移动振动激励下的管道悬空内检测试验研究

2018-10-08仕民莉莉

石油矿场机械 2018年5期

，，仕民，莉莉，

(1. 中国石油大学(北京) a. 机械与储运工程学院； b. 油气管道智能装备实验室，北京 102249；2.成都工业职业技术学院，成都 610000)

管道对于石油、化工等领域的资源输送起着越来越重要的作用。由于地形地貌、穿越区域(城区、河流、公路等)及保护管道安全的需要，管道通常埋设于地面或海床以下一定深度。随着服役年限的逐渐增长，这些埋地管道常常出现悬空现象[1-4]。管道悬空现象的发生会对埋地管道的安全有较大威胁，可能导致管道泄漏、折断等重大安全事故。因此，管道的悬空检测问题也越来越受到的重视。

传统的悬空检测技术均是在管道外部观测或检测管道悬空状况，受到地形地貌复杂、检测效率低、检测周期长、检测结果不精确等问题困扰，已不能满足埋地管道悬空检测需求[5-8]。

鉴于此，开展了一种管内主动激励下的管道悬空内检测技术研究。通过设计管道悬空内检测装置，在管内施加主动激励载荷，通过对激励和响应信号的分析，辨识出管道的悬空情况。由于该方法是在管内作业，因此规避了管外复杂的环境工况，减小了环境对检测结果的干扰；由于是基于可控的管内主动激励，因此可以保证激励及响应信号的稳定性，从而准确辨识管道悬空情况；由于管道悬空内检测装置在管内一次运行即可检测管道的悬空情况，因此作业效率相对较高。综上所述，该方法对于检测石油、化工、城市燃气、蒸汽等工业及民用领域内的埋地管道有广阔的应用前景。

通过初步试验与数值模拟分析，研究了管道内部定点静态载荷作用下的管道悬空检测问题，获得了一定进展[9-11]。本文基于前期研究成果，运用试验方法进一步探究移动载荷主动激励作用下的悬空检测问题。

1 检测原理与试验

在管道中，悬空检测装置由清管器或其它管内作业设备拖动前进，并在移动过程中发出振动激励，与检测器相接触的管道局部区域受到激励作用而振动。检测器中的信号采集系统捕获激励及响应信号，通过对比分析不同区域捕获到的信号得出管道的悬空状况。

悬空检测装置管内移动速度越快，检测效率就越高。为了探究管道内部移动载荷主动激励作用下管道悬空内检测方法的可行性及移动速度对检测效果的影响规律，设计了如图1所示的悬空检测试验装置。由于管道由钢板卷曲而成，管道内外表面曲率无限增大即为钢板，因此首先采用钢板代替管道进行悬空检测试验，将钢板上方的空间视为管道内部，其上表面视为管道内表面。试验装置主要由1块Q235的1000 mm×200 mm×5 mm钢板(钢板厚度参考8 in管道)、两端支撑(黏性黄土)及悬空检测装置组成。两端黄土支撑部分各长200 mm，中间悬空部分长度为600 mm，分别用来代替管道的支撑段和悬空段。为了使支撑段尽可能接近管道埋地工况，对钢板做了压实处理，保证钢板和黄土的紧密接触。

信号发生、激励与采集装置如图2所示，主要包括：一个信号发生器(UTG 9003 A)、一个功率放大器(GR-100)、悬空检测装置、一套NI采集系统(NI cRIO-9076实时控制器+NI 9234采集模块)和一台PC。

图1 悬空检测试验装置

图2 悬空检测振动信号发生、激励与采集装置

表1为试验中所采用的加速度传感器的性能参数。

表1 加速度传感器性能参数

由图2中的信号发生器发出并由功率放大器放大后的激励信号(试验中为正弦扫频信号)输入悬空检测装置中，使其内部的激振器起振，该振动将激励起与三支撑腿相接触的被检测钢板局部区域振动。加速度传感器1和2分别采集激励信号及被检测钢板的响应信号，并存入NI采集系统，最终通过PC进行结果分析。悬空检测装置以一近似恒定速度由手摇绞盘拖动前进，并在前进过程中不间断进行上述信号发生、被测结构振动与响应信号采集过程，因此悬空检测装置在位移过程中的每一微元时间段内可以检测其所在位置钢板局部区域的悬空情况。

