（工程热物理专业论文）基于小波技术的多跨管道损伤检测研究.pdf

基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 捅要 管道运输是油气运输的主要方式，近年来随着海洋油气资源的开发和利用， 海洋管线工程建设日益增多。管道在其运行过程中，由于自然、人为等多方面原 因，管道损伤和泄漏事故时有发生造成重大经济损失和严重环境污染。为了减少 和避免油气泄漏带来的经济损失和环境污染，对管道进行损伤检测、在线监测技 术研究具有十分重要的意义，因此这一课题已经成为保障海洋油气工业安全生产 而迫切需要解决的问题，并且引起了世界各国的重视。 本文对多种常用的管道损伤检测方法及其工作原理、优缺点和适用范围进行 了分析。在各种动力损伤检测方法中，基于频率改变的方法属于发展最成熟的利 用动力参数变化检测结构损伤的方法，也在不断的改进和发展中展现出其测试技 术路线清晰、应用方便等优点。本文将“频率平方变化比”方法应用到管道结构 的损伤检测中，并进行数值验证，同时考虑测量噪声对“频率平方变化比”方法 的影响，数值模拟表明该方法能够较好地应用于管道结构损伤检测。本文应用 a n s y s 软件建立多跨管道有限元模型，计算得到多跨管道结构不同位置损伤时的 频率分布，分别用小波变换和傅立叶变换对具有不同信噪比的原始信号进行降 噪。研究结果表明，小波变换方法在降噪方面更具优势。应用小波变换方法对染 噪的多跨管道结构模态振型信号进行降噪处理，对降噪后的信号进行损伤检测， 通过对不同信噪比信号进行量化分析，计算得出当信噪比高于1 9 7 8 d b 时，通过 小波变换方法降噪后的数据能很好地用于损伤识别。本文的研究方法和技术路线 对多跨管道的损伤检测具有实际参考价值。 关键词：损伤检测；小波变换；小波降噪；多跨管道结构 r e s e a r c ho fd a m a g ed e t e c t i o ni nm u l t i s p a np i p eb a s e do n w a v e l e tt e c h n i q u e a b s t r a c t p i p e l i n ei st h em a j o rw a yo f t r a n s p o r t i n gc r u d eo i l i nr e c e n ty e a r s w i mt h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h eo f f s h o r ep e t r o l e u mi n d u s t r y , m o r ea n dm o r ep i p e l i n e sw e r eb u i l t d a m a g eo c c a s i o n a l l yo c c u r sd u et ot h ec o r r o s i o na n dm e c h a n i c a ld a m a g ee t c ，w h i c h b r i n g st h es e r i o u sl o s so f e c o n o m y a n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd u r i n gt h es e r v i c el i f e i no r d e rt oa v o i dt h e s ea c c i d e n t s ，i ti si m p o r t a n tt od e t e c ta n dl o c a l i z ed a m a g e so f t h e p i p e l i n ea ss o o n 私p o s s i b l e t h e r e f o r et h i st o p i ch a sa t t r a c t e dm a n ys c i e n t i s t si nt h e g l o b ea n dn e e d s t ob es o l v e du r g e n t l y m a n yk i n d so fd a m a g ed e t e c t i o nm e t h o d so ft h ep i p e l i n e sa sw e l la st h e i rw o r k p r i n c i p l e s ，a d v a n t a g e s ，l i m i t a t i o n sa n da p p l i c a b l es c o p e sa r ea n a l y z e d o fa l lt h e v i b r a t i o n - b a s e dd a m a g ed e t e c t i o nm e t h o d s ，t h o s eu s i n gf r e q u e n c yc h a n g e st od e t e c t s t r u c t u r a ld a m a g ea r et h ep i o n e e r s r a t i oo ft h ec h a n g e so ft h es q u a r