压力钢管的应力与腐蚀监测系统设计与实现

马 相，马国强，王大东

（国能四川东谷河流域水电开发有限公司，四川 丹巴）

针对水电管道中存在的重大安全风险点，研发一套可靠监测系统，进行实时自动化安全监测。

本文讲述了一种分布式应力及腐蚀监测系统[1-2]，实现一体式设计，适用于金属结构的应力应变场监测和材料的腐蚀环境连续监测。

1 监测系统设计

监测与分析系统由主机、腐蚀信号传感器、应变信号传感器和信号处理系统软件构成，主机作为硬件支撑系统完成应变与腐蚀信号的收集、存储和处理，系统核心为应变与腐蚀信号传感器及信号处理系统。

采用多点多信号传感器主机由应变及腐蚀监测工作站和分析界面构成，负责收集腐蚀信号传感器传回的应变、腐蚀原位监测数据及实现存储和处理。如图1 所示。

图1 压力钢管腐蚀与应力应变监测系统

2 钢管腐蚀监测系统

钢管腐蚀监测系统基于ISO-9223 标准设计[3]，监测仪见图2，其电阻栅格采用薄膜式，利用电阻探针技术。传感器的金属减薄能够达到1 nm 的分辨率，环境温度漂移自动补偿，其补偿原理为应用差分方式，这样就能在大的温度范围内保证测量结果的可靠性。性能见表1。腐蚀监测采用实时监测、实时存储、实时计算以及实时报警，连续采集进行腐蚀情况的实时监测。腐蚀监测流程见图3。

表1 腐蚀传感器技术指标

图2 一体式腐蚀信号传感器

图3 腐蚀监测流程

3 应力应变监测及其数字孪生

图4 为应力应变监测及其数字孪生系统。应变数字孪生可视化软件，采用数字孪生理念，实现管道腐蚀速率与应力场可视化[4]。实时监测数据信息，通过数据驱动模型引擎，实时展示管道腐蚀状态并在三维模型上实时展示管道应力的实时健康状态。

图4 压力钢管应力应变监测及其数字孪生系统

应力监测系统由两点的双传感器组成，分别为光纤应变传感器和电阻应变传感器，相互校准并通过软件中的计算模块进行应力值监测，同时提供基于第四强度理论的等效应力计算，与数值模型通信对整个钢管数字孪生。

建立钢管的数字模型并利用有限元算法为其建立3D 应力应变场模型，通过应变传感器实测数据和人工智能算法进行模型数字校准[5]。实测数据建立数据库用于历程中参数记录回看等功能并推动模型精确化。

4 系统模块功能实现

系统模块功能设计实现包括数据采集方式和界面形式的设置、数据采集、数据处理和存储等。用于实现多点应变及腐蚀监测设备实时监测、数据传输、数据处理及保存以及数据分析。

系统功能模块化设计，其思想就是将整个功能细分在各个模块中，各个模块既能够相互通信共享数据又减少冲突，提高整体效率和用户的体验性，图5 所示为软件结构的整体框图。

图5 系统软件整体框图

4.1 系统管理模块

用户通过软件进行使用者管理，设置不同层次的权限。对数据库备份、软件升级等服务管理功能进行设定，以保证系统正常运行和系统安全。所提供的系统设置功能充分考虑到使用的方便性和数据的保密性，由用户管理员定义各个用户的操作权限，包含个人资料、账号管理、角色权限自定义和附件管理等。

4.2 信息录入模块

包括人工进行水情、温度等环境数据录入、可定义文件格式的数据导入、相关系统（包括监测、水情）的数据自动转入等功能，保障系统各类数据及时方便地录入系统并提供数据融合技术。

4.3 数据采集模块

模块如图6 所示，包括各类现有监测系统的采集和采集服务功能，通过提供服务的方式完成定时或即时、全部或指定测点的巡检采集。对所涉及的计算提供不同用户的公式编辑权限，定时重新计算腐蚀量、应变应力测量值的计算校核等功能，完成各类监测值转换成为结果量。

图6 数据采集模块

4.4 数据审核模块

数据审核模块如图7 所示。对各类监测数据进行异常控制、对采信的数据校核其准确性、对数据异常的确认和处理以确保数据和图表按流程完成责任清晰的审核，提供用户查询和正式使用。

图7 数据审核模块

4.5 信息查询与统计

如图8 所示，查询功能为方便用户提供多种形式的信息显示，包括图表等。对不同的用户、不同的方式、不同的需求，为最大限度地满足用户的需要，尽量直观地显示在屏幕上并能够有历史数据对比等功能。

图8 信息查询与统计模块

4.6 信息传输模块

保证不同类型数据的传输和接收服务，完成取数、加密、传送、接收、解密、入库等传输的全过程，以保证数据及时、准确、完整、安全地传递。详情如图9所示。

图9 信息传输模块

4.7 资料整编与离线分析模块

利用资料整编规范中规定的格式以及用户自定义格式。可以形成多种形式的数据报表、过程线、分布图、相关图、各类统计图和人工智能分析图表。能够进行多重数据组合的文件输出等功能。以环境量为因子的各类统计模型的计算和分析功能，将所得到的统计模型用于监控监测数据的功能。详情如图10 所示。

图10 离线分析模块

4.8 在线监控模块

数据对接上送主管监测单位，并完成监测中心对接相关手续和对接服务。详情如图11 所示。

图11 在线监控模块

4.9 监测数字可视化模块

管道监测数字孪生可视化软件，采用数字孪生理念，利用先进的可视化引擎，实现管道健康监测的可视化全景管理。结合管道三维模型、实时监测数据信息，通过数据驱动模型引擎，实时展示管道的健康状态。

5 结论

（1） 本文提出的可靠监测系统，实时监测水电管道中存在的安全风险点，对其应力应变及腐蚀进行评估。

（2） 系统采用无线自动组网、定期连续采样，实时上传监测数据，利用终端系统软件进行数据分析、计算处理，实时了解管道的健康状态，帮助采购人管理人员快速了解管道的应变及腐蚀，及时对管道安全性作出准确评估，进行预测性运维。

（3） 采用数字孪生理念，实现管道腐蚀速率与应力场可视化。实时监测数据信息，通过数据驱动模型引擎，实时获取管道实时健康状态并在三维模型上展示。

（4） 本文研究对于结构健康监测包括材料腐蚀及荷载作用下的结构承力安全有重要意义。本文提出的系统可以监测应变等反映结构变化的参数和金属的腐蚀。避免结构安全隐患，提高设备运营寿命，并提醒采购人进行治理，提前规避风险。