專利名稱：一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對在役高溫壓力管道損傷檢測技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代工業(yè)中，高溫壓力管道廣泛應(yīng)用于化工、石油企業(yè)、電廠等，其安全可靠性是預(yù)防管道泄漏和爆炸事故發(fā)生的重要保障。由于高溫蠕變和管壁腐蝕減薄等因素，導(dǎo)致壓力管道結(jié)構(gòu)損傷。早期損傷是由微小損傷裂紋引起，在應(yīng)力集中部位的材料蠕變損傷積累發(fā)展到一定程度形成宏觀裂紋，在復(fù)雜環(huán)境下很可能快速發(fā)展為大損傷，往往導(dǎo)致重大安全事故發(fā)生，造成更大經(jīng)濟損失。因此建立一套在役高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，能夠提供高溫管道的動態(tài)、實時、在線的結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供預(yù)報信息，對于消除故障隱患以及避免災(zāi)難性事故的發(fā)生具有重要意義。隨著石油、化工等傳統(tǒng)工業(yè)日益向大規(guī)模、高效率發(fā)展，作為企業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的高溫壓力管道，目前應(yīng)用的損傷分析判別技術(shù)還不能做出準確的預(yù)警和安全評估。載荷應(yīng)力、熱應(yīng)力等引起的損傷是壓力管道主要損傷模式之一，實現(xiàn)對高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測的核心技術(shù)是高溫環(huán)境下應(yīng)變測量裝置。已有用于測量損傷變形的傳感裝置較多，比如一種電站鍋爐主蒸汽管道高溫蠕變監(jiān)測系統(tǒng)201020270797. 4，通過高分辨率相機拍攝監(jiān)測薄片的應(yīng)變，但是圖像信號受工作環(huán)境的影響較大，容易失真。比如在役長輸油氣管道應(yīng)力應(yīng)變無損監(jiān)測裝置201120181082. 6，但是這些裝置一般僅適合常溫工作環(huán)境下的應(yīng)變測量，不滿足高溫環(huán)境下設(shè)備在線監(jiān)測要求。目前高溫管道應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)手段還有引伸式傳感器裝置，但是這些裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度要求高，而且累積誤差大，影響測量結(jié)果O

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在役高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，實時動態(tài)監(jiān)測高溫管道的結(jié)構(gòu)損傷狀況。該裝置包括硬件和軟件兩部份，可用于復(fù)雜的高溫環(huán)境，能夠準確地識別與定位多損傷，靈敏度高、便于安裝。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，其特征在于通過下面的硬件、軟件控制設(shè)置來實現(xiàn)所述的監(jiān)測裝置硬件部份包括環(huán)形固定支架2、可調(diào)節(jié)聯(lián)接螺栓3、焊接式高溫應(yīng)變計4、應(yīng)變計引線5、引線座6、隔熱層7、引線固定卡座8。所述的環(huán)形固定支架2與被測高溫壓力管道I同軸安裝在管道表面，其下端聯(lián)接處通過聯(lián)接螺栓3將其固定在壓力管道表面，環(huán)形固定支架2主要起到固定應(yīng)變計引線。采用點焊方式10，將焊接式高溫應(yīng)變計4牢牢地安裝在被測高溫壓力管道的表面上。首先應(yīng)變計引線5通過引線座6將其固定在被測結(jié)構(gòu)表面，然后再通過卡座8將引線固定在環(huán)形固定支架2的隔熱層7上，以防高溫損壞，最后應(yīng)變計引線5與測試終端9相連接。上述監(jiān)測裝置硬件中，聯(lián)接螺栓3可以調(diào)節(jié)環(huán)形固定支架2內(nèi)徑大??；應(yīng)變計引線5通過引線固定卡座8將引線固定在環(huán)形固定支架2的隔熱層7上。所述的監(jiān)測裝置軟件部份主要集中在測試終端的上位機。軟件系統(tǒng)以損傷識別模