eo f f r e q u e n c y m e t h o di sa p p l i e dt od e t e c tt h ed a m a g ei np i p e ，a n dt h ee f f e c to fn o i s ei sc o n s i d e r e d t h en u m e r i c a ls t u d i e ss h o wt h a t r a t i oo ft h ec h a n g e so ft h es q u a r eo ff r e q u e n c y m e t h o dc a ns u c c e s s f u l l yd e t e c tt h el o c a t i o no fd a m a g ei nas i m p l ys u p p o r t e dp i p e u s i n gt h ef e ms o f t w a r ea n s y st om o d e lam u l t i s p a np i p es t r u c t u r e , a n dt h e f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o ni np i p ew i 也d i f f e r e n td a m a g ei sc a l c u l a t e d n o i s ei sa d d e dt o t h em o d es h a p es i g n a l ，a n dw a v e l e tt r a n s f o r m ，f i 丌m e t h o d sa r eu s e dt od e c r e a s e n o i s e t h er e s u l ts h o w st h a tw a v e l e tt r a n s f o r mi sb e a e rt h a nf f tm e t h o d w a v e l e t t r a n s f o r mm e t h o di su s e dt od e c r e a s en o i s ea n dd e t e c tt h ed a m a g ei nt h em u l t i s p a n p i p e t h en u m e r i c a ls t u d i e ss h o wt h a tt h ed e n o i s e ds i g n a lc a l lb eu s e dt od a m a g e d e t e c t i o ni nm u l t i s p a np i p ew h e nt h es n ro f o r i g i n a ls i g n a li sh i g h e rt h a n1 9 7 8 d b t h er e s u l t sp r o v et h a tt h em e t h o d sa n dt e c h n i c a ls o l u t i o n sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r e p r a c t i c a b l ea n ds i g n i f i c a t i v e b a s e do nt h eo b t m n e ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ta p p e a r st h a t t h i su e wm e t h o dc a l lp r o v i d ea na d v a n t a g e o u sr e f e r e n c ef o ru s e r se n g a g e di nd a m a g e d e t e c t i o ni nm u l t i - s p a np i p e k e yw o r d s ：d a m a g ed e t e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m , w a v e l e td e - n o i s e ，m u l t i s p a np i p e s t r u e t i i l t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 付7 2 j 签字日期珈。侔月9e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：付7 i 签字日期：2 0 0 7 年月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 电话： 邮编： 军日惠 修砰 字 期 签 日 师 字 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 现代管道运输始于1 9 世纪中叶，但真正广泛用于商业运营已是2 0 世纪6 0 年代之后的事情。今天，管道运输业已经成为物质输送的主要行业之一，在现代 经济建设中发挥愈来愈重要的作用。 