杜國鋒，宛 超 （長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

長輸管道具有高效、便捷、環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、煤氣、水等的運(yùn)輸［1］。由于油氣管道大多埋設(shè)在巖土或海洋中，其所處環(huán)境復(fù)雜，容易遭到破壞。此外，由于部分管道建成時間較早，已經(jīng)接近或超出使用壽命，在各種因素的影響下，容易發(fā)生管道事故，給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，同時對自然環(huán)境和民眾安全帶來重大威脅［2］。為此，筆者基于壓電阻抗技術(shù)構(gòu)建了油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)，對油氣管線的損傷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對運(yùn)行狀況不良的管段進(jìn)行及時處理，以期減小經(jīng)濟(jì)損失，保障人民生命財產(chǎn)安全。

1 壓電阻抗技術(shù)

壓電材料具有傳感或者傳感與驅(qū)動雙重功能，壓電阻抗技術(shù)是壓電智能材料在結(jié)構(gòu)健康診斷方面的具體應(yīng)用，其基本原理是：當(dāng)結(jié)構(gòu)處于某種狀態(tài)時，它的機(jī)械阻抗是恒定的。如果結(jié)構(gòu)的狀態(tài)發(fā)生變化，它的機(jī)械阻抗也會發(fā)生相應(yīng)變化。所以，可以通過測量結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗值來考察結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)損傷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的監(jiān)測［3］。由于結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗值直接測量十分困難，所以，可以通過測量貼在結(jié)構(gòu)表面的壓電材料的電阻抗來間接得到結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗。對結(jié)構(gòu)表面的壓電片施加交流電場使其產(chǎn)生機(jī)械振動，壓電片帶動本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動。本體結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動反作用于壓電片，使壓電片產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，電阻抗值發(fā)生變化，在壓電材料電阻抗的信號中包含了結(jié)構(gòu)損傷信息。其中，基于壓電陶瓷 （PZT）耦合特性的阻抗技術(shù)因工作頻率高 （30～500kHz），對結(jié)構(gòu)初始損傷敏感，對外界環(huán)境有免疫力，具有傳感與驅(qū)動的雙重功能，不依賴主體結(jié)構(gòu)模型，適用于復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。PZT傳感器體積小、質(zhì)量輕，對本體結(jié)構(gòu)影響很小，可以粘貼在已有結(jié)構(gòu)的表面或埋入新建結(jié)構(gòu)的內(nèi)部進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，是主動型健康監(jiān)測方法［4-5］。利用壓電阻抗技術(shù)識別結(jié)構(gòu)損傷在土木工程領(lǐng)域已有應(yīng)用。石油天然氣管道一般為鋼制管道，與土木工程結(jié)構(gòu)有相近之處，所以利用壓電阻抗技術(shù)對其進(jìn)行健康監(jiān)測具有可行性。

2 油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成

油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)框架如圖1所示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊由布設(shè)在油氣管道上的PZT傳感器和采集卡組成。在滿足監(jiān)測要求的前提下盡可能減少PZT傳感器的布設(shè)數(shù)量，以減少數(shù)據(jù)傳輸量。該模塊基于近端或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸平臺將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)行初期采用有線傳輸方式，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集可以通過RS232串口與數(shù)據(jù)信號處理模塊相連，通過AT指令控制模塊實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)通信功能。

2）數(shù)據(jù)信號處理模塊 數(shù)據(jù)信號處理模塊由信號放大器和壓電阻抗分析儀組成，該模塊將傳輸來的數(shù)據(jù)或信號放大后進(jìn)行處理和分析，具有標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展、混合并行模式、多層次互聯(lián)的特性。在滿足運(yùn)算速度要求的前提下，要求DSP的功耗小，電路設(shè)計(jì)簡單，軟件開發(fā)容易。信號處理模塊的主要技術(shù)指標(biāo)包括：①輸入模擬信號，通道數(shù)為32路，信號頻率為0～800kHz；②通訊接口，RS422口及RS232接口各1個，自定義的通用IO口16位；③輸出模擬信號通道數(shù)為2路；④LCD彩色顯示屏；⑤運(yùn)算能力，實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理。