nm
塊為中心，首先建立一個ARMA (n，m)模型為Λ (0 = Σ^ (^k) + ΘΑ (卜·Ζ) + β, (O，其
k—\ 7=1
中％為ARMA模型AR部分的第k階系數(shù)，θ」為ARMA模型MA部分的第j階系數(shù)，η和m分別為AR部分和MA部分的階次，ai(t)是殘差項并屬于正態(tài)白噪聲序列。由損傷因子計算模塊執(zhí)
行事先編制好的ARMA(n,m)模型程序,采用AIC準則iAIC{n,m) = \nal{n,m) + ^n+^—,
取使AIC值最小的η和m為模型最優(yōu)階次，根據(jù)最小二乘方法計算出ARMA(n，m)模型的參數(shù)灼，02，…A及4，···4。然后采用有限元模擬、理論分析計算出監(jiān)測點無損傷時的結(jié)構(gòu)特征量均值μ xu。另外，依據(jù)模型最優(yōu)階次的計算結(jié)果為n = m = 3，通過ARMA (3，3)模型參數(shù)奶，爐2，爐3及θι，θ2, 03計算出工作狀態(tài)下的監(jiān)測點的動態(tài)結(jié)構(gòu)特征量均值μ Ad(t)。通過損傷因子公式DI (t) = I μ Ad(t)-y λυ|/μ λυ，可求出各時間段的損傷因子DI (t)，并用此損傷因子來判斷傳感路徑的損傷程度。上述監(jiān)測裝置軟件設(shè)計中，當實際損傷因子發(fā)生變動即對象模型誤差變化時，或者用戶希望獲得較高的精確度時，在線調(diào)節(jié)模型階數(shù)值，使得輸出值為無偏估計。另外，上位機中建立由在線動態(tài)采集數(shù)據(jù)組成的實時數(shù)據(jù)庫，根據(jù)設(shè)定的算式和時間間隔，可以自動地給出任意時段的在役高溫壓力管道各監(jiān)測點的損傷狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點在于(I)本發(fā)明可用于高溫環(huán)境下的各種在役金屬管道長期在線監(jiān)測，結(jié)構(gòu)簡單、多點測量、系統(tǒng)誤差小、數(shù)據(jù)準確、成本低。(2)本發(fā)明裝置質(zhì)量輕，在長期、穩(wěn)定地獲取管道應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時，不影響在役高溫管道的運行環(huán)境，基本不增加管道表面的載荷。(3)本發(fā)明軟件部份應(yīng)用ARMA模型實時在線計算損傷因子DI (t)，輸出損傷識別
結(jié)果，操作簡單。


圖1是本發(fā)明的高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置示意圖。其中1被測高溫壓力管道，2環(huán)形固定支架，3可調(diào)節(jié)聯(lián)接螺栓，4焊接式高溫應(yīng)變計，5應(yīng)變計引線，6引線座，7隔熱層，8引線固定卡座，9測試終端，10點焊方式。圖2為本發(fā)明監(jiān)測裝置縱向示意圖。圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測軟件部份工作流程圖。圖4為本發(fā)明實施例中的某發(fā)電廠高溫主蒸汽管道的損傷識別結(jié)果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的某實例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。將本發(fā)明提出的方法用于某火力發(fā)電廠在役高溫壓力管道的損傷識別，某廠一臺已運行10年以上帶基本負載的火電機組，過熱蒸汽壓力為26MPa、溫度為600°C。主蒸汽管道材料為12CrlMoV鋼，規(guī)格為Φ540Χ85πιπι。對主蒸汽管道的20個易損傷關(guān)鍵點進行實時監(jiān)測，其目的是動態(tài)監(jiān)測高溫管道的結(jié)構(gòu)安全狀況，在線進行損傷計算分析，實施生產(chǎn)過程化工設(shè)備在線狀態(tài)預(yù)警控制，減少非計劃性停車。參見圖1所示，首先將環(huán)形固定支架2安裝在被測高溫壓力管道I上，采用可調(diào)節(jié)聯(lián)接螺栓3緊固。采用點焊方式10，將焊接式高溫應(yīng)變計4牢牢地安裝在被測高溫壓力管道的表面上。然后應(yīng)變計引線5通過引線座6將其固定在被測結(jié)構(gòu)表面，然后再通過卡座8將引線固定在環(huán)形固定支架2的隔熱層7上，以防高溫損壞，最后應(yīng)變計引線5與測試終端9相連接。