我国的管道运输业是随着石油工业的发展而发展起来的。五十年代末，全国 只有很少几条原油短距离管道。随着大庆、胜利、辽河、华北等油田的开发，我 国管道运输自七十年代初进入了一个高速发展的时期，逐步建成了东北、华北、 华东地区三个区域性输油网络。1 9 7 9 年以后又相继建成了濮l 瞄线、中洛线、中 开线、中沧线等输油干线。到1 9 9 4 年末，我国输油和输气管道总长度已达到1 7 3 7 8 公里，其中原油管道9 4 4 3 公里，天然气管道7 9 3 5 公里，全年输送原油1 3 亿吨， 天然气1 0 2 亿立方米。随着国家四大世纪工程( 南水北调、西气东输、西电东送、 青藏铁路) 的逐步实施，2 0 1 0 年以前，在“西气东输”工程中，我国将新建六条 天然气管道，六个区域性输气管网，待管道建成后，把这些管道所在的区域性管 网连接起来将覆盖2 1 个省市自治区，形成产、送、储、配、销五位于一体的油 气管网系统【”。 我国海洋油气勘探与开发已有四十年的历史，铺设的海底管道已经具备了相 当的规模。到目前为止，已经铺设了2 0 0 0 多公里的海底管道，其中有油管道和 气管道；有保温管，也有不保温管；有双层保温管，也有单层保温管。在海洋油 气工业发展中，海洋管道的作用日益显现，海洋油气管线已经成为我国海上油气 田的生命线。 管道投入使用的初期，由于设计、施工和材料等多方面的缺陷，管道失效的 概率较高，这一阶段称作早期失效期。渡过早期失效期以后是偶然失效期，在这 ，阶段事故发生率稳定保持在一个较低的水妒。这个时期过后进入损耗失效期管 逝失效概率逐渐增大，直至超过设计寿命到，t 全报废。 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 随着管道事业的飞速发展，管网逐渐增多，同时许多管道已经接近或者超出 使用寿命，在各种自然或人为因素的情况下，管道事故频频发生，从而给经济、 环境和人身安全带来不可挽回的重大损失。据统计，美国1 9 8 5 1 9 9 3 年天然气 长输及集输管道事故是7 8 9 起；1 9 8 9 年6 月苏联拉乌尔山隧道附近的天然气泄 漏，随后引起大爆炸，烧毁了两列铁路列车，死伤8 0 0 多人，成为1 9 8 9 年震惊 世界的灾难性事故；2 0 0 4 年7 月3 0 日比利时南部城市阿特附近当天发生的煤气 管道爆炸事故造成至少1 5 人死亡，另有上百人受伤；2 0 0 1 年1 月，上海市地处 闹市区的遵义南路、延安西路路口金桥大厦门前的人行道因煤气泄漏发生爆炸事 件，造成大面积停电，2 人死亡，2 人受伤；2 0 0 0 年1 0 月1 5 日，东海平湖油田 的输气管道断裂停止向上海供气，造成了严重的经济损失和社会影响。这些事故 事后调查发现这些管道失效的主要原因是由于材料缺陷、机械损伤、各种腐蚀、 焊缝缺陷、外力破坏等产生的 2 , 3 1 。 众多的管道泄漏事故引起了人们的极大关注，于是许多科学家开始对管道的 损伤及管道的泄漏在线监测进行了研究。损伤研究的目的是对管道的寿命进行评 估，对运行状况不良的管段进行提前处理。管道泄漏在线监测研究的目的是当管 道发生泄漏时能够及时准确地报警，并且能够对泄漏点的位置进行精确定位。 我国大规模的油气管道建设始于二十世纪七八十年代，其中大部分管道已经 运营了2 0 多年甚至3 0 年，管道强度和涂层完整性都已进入危险期，整个管道网 络已进入事故高发期。随着管线运营期的延长、原材料、施工缺陷、环境腐蚀和 外部影响，尤其是管体腐蚀的影响，使事故隐患大大增加，事故率呈上升趋势。 据统计，1 9 8 3 年至1 9 9 3 年，石油管道局所管辖的管线腐蚀泄漏事故平均每年1 2 至1 6 起，1 9 9 5 年由于腐蚀原因而引起的泄漏事故达2 2 起。社会上的一些不法 之徒受盗卖石油牟取暴利的驱动，肆意在油气管道上开孔偷盗油气，成为我国油 田管道泄漏问题的另一个主要原因。管道泄漏不仅造成巨大的财产损失，环境污 染，而且危机人身安全。因此，开展管线安全性技术研究、提高对管线事故隐患 段的预测能力，成为实施管线安全运营的紧迫任务【4 i 。而对管道泄漏的在线监测 的日的是当泄漏发生时能够及时准确地进行报警和确定泄漏的位黄，从而最大程 艘地减少经济损失和环境污染，降低事故隐患 龙此背景下，针对实际应用的多跨管道结构小爻深入研究并总结目前现有 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 的应用于管道损伤检测各种方法的特点，采用振动学、有限元方法和小波技术相 结合对管道进行损伤检测，分析所得结论具有实际工程意义。 1 i 2 研究意义 为了能够对管道寿命进行评估，对运行状况不良的管段进行提前处理，并当 管道发生泄漏前能够及时准确地报警以及对损伤处位置进行精确定位，从而最大 程度地减少经济损失和环境污染，降低事故隐患，必须对管道进行及时的损伤检 测。 从经济方面考虑，无损检测技术在质量和成本竞争中占有很重要的地位，成 本的高低，往往主要取决于对产品的内在质量及对关键零部件及组装件的检测效 能。例如：日本小汽车中3 0 的零件，采用无损检测后质量迅速超过美国；德 国奔驰汽车对汽车的几千个零部件全部进行无损检测后，运行公里数增加了一 倍，大大提高了在国际市场上的竞争能力。