3）管道損傷識別模塊 管道損傷識別模塊的主要功能是判別管道是否有損傷、確定損傷的程度及位置，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的模塊，在運(yùn)行該模塊之前需要對壓電管道模型運(yùn)動方程和相應(yīng)信號進(jìn)行修正。該模塊采用智能算法，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行損傷識別。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，以方差及協(xié)方差等結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，以損傷位置和損傷程度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)損傷識別過程。

4）管道健康狀況評估模塊 管道健康狀況評估模塊的主要功能是評估管道損傷后的剩余強(qiáng)度，對強(qiáng)度儲備進(jìn)行可靠性分析，根據(jù)損傷的類型預(yù)測管道的使用壽命。在該模塊中采用的評估標(biāo)準(zhǔn)［6］主要有：①ASEM B31G準(zhǔn)則—— 《腐蝕管道剩余強(qiáng)度的簡明評價方法》；②英國電力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 《有缺陷結(jié)構(gòu)完整性的評價標(biāo)準(zhǔn)》（CEEB-R／H／R6）；③中國石油天然氣集團(tuán)公司制定的 《含缺陷油氣輸送管道剩余強(qiáng)度評價方法》（SY／T6477-2000）。在現(xiàn)有以上3種評估標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)損傷類型選取適當(dāng)?shù)脑u價準(zhǔn)則進(jìn)行管道健康狀況評估。

5）管道維修養(yǎng)護(hù)對策模塊 管道維修養(yǎng)護(hù)對策模塊的主要功能是判斷險情類型、評估隱患險情程度、對事故程度進(jìn)行分類，對未失效的管道采取維護(hù)或維修措施［7］。油氣管道維修包括修理、維護(hù)和更換。修理是指對失效管道的搶修，適用于對管道故障沒有充分了解、缺乏事前的準(zhǔn)備的情況，是管道發(fā)生故障后才進(jìn)行的。維護(hù)是為降低管道失效概率，防止管道性能退化，按事前設(shè)計(jì)方案或相關(guān)技術(shù)條件規(guī)定進(jìn)行的，也稱預(yù)防性維修。更換是指更換管道或相關(guān)設(shè)備，是管道維修所采用的措施之一。該模塊將根據(jù)管道健康狀況評估結(jié)果提出相關(guān)維修對策。

圖1 油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)

3 構(gòu)建油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)期成果

利用壓電阻抗技術(shù)構(gòu)建油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)期成果主要包括以下幾個方面：建立壓電片-粘結(jié)層-管道的耦合智能結(jié)構(gòu)模型；利用壓電阻抗分析儀進(jìn)行多路數(shù)據(jù)處理；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與信號去噪技術(shù)；實(shí)現(xiàn)油氣管道損傷的在線監(jiān)測；事故報警與管道維修養(yǎng)護(hù)提醒；建立管道安全運(yùn)行的智能化管理系統(tǒng)。

總之，筆者提出基于壓電阻抗技術(shù)的油氣管道健康監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)油氣管道完整性管理和安全運(yùn)營的可行路線，但建立該系統(tǒng)尚有很多問題需要解決，這里只提出了初步框架，關(guān)鍵技術(shù)問題有待深入研究。

［1］姚安林，徐濤龍，李又綠，等 ．國內(nèi)油氣管道完整性管理應(yīng)予以重視的問題 ［J］．油氣儲運(yùn)，2010，29（10）：721-726．

［2］潘旭海，蔣軍成 ．重 （特）大泄露事故統(tǒng)計(jì)分析及事故模式研究 ［J］．化學(xué)工業(yè)與工程，2002（3）：248-252．

［3］焦莉，李宏男．PZT的EMI技術(shù)在土木工程健康監(jiān)測中的研究進(jìn)展 ［J］．防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2006，26（1）：102-108．

［4］朱宏平 ．結(jié)構(gòu)損傷檢測的智能方法 ［M］．北京：人民交通出版社，2003．

［5］Park S．PZT-based active damage detection techniques for steel bridge components ［J］．Smart Materials and Structures，2006，15：957-966．

［6］邵娜 ．油氣長輸管道剩余強(qiáng)度的評價方法研究 ［D］．沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2009．

［7］陳利瓊，張鵬 ．基于風(fēng)險的油氣管道維修及搶險流程 ［J］．油氣儲運(yùn)，2008（7）：1-5．