管道结构腐蚀损伤声发射监测技术研究

摘要

管道结构作为一种广泛应用的工程结构，其承担着重要的生产使命，需要长时间服役。管道结构失效破坏，产生严重的负面影响甚至导致灾难发生，保证管道结构的安全意义重大，对管道结构进行健康监测是保证管道工程正常使用的最有效手段。管道结构失效的最主要原因之一是管道腐蚀破坏，其不仅导致管道结构承载能力的降低，甚至还直接导致管道结构的腐蚀穿孔泄漏，是各类管道工程事故防范的重点。本文通过声发射检测技术对管道结构腐蚀损伤进行监测研究，主要的内容包括:
　　(1)开展了钢制管道腐蚀破坏声发射监测实验研究。介绍了管道腐蚀机理，设计了钢制管道加速电化学腐蚀实验，整个实验过程进行了声发射动态监测，获取了管道腐蚀损伤全过程声发射监测信号。通过声发射信号特征参数分析，得出了管道腐蚀声发射信号的特性，并将管道腐蚀过程划分成腐蚀孕育期、腐蚀加速期、腐蚀稳定期、腐蚀基本停滞期四个阶段。通过波形分析，区分出了不同峰频所对应信号的波形特征和频谱。
　　(2)为了确定管道腐蚀损伤不同的声发射源，对管道腐蚀声发射信号进行了聚类分析。首先进行了管道腐蚀声发射信号数据主成分分析，降低了信息冗余量。然后采用K均值算法和模糊C均值算法对管道腐蚀声发射信号进行了聚类分析并进行了比较分析。通过二者的有效性分析确定了最佳聚类类别数。二者对管道腐蚀声发射信号分类识别的结果完全一致，有效识别了管道腐蚀过程中的损伤源和噪声源。根据各类信号的相关特征参数累积曲线，揭示了各类信号的发生发展过程，得到了管道腐蚀损伤源对应的声发射信号类别。
　　(3)利用声发射技术对管道腐蚀穿孔泄漏进行了定位研究。首先研究了管道声发射信号衰减特性，证实声发射信号在钢制管道上传播特性良好。通过模拟天然气管道泄漏过程，设计了高压管道气体泄漏检测和定位实验。分析了不同管道压强下泄漏声发射信号的特征;利用小波分析技术对泄漏信号进行降噪处理，通过互相关函数法对去噪后的泄漏信号进行了时延估计，采用时差定位法对泄漏源进行了定位计算，取得了良好的定位精度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 管道结构健康监测概述

1．3 本论文主要研究工作

1．3．1 管道腐蚀监测

1．3．2 管道泄漏检测

1．4 国内外研究现状

1．5 本章小结

2 声发射检测技术

2．1 声发射技术概述

2．1．1 声发射技术的发展历程

2．1．2 声发射检测技术的基本原理与特点

2．1．3 声发射技术的应用领域

2．2 声发射基本理论

2．2．1 声发射的产生机理及物理效应

2．2．2 声发射波的传播模式

2．2．3 声发射信号的时频特性

2．2．4 声发射信号基本波形分类

2．2．5 声发射信号简化波形特征参数

2．3 声发射信号分析方法

2．3．1 声发射信号简化波形特征参数分析方法

2．3．2 声发射信号波形分析方法

2．4 声发射检测干扰噪声

2．5 小结

3 管道腐蚀声发射监测实验研究

3．1 引言

3．2 钢制管道腐蚀机理及特点

3．3 实验设备

3．3．1 直流稳定电源

3．3．2 声发射仪

3．3．3 声发射传感器和前置放大器

3．4 腐蚀管段声发射信号衰减测试及分析

3．4．1 测试方案

3．4．2 测试结果分析

3．5 管道腐蚀声发射监测实验方案

3．6 管道腐蚀声发射监测实验结果及数据分析

3．6．1 管道腐蚀实验过程及结果

3．6．2 管道腐蚀声发射信号特征参数分析

3．6．3 管道腐蚀声发射信号波形分析

3．6．4 管道腐蚀声发射信号源

3．7 本章小结

4 管道腐蚀声发射信号的聚类分析

4．1 引言

4．2 管道腐蚀声发射信号的主成分分析

4．3 基于K均值聚类法的管道腐蚀声发射信号聚类分析

4．3．1 K均值聚类法基本原理

4．3．2 DB准则及最优聚类数确定

4．3．3 采用K均值聚类法对管道腐蚀声发射信号进行识别

4．4 基于模糊C均值聚类法的管道腐蚀声发射信号聚类分析

4．4．1 模糊C均值聚类法基本原理

4．4．2 模糊C均值聚类法有效性准则及最佳分类数确定

4．4．3 采用模糊C均值聚类法对管道腐蚀声发射信号进行识别

4．5 基于两种聚类算法的管道腐蚀声发射信号聚类分析结果比较

4．6 本章小结

5 管道腐蚀穿孔泄漏声发射检测及定位实验研究

5．1 引言

5．2 被检测管道声发射信号衰减测试及分析

5．2．1 测试方案

5．2．2 测试结果分析

5．3 检测实验方案

5．3．1 检测原理

5．3．2 实验装置及参数设置

5．3．3 检测内容及过程

5．4 不同管道压强下泄漏声发射信号特性研究

5．5 管道泄漏源声发射定位研究

5．5．1 管道泄漏声发射信号的小波降噪

5．5．2 管道泄漏声发射信号的时延估计

5．5．3 管道泄漏源声发射定位及结果分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

致谢