据资料统计，世界上先进的大型企业， 其在检测方面的投资有的高达整个企业投资的1 0 ，这也就充分说明了无损检 测对企业发展的影响能力。因此对管道结构开展进行无损检测研究很有意义。 从技术方面考虑，小波技术在许多结构的检测上已经取得了比较理想的成 果，小波方法对损伤奇异性的识别以及在降噪方面的优越性使得其在无损检测技 术中越来越能发挥作用。另外由于管道结构形式的特殊性和工作环境的复杂性， 有些时候常规的检测方法很难适用，它们在管道的损伤识别上受到限制。美国科 视达( q u e s t a r ) 公司推出的i t i 视频内窥镜，该仪器带有视频摄像头，在视频摄 像头的顶端，通过很小的开口，全面检查大的洞穴，并有光导纤维提供照明，可 显示清晰真实的彩色图像。它对最小直径8 5 毫米，最大长度3 0 米的管道，可 进行异物、腐蚀、壁厚等检测。奥斯博公司推出的a r 3 0 0 0 声波管道探测器，通 过向管道内发射声波讯号，由接受仪器进行接收和分析，可实现穿孔、异物的定 位，可对管径6 5 0 0 毫米的管道进行检测。尽管上述仪器是先进的，但仍有缺 陷和不足之处，例如对检测对象有局部性，它对于缺陷尺寸和形状不能定量，对 于管壁内部裂纹缺陷不能测量，在测试原理l 仍采用标定法和对比方法，另外这 螳仪器的价格是非常昂贵的。而振动检测乃法已成功应用于运转机械的在线检 测、故障诊断、设备的早期故障预报及趋坍；，析。 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 根据以上分析，由于国外先进的探伤仪器设备的高价位，及其对检测的局部 性等不足之处，使得基于振动测量的无损检测技术在管道结构的损伤识别应用中 得到极大关注，特别是近些年来应用小波分析进行无损检测已有大量成功的事 例，将小波方法和振动检测方法相结合，应用在管道结构损伤检测领域成为了可 能。 1 2 常用的结构损伤检测方法 一传统的结构损伤检测方法 1 超声波方法 工作原理：应用在损伤检测中的超声波是频率在千赫和兆赫之间的高频声 波。声波的频率越高波长越短，精度也越高。高频声波是由探测器上压电晶体振 动产生，通过耦合介质传入，金属声波在不同的密度区域被反射，例如管道壁或 是金属内的缺陷部位，反射信号能被检测，通过信号的发射和反射信号的接收之 间的时间差来判断金属的厚度和缺陷的位置。 更复杂的超声波系统使用了阴极射线管来描述信号和反射波，目前的检测方 法是使用压缩波的d - m e t e r s ，它能测出管壁的厚度和金属内缺陷的深度。自动 的d - m e t e r s 能快速扫描管道表面，采集的数据能够由计算机进行记录，并且能 够由颜色来表示，颜色的深度表示了金属的厚度。有些焊接处的腐蚀不能用压缩 波检测器来检测，需要角度探测器来引导信号在焊接部分周围进行检测。超声波 检测系统能够提供缺陷处的三维信息，通常用作射线技术的补充。 主要特点：目前现有的超声波扫描技术能够给出管道内部表面或者管道内部 结构的断面图。断面图对确定焊缝的缺陷或者运行管道焊接处的腐蚀是非常有用 的。该技术已经被用作检测管道的高压焊接维修，并且为焊接质量的评估提供了 有效的信息。e c a ( e u r o p e a nc o o p e r a t i v ea d m i n i s t r a t i o n ) 肯定了这项技术，并 且允许在某些时候用于焊接维修检测，但是需要有比较严格的技术规范。这些 描技术在将来很有可能用于检测管道焊接部位的质量状况以减少不必要的维修。 超声波技术适用表面与内部缺陷、管道腐蚀的检测，其检测速度快，对甲| f i f 缺m 灵敏度高，并能够存：r 作期限内对关键件进行在线监测，适用于各种旧l 钆拘 包括梁、刚架、板、弈器、管道等。 4 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 2 射线法 工作原理：射线技术是由电子设备产生的高能量电磁波，如x 射线或者r 射线。当检测器要求具有敏感性和可重复使用时，x 射线技术是首选。另外一个 优点是能够检测到管道腐蚀监测所需的最小缺陷。 放射源可以安装在管道的任一边，而底片安装在相反的一边，底片通过双层 管壁接收x 射线，这种方法只能用在小直径和薄壁的管道上。发射源也可以放在 管道的内部，在管道的周围用底片包裹，这是最普通的方法，能最大程度地检测 焊接和材料的缺陷，从而提高焊接质量。缺陷照片可以由底片洗出，材料缺陷如 裂纹、疏松和焊接缺陷是管道发生腐蚀的主要区域，而这些区域对射线的吸收较 少，这些放射源通过腐蚀的管道壁会以不同的颜色深度在底片上表现出来。 主要特点：当管道正常运行期间进行射线检测时，唯一可行的办法是在管道 外部一边放置放射源，另一边放底片，由于金属丢失区域对射线的吸收比正常管 道壁少，从而在底片上显出不厨的深度进而度量金属的损伤量。射线技术通常是 比较麻烦的而且只用于特殊区域的检测，通常适用体积类缺陷，分散细小缺陷及 表面缺陷。该方法直观、灵敏度高，适用于各种工程结构，包括梁、刚架、板、 容器、管道等。目前使用比较广泛的是射线照相机，该技术能够进行实时检测。 3 磁粉法 工作原理：磁粉检测m p i ( m a g n e t i cp a r t i c l ei n s p e c t i o n ) 是用来检测表面 出现裂纹的主要方法。