參見圖3所示，在本發(fā)明軟件部份損傷識別模塊中，ARMA模型和損傷識別算法采 用Matlab R2010a版語言開發(fā)。該損傷識別系統(tǒng)模塊存儲在上位機中，可實時自動地給出任意時間段各監(jiān)測點的損傷狀態(tài)。在本發(fā)明中，傳感信號采集單元21選取Agilent公司生產(chǎn)的全數(shù)字式120個單端通道34980A信號采集儀，該系統(tǒng)每通道高達2MHz信號采樣率，因此本發(fā)明的損傷識別系統(tǒng)具有較高的動態(tài)范圍、精度和更快的響應(yīng)速度。按照損傷識別工作流程圖3操作，在進入損傷識別之前，先依據(jù)實時采集的信號，對蒸汽管道各監(jiān)測點的軸向應(yīng)變測量數(shù)據(jù)進行分析，為損傷識別提供數(shù)據(jù)準備。不失一般性，例如取某火力發(fā)電廠在役高溫壓力管道6、15號監(jiān)測點應(yīng)變測量數(shù)據(jù)日平均值分析，6號監(jiān)測點2011年3月10日至4月29日的共50天的測量數(shù)據(jù)如下(單位mm) :0. 012、O. 013,0. 012,0. 013,0. 014,0. 014,0.013,0.014,0.015,0. 015,0. 016,0.015,0.015、O.016,0.017,0.017,0.016,0.018,0. 018,0. 019,0. 019,0. 018,0. 02,0. 02,0. 021,0. 021、O. 021,0. 022,0. 023,0. 023,0. 023,0. 023,0. 025,0.026,0.026,0.026,0.027,0.028、O. 029,0. 03,0. 029,0. 032,0. 033,0. 034,0. 035,0. 036,0. 039,0. 041,0. 043,0. 045。15 號監(jiān)測點2011年3月10日至4月29日的共50天的測量數(shù)據(jù)如下(單位mm) :0. 009,0. 009、O. 01,0. 01,0. 011,0. 011,0. 011,0. 012,0.012,0.013,0.013,0.014,0.014,0.015,0.015、O.015,0.016,0.016,0.017,0.017,0. 017,0. 018,0. 018,0. 019,0. 019,0. 020,0. 02,0. 021、O.021,0.022,0.022,0.023,0.023,0.024,0.025,0.025,0. 026,0. 026,0. 027,0. 028、O. 029,0. 03,0. 03,0. 031,0. 032,0. 033,0. 034,0. 036,0. 038,0. 04。根據(jù) 6、15 號監(jiān)測點的數(shù)據(jù)分析這兩處高溫壓力管道損傷狀況，對信號建立ARMA(n，m)模型，N= 50，其中η和m分別從I取到10，然后計算出各自所對應(yīng)的AIC值，取使AIC最小的η和m為模型的階次，計
33
算結(jié)果為 n = m = 3。則該 ARMA(3，3)模型為^, (O = ΣcPkxl (^~^) + ΣΘΛ It ~ J) + α· (O '
k=\J~\
其中t = 1，2，. . .，50。根據(jù)最小二乘方法計算出ARMA(3，3)模型的參數(shù)灼，灼，奶及Θ 17
Γ)Γ)
σ 2， 3ο第三步，采用有限元模擬、理論分析計算出高溫壓力管道20個監(jiān)測點無損傷時的結(jié)構(gòu)特征量均值μ λ。。另外，通過ARMA (3，3)模型參數(shù)奶，爐2，灼及θ2, θ3計算出工作狀態(tài)下的20個監(jiān)測點的動態(tài)結(jié)構(gòu)特征量均值μλ( α)。通過損傷因子公式DI (t)=
μ Ad(t)-y λυ|/μ λυ，可求出各時間段的損傷因子DI (t)。
第四步，計算所有傳感器路徑的損傷因子DI (t)，并用此值來判斷傳感器路徑被損傷影響的程度，損傷監(jiān)測界面上動態(tài)顯示各監(jiān)測點的損傷狀況。本實施例以這些因素的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，構(gòu)造一個ARMA(3，3)模型來分析主蒸汽管道6、15號監(jiān)測點的損傷因子，某一時間段內(nèi)的各監(jiān)測點的損傷數(shù)據(jù)結(jié)果見表I。本發(fā)明實施例中的某發(fā)電廠高溫壓力管道2011年3月10日至4月29日各監(jiān)測點的損傷識別結(jié)果如圖4所示。從附圖4可以看出，監(jiān)測點12號損傷因子值較大，該點最易發(fā)生損傷突變。