壓力鋼管的應(yīng)力與腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 相，馬國(guó)強(qiáng)，王大東

（國(guó)能四川東谷河流域水電開發(fā)有限公司，四川 丹巴）

針對(duì)水電管道中存在的重大安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，研發(fā)一套可靠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)。

本文講述了一種分布式應(yīng)力及腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1-2]，實(shí)現(xiàn)一體式設(shè)計(jì)，適用于金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)和材料的腐蝕環(huán)境連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)由主機(jī)、腐蝕信號(hào)傳感器、應(yīng)變信號(hào)傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)軟件構(gòu)成，主機(jī)作為硬件支撐系統(tǒng)完成應(yīng)變與腐蝕信號(hào)的收集、存儲(chǔ)和處理，系統(tǒng)核心為應(yīng)變與腐蝕信號(hào)傳感器及信號(hào)處理系統(tǒng)。

采用多點(diǎn)多信號(hào)傳感器主機(jī)由應(yīng)變及腐蝕監(jiān)測(cè)工作站和分析界面構(gòu)成，負(fù)責(zé)收集腐蝕信號(hào)傳感器傳回的應(yīng)變、腐蝕原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和處理。如圖1 所示。

圖1 壓力鋼管腐蝕與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 鋼管腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

鋼管腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于ISO-9223 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[3]，監(jiān)測(cè)儀見圖2，其電阻柵格采用薄膜式，利用電阻探針技術(shù)。傳感器的金屬減薄能夠達(dá)到1 nm 的分辨率，環(huán)境溫度漂移自動(dòng)補(bǔ)償，其補(bǔ)償原理為應(yīng)用差分方式，這樣就能在大的溫度范圍內(nèi)保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。性能見表1。腐蝕監(jiān)測(cè)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)計(jì)算以及實(shí)時(shí)報(bào)警，連續(xù)采集進(jìn)行腐蝕情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。腐蝕監(jiān)測(cè)流程見圖3。

表1 腐蝕傳感器技術(shù)指標(biāo)

圖2 一體式腐蝕信號(hào)傳感器

圖3 腐蝕監(jiān)測(cè)流程

3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)及其數(shù)字孿生

圖4 為應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)及其數(shù)字孿生系統(tǒng)。應(yīng)變數(shù)字孿生可視化軟件，采用數(shù)字孿生理念，實(shí)現(xiàn)管道腐蝕速率與應(yīng)力場(chǎng)可視化[4]。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型引擎，實(shí)時(shí)展示管道腐蝕狀態(tài)并在三維模型上實(shí)時(shí)展示管道應(yīng)力的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)。

圖4 壓力鋼管應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)及其數(shù)字孿生系統(tǒng)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩點(diǎn)的雙傳感器組成，分別為光纖應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變傳感器，相互校準(zhǔn)并通過軟件中的計(jì)算模塊進(jìn)行應(yīng)力值監(jiān)測(cè)，同時(shí)提供基于第四強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力計(jì)算，與數(shù)值模型通信對(duì)整個(gè)鋼管數(shù)字孿生。

建立鋼管的數(shù)字模型并利用有限元算法為其建立3D 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)模型，通過應(yīng)變傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和人工智能算法進(jìn)行模型數(shù)字校準(zhǔn)[5]。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫用于歷程中參數(shù)記錄回看等功能并推動(dòng)模型精確化。

4 系統(tǒng)模塊功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)模塊功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集方式和界面形式的設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等。用于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)應(yīng)變及腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理及保存以及數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)功能模塊化設(shè)計(jì)，其思想就是將整個(gè)功能細(xì)分在各個(gè)模塊中，各個(gè)模塊既能夠相互通信共享數(shù)據(jù)又減少?zèng)_突，提高整體效率和用戶的體驗(yàn)性，圖5 所示為軟件結(jié)構(gòu)的整體框圖。

圖5 系統(tǒng)軟件整體框圖

4.1 系統(tǒng)管理模塊

用戶通過軟件進(jìn)行使用者管理，設(shè)置不同層次的權(quán)限。對(duì)數(shù)據(jù)庫備份、軟件升級(jí)等服務(wù)管理功能進(jìn)行設(shè)定，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和系統(tǒng)安全。所提供的系統(tǒng)設(shè)置功能充分考慮到使用的方便性和數(shù)據(jù)的保密性，由用戶管理員定義各個(gè)用戶的操作權(quán)限，包含個(gè)人資料、賬號(hào)管理、角色權(quán)限自定義和附件管理等。