用电磁铁或者永久磁体把管道表面磁化，在裂纹处或其它 缺陷处磁场将被扭曲，与磁通量不平行。强磁微粒被涂在金属表面或者强磁微粒 被吹过金属表面，强磁微粒集中在磁通量扭曲的区域，由此可以判断裂纹的存在。 强磁微粒也可以装入能够在u ￥照射下发光的塑料包中。 主要特点：该技术主要用来检测倾斜焊接的薄板、检测疲劳裂纹和运行管道 的外部裂纹，其优点是能够检测肉眼不可见的裂纹，能够对水下钢管进行检测， 定期对结构节点疲劳裂纹的检测。然而该技术要求表面要清洁而且检测速度较 慢，比较繁琐。如果对薄壁管道进行检测时，检测后还要进行去磁处理以避免在 焊接过程中发生焊接偏离。 4 涡流检测爬行器方法 工作原理：涡流检测技术是一种新卅挣测技术它利用导体中的涡流效应实 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 现对导体材料中的缺陷性质进行分析。由电磁理论可知，随时间变化的电磁场相 互转化，当导体中通以交变电流时会在导体内部和周围产生交变的磁场，在交变 磁场的作用下，导体中将产生与所加交变电流相反的电动势，表现为交变电流的 阻抗。对于涡流检测器其应用时探头线圈中通过交变电流，交变电流在被检导体 内形成与其相反的涡旋电流，当被检测物体上有缺陷存在时，所形成的涡旋电流 将绕过缺陷，因此所形成的感应电磁场发生变化，从而使耦合后的阻抗发生变化， 其变化将在探头上感应出来【5 】o 探测器头的震荡电流在管道壁中引起涡流，涡流的大小可以由检测器检测， 而管道表面的缺陷可以改变涡流的大小，通过检测涡流大小的改变来检测腐蚀。 涡流爬行器被广泛的用于检测小尺寸的热交换和处理管道。 主要特点：涡流爬行器在检测2 0 一3 0 的管道壁厚的区域和横向裂纹时 敏感性较高，主要适用于小直径的管道，对移动速度比较敏感，能量耗费较高， 仅适用于长度较短的管道。 5 样本重量损失检测方法 工作原理：在一定时期内管道内部放一小块干净知道重量的样本，然后取出 样本，记录重量的改变。腐蚀率通常可以由整个样本面积进行估计，估计结果通 常是很理想的，用样本的腐蚀区域进行腐蚀率的估计能够给出更合理的结果。样 本为被放入管道流体内的固定的矩形小金属板或者圆形金属板和管道壁一起被 冲刷，样本被固定的目的是确保样本所处的环境比较接近管道壁所处的环境，同 时也避免了样本流动过程被损伤的危险。当样本被取回时可以除去表面的腐蚀部 分进行化学和微生物分析，清洁后可以检测点蚀情况。 现在已经使用弱放射性物质作为样本，重量的损伤通常由放射性的损伤来决 定。该方法能够检测到比较小的腐蚀。 主要特点：样本重量损伤法主要用来评估长时期的腐蚀和防氧化剂的作用。 样本重量损伤法相对来晚敏感性低，重量损失法正在逐渐的被电阻和电化学监测 方法取代。样本重量损失法是比较简单的，并且为点蚀和其它的腐蚀理论提供了 直观的证掘。样本法能够用于任何系统，当有水才能发生腐蚀的情况f ，样本可 以放在底音| 5 二戈者水容易聚集的地方。虽然一系列的重量损失数据能够为动态估计 提供一些h ，：，f ii 是样本法相对敏感性不高，也就不能提供动态的l l 。息。 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 6 电阻( e r ) 探测器方法 工作原理：把导电的一段导线、金属管或者金属块放入流体，在他们两端加 固定的电压，这样可以检测流过的电流。当金属管或者金属块腐蚀变薄时电阻值 增大，结果电流减少。当探测器中的导线比较细时敏感性较好，但寿命较短，粗 的导线或者金属管或者厚的金属块可以增加使用寿命，但敏感性降低。电阻探测 器能够应用的范围很广泛，包括高阻值的系统如气体管道。电阻探测器是仅次于 样本重量损失法，比较常用的一种腐蚀检测方法，只有在探头完全被导电电解质 覆盖，才可以用这些探头进行测试，因此，一定要把探头放在水聚集的地方。由 于水膜断开的原因，致使插在管线中的l p r 探头可能给出错误的结果，水膜是否 连续，将取决于水含量和流动状态。使用l p r 探头的另一个闯题是因为电极被电 腐蚀产物覆盖，从而在电极间形成电桥，这也影响其准确性【6 1 。 主要特点：电阻探测器结构和原理简单，工作性能可靠，在所有环境中敏感 性较强。这种探测器能够为动态的腐蚀提供充分的信息，除非使用特殊的辅助系 统，否则不能检测点蚀的存在。 7 线性极化电阻测量探测器方法( l p i b o 工作原理：在腐蚀原电池阳极与阴极上的氧化反应和还原反应导致管道金属 发生腐蚀。电极的另一个特性是极化，所谓电极极化就是电极的电极电位随流过 它的电流发生变化，变化结果使腐蚀原电池两极之间的电位差( 电动势) 减少，腐 蚀原电池内部电流，即腐蚀电流亦相应减少。由此可看出，电极极化作用阻碍氧 化反应与还原反应进行，它对氧化反应与还原反应或对腐蚀电流的阻碍力与电阻 具有相同量纲，称之为极化电阻，其值越大，腐蚀电流越小。因此，极化电阻便 成为研究与评价金属腐蚀的重要参数【7 l 。 主要特点：l p p o j l ( l i n e rp o l a r i z a t i o nr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t ) 技术相对 比较简单、敏感性强，能够给出动态腐蚀的信息，也可以对探测器进行直接观察 和作为重量损伤法来使用。