因为悬空检测装置移动状态下持续采集的激励及响应信号是一个整体，为了有效分析被测结构不同区间段的悬空情况，需要对信号整体做划分处理。分别采用SD 1(Signal division method 1)和SD 2(Signal division method 2)2种不同的信号划分方法对激励及响应信号进行划分。SD 1信号划分方法以N*FC(FC为激励信号扫频周期，N为周期个数)为时间标尺，在不重复利用信号的情况下将信号整体等长度划分成n段，每一分段信号包含了对应时间段内悬空检测装置移动经过的被测结构局部区域的平均悬空情况。SD 2信号划分方法同样以N*FC为时间标尺，但相邻的分段信号相互有重叠区域。时间标尺的选择将随着悬空装置的移动速度、所需的最小悬空检测长度及检测精度的变化而变化。SD 1主要用于划分悬空检测装置移动速度较低状态下所采集到的信号，SD 2则主要用于划分移动速度相对较高状态下所采集到的信号。因为在激励信号扫频速率一定情况下，过快的移动速度会使悬空检测装置相同时间内所移动经过的距离更长，从而降低了检测精度。并有可能导致被测结构的响应时间不够充分，从而无法获取真实的悬空状态信息。因此，在悬空检测装置相对较高移动速度时，在能够保证被测结构局部区域响应充分的情况下，采用SD 2信号划分方法能够一定程度提高检测精度，从而更清晰准确地辨识悬空情况。

为探究移动速度对悬空检测效果的影响规律，共进行了4组不同工况的试验，每组试验重复了5次，具体试验参数如表2所示。

表2 试验参数

2 信号处理与分析方法

采集到的信号由Matlab程序进行处理分析，信号处理流程如图3所示。将分段后的信号依次编号为相对检测位置1, 2, 3,…j。频率响应函数采用式(1)计算：

(1)

式中：j表示某一相对检测位置；Fres(j)表示相对检测位置j处快速傅里叶变换后的响应信号；Fexc(j)表示该处快速傅里叶变化后的激励信号；FRj则代表该位置的频响函数。

将同一组试验中，各个相对检测位置的频响函数曲线的幅值以灰度深浅表示、纵坐标表示频率、横坐标表示相对检测点位置，就可以获得频响函数随相对检测位置变化的二维灰度分布图，从而可以根据灰度图的变化趋势辨识出悬空情况。

3 试验结果分析

经过初步分析，各组重复试验结果差异较小，统一选取各组第2次重复试验数据进行分析。4组试验的频响函数二维灰度分布图如图4所示,其中横坐标表示相对检测位置，其意义在第2章节中已有说明，单位为1。

图3 信号处理流程

图4 频响函数二维灰度分布

从图4中可以看到，在①区域(虚线大框区域)中存在一些共同现象：两端的相对检测位置在同一频率(约50 Hz)均有灰度区域；中间的相对检测位置在同一频率(约15 Hz)均有灰度区域；标记为a范围(虚线小框区域)内存在着随着悬空检测装置移动速度变大而逐渐深度加强、灰度范围变大的灰度区。图4d中无法观察到任何有规律的现象。出现上述现象的原因是，支撑段相对于悬空段的弯曲刚度更大，因此有更高的一阶固有频率。根据图中50 Hz及15 Hz灰度的变化情况可以有效辨识出一阶固有频率，从而确定悬空的出现及其长度，计算出的悬空长度如表3所示。由于悬空检测装置是在移动状态下采集激励及响应信号，有可能存在振动响应不充分的问题，且信号划分方法决定了灰度分布图表示的是被测结构局部区域的平均悬空情况，因此速度越高，a范围内存在的、干扰悬空辨识的灰度就越明显。悬空检测装置移动速度超过一定值后，被测结构的稳态响应信号完全无法采集，所以出现了如图4d所示的情况。根据试验研究结果可以得出，悬空检测装置移动状态下检测悬空状态具有可行性，但移动速度对悬空检测结果有较大影响，在本文所提出的试验参数下，当速度不超过112.5 mm/s时，悬空状态可以有效辨识；当速度超过150 mm/s时，悬空状态很难辨识。上述结论与前期研究结果[10]相呼应。