移動(dòng)振動(dòng)激勵(lì)下的管道懸空內(nèi)檢測(cè)試驗(yàn)研究

， ，仕民，莉莉，

(1. 中國石油大學(xué)(北京) a. 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院； b. 油氣管道智能裝備實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610000)

管道對(duì)于石油、化工等領(lǐng)域的資源輸送起著越來越重要的作用。由于地形地貌、穿越區(qū)域(城區(qū)、河流、公路等)及保護(hù)管道安全的需要，管道通常埋設(shè)于地面或海床以下一定深度。隨著服役年限的逐漸增長，這些埋地管道常常出現(xiàn)懸空現(xiàn)象[1-4]。管道懸空現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)對(duì)埋地管道的安全有較大威脅，可能導(dǎo)致管道泄漏、折斷等重大安全事故。因此，管道的懸空檢測(cè)問題也越來越受到的重視。

傳統(tǒng)的懸空檢測(cè)技術(shù)均是在管道外部觀測(cè)或檢測(cè)管道懸空狀況，受到地形地貌復(fù)雜、檢測(cè)效率低、檢測(cè)周期長、檢測(cè)結(jié)果不精確等問題困擾，已不能滿足埋地管道懸空檢測(cè)需求[5-8]。

鑒于此，開展了一種管內(nèi)主動(dòng)激勵(lì)下的管道懸空內(nèi)檢測(cè)技術(shù)研究。通過設(shè)計(jì)管道懸空內(nèi)檢測(cè)裝置，在管內(nèi)施加主動(dòng)激勵(lì)載荷，通過對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)的分析，辨識(shí)出管道的懸空情況。由于該方法是在管內(nèi)作業(yè)，因此規(guī)避了管外復(fù)雜的環(huán)境工況，減小了環(huán)境對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾；由于是基于可控的管內(nèi)主動(dòng)激勵(lì)，因此可以保證激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)的穩(wěn)定性，從而準(zhǔn)確辨識(shí)管道懸空情況；由于管道懸空內(nèi)檢測(cè)裝置在管內(nèi)一次運(yùn)行即可檢測(cè)管道的懸空情況，因此作業(yè)效率相對(duì)較高。綜上所述，該方法對(duì)于檢測(cè)石油、化工、城市燃?xì)?、蒸汽等工業(yè)及民用領(lǐng)域內(nèi)的埋地管道有廣闊的應(yīng)用前景。

通過初步試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，研究了管道內(nèi)部定點(diǎn)靜態(tài)載荷作用下的管道懸空檢測(cè)問題，獲得了一定進(jìn)展[9-11]。本文基于前期研究成果，運(yùn)用試驗(yàn)方法進(jìn)一步探究移動(dòng)載荷主動(dòng)激勵(lì)作用下的懸空檢測(cè)問題。

1 檢測(cè)原理與試驗(yàn)

在管道中，懸空檢測(cè)裝置由清管器或其它管內(nèi)作業(yè)設(shè)備拖動(dòng)前進(jìn)，并在移動(dòng)過程中發(fā)出振動(dòng)激勵(lì)，與檢測(cè)器相接觸的管道局部區(qū)域受到激勵(lì)作用而振動(dòng)。檢測(cè)器中的信號(hào)采集系統(tǒng)捕獲激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)，通過對(duì)比分析不同區(qū)域捕獲到的信號(hào)得出管道的懸空狀況。

懸空檢測(cè)裝置管內(nèi)移動(dòng)速度越快，檢測(cè)效率就越高。為了探究管道內(nèi)部移動(dòng)載荷主動(dòng)激勵(lì)作用下管道懸空內(nèi)檢測(cè)方法的可行性及移動(dòng)速度對(duì)檢測(cè)效果的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了如圖1所示的懸空檢測(cè)試驗(yàn)裝置。由于管道由鋼板卷曲而成，管道內(nèi)外表面曲率無限增大即為鋼板，因此首先采用鋼板代替管道進(jìn)行懸空檢測(cè)試驗(yàn)，將鋼板上方的空間視為管道內(nèi)部，其上表面視為管道內(nèi)表面。試驗(yàn)裝置主要由1塊Q235的1000 mm×200 mm×5 mm鋼板(鋼板厚度參考8 in管道)、兩端支撐(黏性黃土)及懸空檢測(cè)裝置組成。兩端黃土支撐部分各長200 mm，中間懸空部分長度為600 mm，分別用來代替管道的支撐段和懸空段。為了使支撐段盡可能接近管道埋地工況，對(duì)鋼板做了壓實(shí)處理，保證鋼板和黃土的緊密接觸。