短期和周期性的运行不能影响电极的表面，因此探测 器能用来进行长时期的检测。该技术被限制在导电介质( 盐水、降水和许多乳剂) 中使用。 8 薄层活化技术方法 工作原理：放射技术被广泛的用j 睫转设备的磨损检测，t l a ( t h i nl a y e r 7 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 a c t i v a t i o n ) 是这种技术的一种扩展。对管道内表面进行放射性物质照射，通过 检测样本的残余放射性来确定金属的损伤，在实际应用中这种技术被证明能够很 好地工作，由于照射的深度有限，其工作寿命就比较短，但是敏感性很高，能够 检测沙和其他固体的冲蚀。 主要特点：这种技术比较简单并且非常敏感，不需要进入管道进行检测，但 是腐蚀物的粘附和放射性物质的沉积是这项技术的障碍。该技术费用较高，并且 可能需要使用许可证。 9 区域信号监测技术方法 工作原理：这种技术是电阻监测技术的发展，把接线柱以一定的间隔焊接在 线轴上，这些接线柱用导线和电压表相连接，当在接线柱阵列的上下游管道上通 大电流时，接线柱之间的电压就能被检测，然后转化为金属的厚度。 主要特点【8 】：应用此技术原件不必暴露在腐蚀、磨蚀、高温和高压环境中； 没有将杂物引入管道的危险；不存在监测部件损耗的问题；进行装配或发生误操 作时没有泄漏的危险；敏感性和灵活性比大多数非破坏性试验好。但是多接线柱 和电流的输入将限制安装位置，因此在安装时要考虑获得数据的价值和安装费用 之间的平衡。 二、基于振动的损伤识别方法 这种技术的基本思想【9 】：损伤会引起结构中物理参数( 质量、刚度等) 的改 变，结构的模态参数( 模态频率、模态振型、模态阻尼等) 随之发生改变，根据 此改变量即可确定损伤的位最及程度。这种方法在国外称为结构的损伤识别。就 问题本质而言，工程结构的损伤确定和质量评估是同一问题的不同侧面。 基于振动的损伤识别起决定作用的是计算模型的建立和振动测试参数的获 取，尤其是信息特征量的选择决定了诊断的最终结果，主要特征指标有结构位移 模态振型、结构固有振动频率、结构位移( 速度、加速度) 、频率响应函数、结 构曲率模态振型、结构应变模态振型、结构应变及频响函数等。 1 利用频率变化进行损伤识别 在参数t ! 川频率是最易获取的模态参数，且精度较高，通过榆测频率的 变化来识别纪构坝1 9 j 是最为简单的。损伤使结构质量和刚度减少，引起蝴率及振 型的变化，址愀 l i ：频率变化进行损伤识别有很大的局限。n! i l 然心4 l 征值的 基于小渡技术的多跨管道损伤检测研究 随机误差比其它模态特征小很多，但是其频率变化的低灵敏性要求测量的准确性 较高，同时该方法需要对结构进行大范围内的检测。此外，频率的变化只能说明 结构中有无损伤及损伤的位置，对损伤的程度无法确定。 a d a m s 最早利用结构固有频率的减少来检测纤维复合材料中的裂纹1 1 0 1 ， l o l a n d 及v a n d i v e r 应用同样的方法对海工结构的损伤进行了检测i i , 1 2 。直接将 结构的频率作为结构损伤的标识量，通过对被测结构的频率与未损伤结构的进行 比较，由频率的变化就可确定结构是否发生了损伤。 2 利用振型变化进行损伤识别 相对频率而言，模态振型的变化对损伤较为敏感，包含更多的损伤信息。利 用振型来诊断损伤有两种途径：一是直接利用结构损伤前后的振型变化来识别损 伤，如画出所有的振型变化图，利用目测去判断损伤位置。二是由振型构造出结 构损伤标识量，由标识量的取值或变化来识别损伤。近年来，很多学者在振型的 基础上提取出许多其它特征量”】，如m a c ，m s f ，c o g a c ，c o m s f 等，这些参数都可 以表征结构损伤前后的模态相关性。 模态置信因子【1 4 1 ( m a c ) m a c , ：彳皇年 ( 卜1 ) 妒玉伊wo 妒刍 式中、为损伤和非损伤状态下的结构的第i 阶振型，它表示振型相关图中 最小二乘偏差的度量。 ( 1 - 2 ) 表示振型相关图的最佳直线的斜率。式( 卜1 ) ，( 卜2 ) 是对损伤前后同阶模态相关 性的分析，当模态对应关系不知道时，应用坐标模态因子对其进行分析。 坐标模态置信因子( c 0 m a c ) 坐标模态置信因子用来度量损伤前后特征向量的相关性。 匹l ) 2 c o m a c = l - ( 卜3 ) ( 瘟唬) 9 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 以上3 个参数值的范围均为0 l ，当其接近0 时，说明损伤前后的模态不相关， 即结构中有损伤；当其接近1 时，说明损伤前后的模态相关性好，即结构中无损 伤。但这些参数对损伤初始阶段识别能力较差。 曲率模态振型 曲率模态与梁截面的弯曲刚度有关，梁在某点的曲率为y = 肘日。当截面 刚度减小时，截面的曲率增加。计算模态时，通过位移中心差分可得曲率模态振 型。计算公式如下式 坼：纽；咎垃( 1 - 4 ) 盯 式中m 为i 点的位移；h 为测点间距。 曲率模态振型对损伤的敏感度大于振型。akp a n d e y ”1 通过减少结构的弹 性模量验证了该方法的有效性。陆熙、霍达在曲率模态理论基础上验证了曲 率模态对大型结构整体损伤、局部损伤都有较好的敏感性。 