表I某一時間段內(nèi)高溫壓力管道的各監(jiān)測點的損傷結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的監(jiān)測裝置硬件部份包括環(huán)形固定支架(2)、聯(lián)接螺栓(3)、焊接式高溫應(yīng)變計(4)、應(yīng)變計引線(5)、引線座(6)、隔熱層(7)、引線固定卡座(8);所述的環(huán)形固定支架(2)與被測高溫壓力管道(I)同軸安裝在管道表面，環(huán)形固定支架(2)下端聯(lián)接處通過聯(lián)接螺栓(3)將其固定在壓力管道表面；采用點焊方式(10)，將焊接式高溫應(yīng)變計(4)牢牢地安裝在被測高溫壓力管道的表面上。利用引線座(6)將應(yīng)變計引線(5)固定在被測結(jié)構(gòu)表面，然后通過卡座(8)將引線固定在環(huán)形固定支架(2)的隔熱層(7)上，以防高溫損壞，最后應(yīng)變計引線(5)與測試終端(9)相連接。 所述的監(jiān)測裝置軟件部份主要集中在測試終端的上位機，軟件系統(tǒng)以損傷識別模塊為中心，首先建立一個ARMA (n，m)模型，n和m分別為AR部分和MA部分的階次。由損傷因子計算模塊執(zhí)行事先編制好的ARMA (n，m)模型程序，采用AIC準則AIC(n,m) = Ino^ (n,m) +，取使AIC值最小的n和m為模型最優(yōu)階次,根據(jù)最小二乘方法計算出ARMA(n，m)模型的參數(shù)的，朽，…仏及S1, 0 2，…0 m。然后采用有限元模擬、理論分析計算出監(jiān)測點無損傷時的結(jié)構(gòu)特征量均值U Au。另外，依據(jù)模型最優(yōu)階次的計算結(jié)果為11 = 1]1 = 3,通過六—(3,3)模型參數(shù)91，02，爐3及Q 1, 0 2, 0 3計算出工作狀態(tài)下的監(jiān)測點的動態(tài)結(jié)構(gòu)特征量均值U Ad(t)。通過損傷因子公式DI(t) = I u Ad(t)-u AJ/u Au，可求出各時間段的損傷因子DI (t)，并用此損傷因子來判斷傳感路徑的損傷程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，其特征在于，其中硬件部份聯(lián)接螺栓(3)可以調(diào)節(jié)環(huán)形固定支架(2)內(nèi)徑大??；應(yīng)變計引線(5)通過卡座(8)將引線固定在環(huán)形固定支架(2)的隔熱層(7)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，其特征在于，其中軟件部份當實際損傷因子發(fā)生變動即對象模型誤差變化時，或者用戶希望獲得較高的精確度時，在線調(diào)節(jié)模型階數(shù)值，使得輸出值為無偏估計。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置，其特征在于，其中硬件部份高溫應(yīng)變測量裝置與所述傳感器集成在一起，以便高溫應(yīng)變計在所述監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面上安裝后，所述傳感器裝置感測監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f的損傷響應(yīng)信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高溫壓力管道結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測裝置。本發(fā)明通過軟硬件控制設(shè)置來實現(xiàn)的，硬件設(shè)置包括焊接式高溫應(yīng)變計、引線、引線座、環(huán)形固定支架、聯(lián)接螺栓、引線固定卡座、隔熱層等；軟件設(shè)置主要集中在測試終端的上位機。軟件系統(tǒng)以損傷識別模塊為中心，實時采集損傷表征物理量，通過損傷模型實時計算出損傷因子DI(t)，并用此損傷因子來判斷傳感路徑的損傷程度。本發(fā)明能夠在復(fù)雜環(huán)境下對各種金屬壓力管道損傷進行在線監(jiān)測，可以準確地識別與定位多損傷，且具有靈敏度高，便于安裝等特點。
文檔編號F17D5/00GK102997041SQ20121045742
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者胡明慧, 叢二丁, 涂善東, 軒福貞, 趙鵬, 王瓊琦, 王寧 申請人:華東理工大學