信號(hào)發(fā)生、激勵(lì)與采集裝置如圖2所示，主要包括：一個(gè)信號(hào)發(fā)生器(UTG 9003 A)、一個(gè)功率放大器(GR-100)、懸空檢測(cè)裝置、一套NI采集系統(tǒng)(NI cRIO-9076實(shí)時(shí)控制器+NI 9234采集模塊)和一臺(tái)PC。

圖1 懸空檢測(cè)試驗(yàn)裝置

圖2 懸空檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)發(fā)生、激勵(lì)與采集裝置

表1為試驗(yàn)中所采用的加速度傳感器的性能參數(shù)。

表1 加速度傳感器性能參數(shù)

由圖2中的信號(hào)發(fā)生器發(fā)出并由功率放大器放大后的激勵(lì)信號(hào)(試驗(yàn)中為正弦掃頻信號(hào))輸入懸空檢測(cè)裝置中，使其內(nèi)部的激振器起振，該振動(dòng)將激勵(lì)起與三支撐腿相接觸的被檢測(cè)鋼板局部區(qū)域振動(dòng)。加速度傳感器1和2分別采集激勵(lì)信號(hào)及被檢測(cè)鋼板的響應(yīng)信號(hào)，并存入NI采集系統(tǒng)，最終通過PC進(jìn)行結(jié)果分析。懸空檢測(cè)裝置以一近似恒定速度由手搖絞盤拖動(dòng)前進(jìn)，并在前進(jìn)過程中不間斷進(jìn)行上述信號(hào)發(fā)生、被測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與響應(yīng)信號(hào)采集過程，因此懸空檢測(cè)裝置在位移過程中的每一微元時(shí)間段內(nèi)可以檢測(cè)其所在位置鋼板局部區(qū)域的懸空情況。

因?yàn)閼铱諜z測(cè)裝置移動(dòng)狀態(tài)下持續(xù)采集的激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)是一個(gè)整體，為了有效分析被測(cè)結(jié)構(gòu)不同區(qū)間段的懸空情況，需要對(duì)信號(hào)整體做劃分處理。分別采用SD 1(Signal division method 1)和SD 2(Signal division method 2)2種不同的信號(hào)劃分方法對(duì)激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行劃分。SD 1信號(hào)劃分方法以N*FC(FC為激勵(lì)信號(hào)掃頻周期，N為周期個(gè)數(shù))為時(shí)間標(biāo)尺，在不重復(fù)利用信號(hào)的情況下將信號(hào)整體等長度劃分成n段，每一分段信號(hào)包含了對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)經(jīng)過的被測(cè)結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的平均懸空情況。SD 2信號(hào)劃分方法同樣以N*FC為時(shí)間標(biāo)尺，但相鄰的分段信號(hào)相互有重疊區(qū)域。時(shí)間標(biāo)尺的選擇將隨著懸空裝置的移動(dòng)速度、所需的最小懸空檢測(cè)長度及檢測(cè)精度的變化而變化。SD 1主要用于劃分懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)速度較低狀態(tài)下所采集到的信號(hào)，SD 2則主要用于劃分移動(dòng)速度相對(duì)較高狀態(tài)下所采集到的信號(hào)。因?yàn)樵诩?lì)信號(hào)掃頻速率一定情況下，過快的移動(dòng)速度會(huì)使懸空檢測(cè)裝置相同時(shí)間內(nèi)所移動(dòng)經(jīng)過的距離更長，從而降低了檢測(cè)精度。并有可能導(dǎo)致被測(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間不夠充分，從而無法獲取真實(shí)的懸空狀態(tài)信息。因此，在懸空檢測(cè)裝置相對(duì)較高移動(dòng)速度時(shí)，在能夠保證被測(cè)結(jié)構(gòu)局部區(qū)域響應(yīng)充分的情況下，采用SD 2信號(hào)劃分方法能夠一定程度提高檢測(cè)精度，從而更清晰準(zhǔn)確地辨識(shí)懸空情況。

為探究移動(dòng)速度對(duì)懸空檢測(cè)效果的影響規(guī)律，共進(jìn)行了4組不同工況的試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)了5次，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 信號(hào)處理與分析方法