3 基于柔度矩阵的损伤识别1 7 - 2 2 由模态分析可知，在模态满足质量归一化条件的情况下，结构的刚度矩阵和 柔度矩阵的模态参数表达式为 【明：【m 】f 兰霹 谚 谚 7 1 阻】【明= 【m 】i 霹 谚 办厂l m 】 i = l 【f 蠕扣 ( 卜5 ) ( 1 - 6 ) 式中【k 】为结构的刚度矩阵，f f l 为结构柔度矩阵， 谚 为质量归一化的振型矩 阵。由公式( 卜5 ) 、( 1 - 6 ) 可见，模态参数对刚度矩阵的贡献与自振频率的平方成 正比。因此，用试验模态参数较为精确地估计结构刚度矩阵，必须获得较高阶模 态信息，相反，模态参数对柔度矩阵的贡献与固有频率的平方成反比，模态试验 中只需获得较低阶模态参数，就可较好地估计结构柔度矩阵。实践中，由于测试 误差的影响，往往只能准确地获得前几阶模态参数，因此，利用柔度法进行结构 损伤识别，在获得相同的试验模态参数条件下比采用刚度矩阼法更为精确。 常用的基于柔度矩阵的损伤识别方法，一种是直接利用柔度m 阵的变化识别 损伤，。种是通过对分析刚度矩阵和测试柔度矩阵的一致性榆卉宋i _ 别损伤。 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 杨华【2 3 1 通过对悬臂梁在损伤情况下的数值模拟验证了该方法的有效性，柔 度矩阵法能够准确地进行损伤定位。kea l v i n 2 4 】论述了从频率及模态信息中提 取柔度矩阵的方法，一种是通过应力确定结构的柔度，另一种为通过整体柔度矩 阵来确定单元柔皮矩阵，并用两个例子证明了该方法在损伤定位及有限元模型修 正中的有效性。张华等2 5 1 针对在实际应用中结构的高阶模态较难获得的情况， 提出基于柔度矩阵的损伤识别方法，并对一悬臂梁结构在多位置损伤情况下进行 数值模拟，表明只需识别结构的前3 阶模态参数，便可对结构进行损伤定位。 4 试验模态分析与有限元分析相结合的方法 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机的出现和有限元法的建立，试验模态和有 限元分析成为活跃的研究领域。试验模态分析综合了动态测试、信号处理、系统 识别和结构动力学等技术，已成为振动工程中一个重要的组成部分，在损伤识别 中也有广泛的应用。试验模态分析即对系统进行辨识，识别出损伤前后的模态参 数，根据模态参数的改变来确定损伤。有限元分析是对结构物理现象的模拟，是 对真实情况的数值近似，采用合理的简化假设，建立有限元模型，通过划分有限 个单元，求解有限个方程来模拟真实环境的物理现象。该方法的一个研究重点即 如何使用实验数据来分析有限元模型的误差和改进有限元分析模型，方法有多约 束最小误差方法，灵敏度矩阵方法等。另一研究重点为自由度的扩展和缩聚的问 题，即试验测得的变形数远少于分析模型的自由度数，必须对实验数据进行扩展 或分析模型结果进行缩减。方法有g u y a n 减缩法、k u h a r 法、r i t z 向量减缩法和 子模态矩阵法等。 5 残余力向量损伤识别 1 9 9 2 年，r i c l e s 最先提出了残余力向量的概念【2 6 】。该方法是先建立有限元 分析模型，利用在结构受损区上测试出的特征值和响应的测试模态，代入未受损 结构特征值问题方程式的左边，如果方程等于零，则可以判断出结构未发生损伤， 如果方程不等于零，则可以根据非零值的位置判断出相应的受损的位置 2 7 - 2 9 。 结构在损伤状态下的振动特征方程为 ( 一九) 九= 0 ( 卜7 ) 式中髟，m 。为损伤状态下的刚度和质量矩阵：以，九为实测损伤结构的第i 阶 特征值和特征向量，损伤状态下的网lj 度和质量矩阵可表示为 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 k d = k i + a k ( 1 - 8 ) 鸩= 以+ 埘 ( 卜9 ) 式中墨， t 为无损结构的刚度和质量矩阵；a k ，m 为结构刚度和质量的改变 量。把式( 卜8 ) 、( 1 - 9 ) 代入0 - 7 ) 式得 ( a e 一九a m ) 九= ( 墨一九m ，) 九 ( 卜1 0 ) 则残余力向量r 可表示为 墨2 ( 巧一九托) 九 ( 1 1 1 ) 即可用残余力向量确定结构的损伤部位。 残余力向量识别损伤的实质仍是利用损伤前后结构模态特性发生变化的特 点。该方法不仅考虑了系统质量的变化对模态的影响，而且还考虑了固有频率和 模态向量的摄动，并且计入了结构参数不确定性及测量误差，考虑的因素较为全 面。张向东等【蚓利用残余力向量法，通过数值模拟，实现了对预制裂纹梁的损 伤识别，鉴于实际结构建模的误差，提出了改进的残余力向量法，并在诊断试验 中证明了该方法更适合实际工程应用。刘济科等3 1 提出了一种基于残余力向量 进行结构损伤识别的两步法，通过计算表明，此方法仅需一阶模态参数便可有效 进行损伤识别。 三基于小波分析的损伤识别方法 1 9 8 4 年，法国地球物理学家j m o r l e t 提出了真正意义上的小波。由于小波 分析的历史是数学家和工程师共同创造的，它从诞生伊始就与工程问题紧密联系 在一起，因而它不仅具有坚实严密的数学理论基础，而且在许多工程实际中得到 了广泛的应用。 