基于附加虚拟质量和声发射的管道损伤识别

摘要

管道输送已经成为当代社会的第五大运输工具，在运输流体介质（如石油、天然气、水等）方面有着巨大的优势。我国的管道工程遍及大片陆地与海域，成为拉动区域经济联系的重要生命线。但是，现有的管道工程因服役时间过长而腐蚀老化、外界荷载冲击等作用下常常发生损坏，导致重大事故的发生。此外，管道属于线性工程，常规的点式检测方法存在操作条件要求高、检测效率低等缺点。因此，对复杂各异的管道工程发展快速有效的损伤检测方法显得愈加重要。 本文针对两种不同的管线形式，提出了不同的损伤识别方法。对外露管线，采用基于附加虚拟质量的移动式检测法，对埋地充液管线，采用内置声发射传感器测试技术进行损伤识别，其主要研究内容总结如下： （1）针对外露管线，本文基于虚拟变形法（VDM），推导出管道附加任意虚拟质量后的频率响应公式，并用单自由度模型验证了该公式的正确性。通过结合理论模型的灵敏度矩阵，用目标函数优化的方式推导出损伤迭代公式。 （2）将基于附加虚拟质量的损伤识别方法首次应用在外露管道结构上，以一根2米长的管道为例，通过划分子结构、在同一位置施加激励得到加速度响应、代入公式计算出附加最优质量下的频率响应、结合理论模态与灵敏度矩阵迭代出子结构的损伤程度。本文首先用该方法进行了管道的数值模拟，然后通过具体的试验进行了验证，证实了该方法对外露管道损伤识别的有效性。 （3）针对埋地管线，传感器布设不方便，本课题首次尝试将声发射传感器安置于管道内部进行泄漏信号的采集，验证该方法的有效性，为后续内置自容式声发射传感器监测充液管道的损伤提供基础。首先搭建了充液管道泄漏的实验室模型，设置了管道运行的四种工况。利用支持向量机的方法（SVM）对管道泄漏工况进行准确的分类识别，将SVM法与声发射技术结合进行管道泄漏的检测，对实现管道运行状态的实时在线监控提供了参考价值，应用前景广阔。 （4）进一步深入研究了利用声发射技术进行管道泄漏源定位的课题。首先通过断铅实验测得声发射波在充水管道表面的传播速度。针对原始泄漏声发射信号含有过多噪声的问题，分别用小波分解和经验模态分解（EMD）的方法对信号进行了去噪处理，然后重构含泄漏源信息较多、能量占比较大的信号。最后通过互相关函数计算出延迟时间，利用时延估计法对管道泄漏源进行了准确定位。

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