采集到的信號(hào)由Matlab程序進(jìn)行處理分析，信號(hào)處理流程如圖3所示。將分段后的信號(hào)依次編號(hào)為相對(duì)檢測(cè)位置1, 2, 3,…j。頻率響應(yīng)函數(shù)采用式(1)計(jì)算：

(1)

式中：j表示某一相對(duì)檢測(cè)位置；Fres(j)表示相對(duì)檢測(cè)位置j處快速傅里葉變換后的響應(yīng)信號(hào)；Fexc(j)表示該處快速傅里葉變化后的激勵(lì)信號(hào)；FRj則代表該位置的頻響函數(shù)。

將同一組試驗(yàn)中，各個(gè)相對(duì)檢測(cè)位置的頻響函數(shù)曲線的幅值以灰度深淺表示、縱坐標(biāo)表示頻率、橫坐標(biāo)表示相對(duì)檢測(cè)點(diǎn)位置，就可以獲得頻響函數(shù)隨相對(duì)檢測(cè)位置變化的二維灰度分布圖，從而可以根據(jù)灰度圖的變化趨勢(shì)辨識(shí)出懸空情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過初步分析，各組重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果差異較小，統(tǒng)一選取各組第2次重復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4組試驗(yàn)的頻響函數(shù)二維灰度分布圖如圖4所示,其中橫坐標(biāo)表示相對(duì)檢測(cè)位置，其意義在第2章節(jié)中已有說明，單位為1。

圖3 信號(hào)處理流程

圖4 頻響函數(shù)二維灰度分布

從圖4中可以看到，在①區(qū)域(虛線大框區(qū)域)中存在一些共同現(xiàn)象：兩端的相對(duì)檢測(cè)位置在同一頻率(約50 Hz)均有灰度區(qū)域；中間的相對(duì)檢測(cè)位置在同一頻率(約15 Hz)均有灰度區(qū)域；標(biāo)記為a范圍(虛線小框區(qū)域)內(nèi)存在著隨著懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)速度變大而逐漸深度加強(qiáng)、灰度范圍變大的灰度區(qū)。圖4d中無法觀察到任何有規(guī)律的現(xiàn)象。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，支撐段相對(duì)于懸空段的彎曲剛度更大，因此有更高的一階固有頻率。根據(jù)圖中50 Hz及15 Hz灰度的變化情況可以有效辨識(shí)出一階固有頻率，從而確定懸空的出現(xiàn)及其長度，計(jì)算出的懸空長度如表3所示。由于懸空檢測(cè)裝置是在移動(dòng)狀態(tài)下采集激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)，有可能存在振動(dòng)響應(yīng)不充分的問題，且信號(hào)劃分方法決定了灰度分布圖表示的是被測(cè)結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的平均懸空情況，因此速度越高，a范圍內(nèi)存在的、干擾懸空辨識(shí)的灰度就越明顯。懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)速度超過一定值后，被測(cè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號(hào)完全無法采集，所以出現(xiàn)了如圖4d所示的情況。根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果可以得出，懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)狀態(tài)下檢測(cè)懸空狀態(tài)具有可行性，但移動(dòng)速度對(duì)懸空檢測(cè)結(jié)果有較大影響，在本文所提出的試驗(yàn)參數(shù)下，當(dāng)速度不超過112.5 mm/s時(shí)，懸空狀態(tài)可以有效辨識(shí)；當(dāng)速度超過150 mm/s時(shí)，懸空狀態(tài)很難辨識(shí)。上述結(jié)論與前期研究結(jié)果[10]相呼應(yīng)。

表3 檢測(cè)到的懸空長度

4 結(jié)論

1) 通過試驗(yàn)研究，確定了懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)狀態(tài)下檢測(cè)懸空狀態(tài)的可行性。

2) 提出了針對(duì)懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)狀態(tài)下所采集到的振動(dòng)信號(hào)的信號(hào)劃分方法及用于懸空特征辨識(shí)的二維頻響函數(shù)灰度分布圖譜。

3) 明確了懸空檢測(cè)裝置移動(dòng)速度對(duì)懸空檢測(cè)效果的影響規(guī)律。為了得出較好的檢測(cè)效果、盡可能地提高檢測(cè)效率，需要綜合所需的最小懸空檢測(cè)長度、檢測(cè)精度及灰度圖譜辨識(shí)效果確定移動(dòng)速度及信號(hào)劃分方法。