對(duì)鋼管螺紋接頭進(jìn)行5次松動(dòng)，利用壓電主動(dòng)傳感法檢測(cè)松動(dòng)過(guò)程中信號(hào)幅值的改變，運(yùn)用小波包能量法對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)果表明能量大小隨松動(dòng)程度增加呈明顯的遞減關(guān)系。同時(shí)，為排除其他干擾因素，進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。最終結(jié)果表明，基于壓電主動(dòng)傳感法能夠較好監(jiān)測(cè)鋼管螺紋連接的松動(dòng)，驗(yàn)證了松動(dòng)過(guò)程中松動(dòng)程度同轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，探求在實(shí)際工程中有效實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管管道接頭的監(jiān)測(cè)，探索健康監(jiān)測(cè)在管道工程中更廣泛的應(yīng)用途徑。

[1]SONG G, GU H, MO Y L. TOPICAL REVIEW: Smart aggregates: multi–functional sensors for concrete structures—a tutorial and a review [J]. Smart Materials & Structures, 2008,17(3): 033001.

[2]HUO L, CHEN D, LIANG Y, et al. Impedance based bolt pre–load monitoring using piezoceramic smart washer [J].Smart Materials & Structures, 2017, 26(5): 057004.

[3]SONG G, GU H, MO Y L. Smart aggregates: multi–functional sensors for concrete structures—a tutorial and a review [J].Smart Materials & Structures, 2008, 17(3): 033001.

[4]YANG J, CHANG F K. Detection of bolt loosening in C–C composite thermal protection panels: II. Experimental verification[J]. Smart Materials & Structures, 2006, 15(2):591–599.

[5]LIANG Y, LI D, PARVASI S M, et al. Load monitoring of pin–connected structures using piezoelectric impedance measurement [J]. Smart Materials & Structures, 2016, 25(10):105011.

[6]ZHANG L, WANG C, HUO L, et al. Health monitoring of cuplok scaffold joint connection using piezoceramic transducers and time reversal method [J]. Smart Materials &Structures, 2016, 25(3): 035010.

[7]張宇, 胡利瓊, 羅輝,等. 壓電阻抗法識(shí)別管道裂紋試驗(yàn)研究[J].土木工程與管理學(xué)報(bào), 2015(1): 48–52.

[8]FENG Q, KONG Q, SONG G. Damage detection of concrete piles subject to typical damage types based on stress wave measurement using embedded smart aggregates transducers [J].Measurement, 2016, 88: 345–352.

[9]DU G, KONG Q, WU F, et al. An experimental feasibility study of pipeline corrosion pit detection using a piezoceramic time reversal mirror [J]. Smart Materials & Structures, 2016,25(3): 037002.

[10]YAN S, QI J, ZHAO N Z, et al. Multiple crack detection of pipes using PZT–based guided waves [J]. Applied Mechanics& Materials, 2014, 448/453: 3702–3708.

[11]羅毅, 王濤, 劉紹鵬,等. 基于壓電主動(dòng)傳感方式的螺栓松動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 3(8): 1059–1063.

[12]DU G, KONG Q, LAI T, et al. Feasibility study on crack detection of pipelines using piezoceramic transducers[J].International Journal of Distributed Sensor Networks, 2013(3):534–557.