由于小波分析非常适合分析非平稳信号，因此可作为损伤识别中信号处理的 较理想的工具，用它来构造损伤识别中所需要的特征因子，或直接提取对损伤有 用的信息p2 1 。小波分析在损伤识别中的应用是多方面的，如：奇异信号检测、 俯噪分离，频带分析等。 4 il ：c ，u r i e r 分析理论相比，小波分析具有两大优势”j ：其一是，它是一种 呲频联合分析方法，能够根据信号不同的频率成分 1 1 i i , j i l i j 域采样的疏密，自适应 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 地调节时频窗口，同时具有时频域局部化的性能；其二是，小波函数可作为许多 经典函数空间的无条件基，通过快速离散小波变换能实现这些空间中的函数逼 近。 近年来，小波分析理论的研究继续取得新的成果，并不断应用到纯数学、应 用数学及其它工程技术领域。如小波分析理论目前已在信号处理、图像处理、地 震勘探、量子物理、模式识别、故障诊断及非线性科学等领域得到成功应用【3 4 】； 而且，随着控制理论，信号处理和小波分析等多学科的相互交叉、相互渗透，小 波分析理论在损伤检测领域中应用的前景将会越来越好。 2 0 世纪9 0 年代以来，利用小波分析检测机械结构中的故障有较多研究。 d e n e w l a n d 首先将小波分析应用于结构振动信号的分析与处理p 别；a i k h a l i d y 等人对小波分析应用于动力机械结构故障诊断进行了研究，分析了线性系统和轴 承磨损的损伤识别，并考察了噪声和损伤程度对损伤识别结果的影响 3 6 , 3 7 。唐和。 生等【3 即分析了小波变换在结构损伤检测中的应用，证实选择具有不同带宽小波 基对检测结果可起到关键性作用。k m l i e w 等【3 9 】用离散小波变换对简支梁裂纹 位置进行了识别。h o uz 等【4 0 】用小波分解对含有突变破坏和疲劳积累引起地多种 裂纹的结构进行健康检测。t r o c h i d i s 等f 4 1 4 2 1 对含单、双裂纹的悬臂梁进行了裂 纹位置及裂纹位置及裂纹深度的研究，他们提取悬臂梁振动的位移模态作为小波 分析的原始信号。h o u 等【4 3 】应用一种d a u b e c h i e s 小波对简单动力结构模型和三 层框架b e n c h m a r k 模型的损伤识别进行了研究，证明了小波分析在结构损伤识别 领域的巨大潜力，能够有效地对结构损伤进行预警。q u e k 等畔】利用小波对不同 的裂纹状况，不同边界条件下的裂纹识别的敏感性进行了详细的分析，并对不同 小波的识别结果的敏感性进行了比较，指出对于表面裂纹以及内部裂纹，小波分 析都能有效地给出裂纹位置。利用小波分析对海洋结构建筑物损伤检测方面也有 较多研究。张兆德等【4 5 1 根据海洋平台结构固有频率、振型、模态应变能等有关 参数的变化，借助于小波变换对损伤进行了定位，得到了满意的效果。郭杏林等 【4 6 7 1 在基于小波变换的基础上对管道结构的损伤识别进行了研究，并且利用 l i p s c h i t z 指数对管道损伤程度进行了定量分析。李华军等【4 8 】对海底管道损伤检 测进行了研究，并且研究了小波变换在压力波信号检测中的应用，取得了显著的 效果。王海生等1 4 9 】介绍了一项摹f 小波变换的输油管道泄漏检测技术，并以实 基于小波技术的多跨管道损伤检测研究 验结果说明了该项技术的应用效果。耿艳峰等【50 】利用多组传感器测取石油天然 气管道的振动信号，通过时频域小波分析，实现了消噪、特征提取、破坏性振源 识别和定位。黄晶等 5 1 】研究了在管道缺陷超声波无损检测中缺陷信号的小波分 解与重构，来识别是否存在缺陷以及缺陷的位置。蔡正敏等 5 2 提出了利用小波 变换模极大值消除工程背景噪声的方法，并将其应用于管道泄漏的在线检测。 四神经网络损伤识别法 运用模型修改方法检测损伤及损伤位置是基于一个合适的动力学模型，主要 是识别模型参数的变化来检测损伤( 即参数处理方法) ，对系统的动力学特性要有 先验的知识；而神经网络理论和技术不需要系统动力学特性的先验知识，具有损 伤检测非参数方法的优点，它不仅适应于线性系统，尤其适应于非线性系统，因 此它比模型修改方法及信号处理方法适应性更强。神经网络的另一个优点是处理 环境振动的能力很强，省略了激振设备，更容易应用于工程实际中。 神经网络在损伤识别中的基本原理是：首先用无损伤系统的振动测量数 据来训练网络，用适当的学习方法确定网络的参数，然后将系统的输入数据输入 网络，网络就有对应的输出，如果学习过程是成功的，当系统特性无变化时，系 统的输出和网络的输出应该吻合。相反，当系统有损伤时，系统的输出和网络的 输出就有一个差异，这个差异就是损伤的一种测度，因此，应用神经网络检测损 伤的逻辑思想非常简单，只要合适地选择一种测试量，系统和网络输出的差异对 损伤是灵敏的，它并不涉及原来的系统是线性的还是非线性的。 c h a n c e 等人用有限元数据训练神经网络对悬臂梁和悬臂板进行了损伤检测 研究【5 4 】；y u n 和b a h n g 用神经网络方法对予结构损伤识别进行了研究【5 5 l 。 综上所述，传统的结构损伤检测方法能够对管道结构局部损伤进行检测，需 要购买昂贵的设备，如各类管内爬行器、管内探测器等，以及要对管道损伤部位 有先