4.2 信息錄入模塊

包括人工進(jìn)行水情、溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)錄入、可定義文件格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、相關(guān)系統(tǒng)（包括監(jiān)測(cè)、水情）的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)入等功能，保障系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)及時(shí)方便地錄入系統(tǒng)并提供數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

4.3 數(shù)據(jù)采集模塊

模塊如圖6 所示，包括各類現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集和采集服務(wù)功能，通過提供服務(wù)的方式完成定時(shí)或即時(shí)、全部或指定測(cè)點(diǎn)的巡檢采集。對(duì)所涉及的計(jì)算提供不同用戶的公式編輯權(quán)限，定時(shí)重新計(jì)算腐蝕量、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量值的計(jì)算校核等功能，完成各類監(jiān)測(cè)值轉(zhuǎn)換成為結(jié)果量。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊

4.4 數(shù)據(jù)審核模塊

數(shù)據(jù)審核模塊如圖7 所示。對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常控制、對(duì)采信的數(shù)據(jù)校核其準(zhǔn)確性、對(duì)數(shù)據(jù)異常的確認(rèn)和處理以確保數(shù)據(jù)和圖表按流程完成責(zé)任清晰的審核，提供用戶查詢和正式使用。

圖7 數(shù)據(jù)審核模塊

4.5 信息查詢與統(tǒng)計(jì)

如圖8 所示，查詢功能為方便用戶提供多種形式的信息顯示，包括圖表等。對(duì)不同的用戶、不同的方式、不同的需求，為最大限度地滿足用戶的需要，盡量直觀地顯示在屏幕上并能夠有歷史數(shù)據(jù)對(duì)比等功能。

圖8 信息查詢與統(tǒng)計(jì)模塊

4.6 信息傳輸模塊

保證不同類型數(shù)據(jù)的傳輸和接收服務(wù)，完成取數(shù)、加密、傳送、接收、解密、入庫等傳輸?shù)娜^程，以保證數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確、完整、安全地傳遞。詳情如圖9所示。

圖9 信息傳輸模塊

4.7 資料整編與離線分析模塊

利用資料整編規(guī)范中規(guī)定的格式以及用戶自定義格式。可以形成多種形式的數(shù)據(jù)報(bào)表、過程線、分布圖、相關(guān)圖、各類統(tǒng)計(jì)圖和人工智能分析圖表。能夠進(jìn)行多重?cái)?shù)據(jù)組合的文件輸出等功能。以環(huán)境量為因子的各類統(tǒng)計(jì)模型的計(jì)算和分析功能，將所得到的統(tǒng)計(jì)模型用于監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的功能。詳情如圖10 所示。

圖10 離線分析模塊

4.8 在線監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)對(duì)接上送主管監(jiān)測(cè)單位，并完成監(jiān)測(cè)中心對(duì)接相關(guān)手續(xù)和對(duì)接服務(wù)。詳情如圖11 所示。

圖11 在線監(jiān)控模塊

4.9 監(jiān)測(cè)數(shù)字可視化模塊

管道監(jiān)測(cè)數(shù)字孿生可視化軟件，采用數(shù)字孿生理念，利用先進(jìn)的可視化引擎，實(shí)現(xiàn)管道健康監(jiān)測(cè)的可視化全景管理。結(jié)合管道三維模型、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型引擎，實(shí)時(shí)展示管道的健康狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1） 本文提出的可靠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水電管道中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變及腐蝕進(jìn)行評(píng)估。

（2） 系統(tǒng)采用無線自動(dòng)組網(wǎng)、定期連續(xù)采樣，實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用終端系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算處理，實(shí)時(shí)了解管道的健康狀態(tài)，幫助采購人管理人員快速了解管道的應(yīng)變及腐蝕，及時(shí)對(duì)管道安全性作出準(zhǔn)確評(píng)估，進(jìn)行預(yù)測(cè)性運(yùn)維。

（3） 采用數(shù)字孿生理念，實(shí)現(xiàn)管道腐蝕速率與應(yīng)力場(chǎng)可視化。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型引擎，實(shí)時(shí)獲取管道實(shí)時(shí)健康狀態(tài)并在三維模型上展示。

（4） 本文研究對(duì)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)包括材料腐蝕及荷載作用下的結(jié)構(gòu)承力安全有重要意義。本文提出的系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)應(yīng)變等反映結(jié)構(gòu)變化的參數(shù)和金屬的腐蝕。避免結(jié)構(gòu)安全隱患，提高設(shè)備運(yùn)營(yíng)壽命，并提醒采購人進(jìn)行治理，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。