， ，仕民，莉莉，

(1. 中國石油大學(北京) a. 機械與儲運工程學院； b. 油氣管道智能裝備實驗室，北京 102249；2.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，成都 610000)

管道對于石油、化工等領(lǐng)域的資源輸送起著越來越重要的作用。由于地形地貌、穿越區(qū)域(城區(qū)、河流、公路等)及保護管道安全的需要，管道通常埋設(shè)于地面或海床以下一定深度。隨著服役年限的逐漸增長，這些埋地管道常常出現(xiàn)懸空現(xiàn)象[1-4]。管道懸空現(xiàn)象的發(fā)生會對埋地管道的安全有較大威脅，可能導致管道泄漏、折斷等重大安全事故。因此，管道的懸空檢測問題也越來越受到的重視。

傳統(tǒng)的懸空檢測技術(shù)均是在管道外部觀測或檢測管道懸空狀況，受到地形地貌復雜、檢測效率低、檢測周期長、檢測結(jié)果不精確等問題困擾，已不能滿足埋地管道懸空檢測需求[5-8]。

鑒于此，開展了一種管內(nèi)主動激勵下的管道懸空內(nèi)檢測技術(shù)研究。通過設(shè)計管道懸空內(nèi)檢測裝置，在管內(nèi)施加主動激勵載荷，通過對激勵和響應(yīng)信號的分析，辨識出管道的懸空情況。由于該方法是在管內(nèi)作業(yè)，因此規(guī)避了管外復雜的環(huán)境工況，減小了環(huán)境對檢測結(jié)果的干擾；由于是基于可控的管內(nèi)主動激勵，因此可以保證激勵及響應(yīng)信號的穩(wěn)定性，從而準確辨識管道懸空情況；由于管道懸空內(nèi)檢測裝置在管內(nèi)一次運行即可檢測管道的懸空情況，因此作業(yè)效率相對較高。綜上所述，該方法對于檢測石油、化工、城市燃氣、蒸汽等工業(yè)及民用領(lǐng)域內(nèi)的埋地管道有廣闊的應(yīng)用前景。

通過初步試驗與數(shù)值模擬分析，研究了管道內(nèi)部定點靜態(tài)載荷作用下的管道懸空檢測問題，獲得了一定進展[9-11]。本文基于前期研究成果，運用試驗方法進一步探究移動載荷主動激勵作用下的懸空檢測問題。

1 檢測原理與試驗

在管道中，懸空檢測裝置由清管器或其它管內(nèi)作業(yè)設(shè)備拖動前進，并在移動過程中發(fā)出振動激勵，與檢測器相接觸的管道局部區(qū)域受到激勵作用而振動。檢測器中的信號采集系統(tǒng)捕獲激勵及響應(yīng)信號，通過對比分析不同區(qū)域捕獲到的信號得出管道的懸空狀況。

懸空檢測裝置管內(nèi)移動速度越快，檢測效率就越高。為了探究管道內(nèi)部移動載荷主動激勵作用下管道懸空內(nèi)檢測方法的可行性及移動速度對檢測效果的影響規(guī)律，設(shè)計了如圖1所示的懸空檢測試驗裝置。由于管道由鋼板卷曲而成，管道內(nèi)外表面曲率無限增大即為鋼板，因此首先采用鋼板代替管道進行懸空檢測試驗，將鋼板上方的空間視為管道內(nèi)部，其上表面視為管道內(nèi)表面。試驗裝置主要由1塊Q235的1000 mm×200 mm×5 mm鋼板(鋼板厚度參考8 in管道)、兩端支撐(黏性黃土)及懸空檢測裝置組成。兩端黃土支撐部分各長200 mm，中間懸空部分長度為600 mm，分別用來代替管道的支撐段和懸空段。為了使支撐段盡可能接近管道埋地工況，對鋼板做了壓實處理，保證鋼板和黃土的緊密接觸。

信號發(fā)生、激勵與采集裝置如圖2所示，主要包括：一個信號發(fā)生器(UTG 9003 A)、一個功率放大器(GR-100)、懸空檢測裝置、一套NI采集系統(tǒng)(NI cRIO-9076實時控制器+NI 9234采集模塊)和一臺PC。

圖1 懸空檢測試驗裝置

圖2 懸空檢測振動信號發(fā)生、激勵與采集裝置

表1為試驗中所采用的加速度傳感器的性能參數(shù)。

表1 加速度傳感器性能參數(shù)

由圖2中的信號發(fā)生器發(fā)出并由功率放大器放大后的激勵信號(試驗中為正弦掃頻信號)輸入懸空檢測裝置中，使其內(nèi)部的激振器起振，該振動將激勵起與三支撐腿相接觸的被檢測鋼板局部區(qū)域振動。加速度傳感器1和2分別采集激勵信號及被檢測鋼板的響應(yīng)信號，并存入NI采集系統(tǒng)，最終通過PC進行結(jié)果分析。懸空檢測裝置以一近似恒定速度由手搖絞盤拖動前進，并在前進過程中不間斷進行上述信號發(fā)生、被測結(jié)構(gòu)振動與響應(yīng)信號采集過程，因此懸空檢測裝置在位移過程中的每一微元時間段內(nèi)可以檢測其所在位置鋼板局部區(qū)域的懸空情況。

因為懸空檢測裝置移動狀態(tài)下持續(xù)采集的激勵及響應(yīng)信號是一個整體，為了有效分析被測結(jié)構(gòu)不同區(qū)間段的懸空情況，需要對信號整體做劃分處理。分別采用SD 1(Signal division method 1)和SD 2(Signal division method 2)2種不同的信號劃分方法對激勵及響應(yīng)信號進行劃分。SD 1信號劃分方法以N*FC(FC為激勵信號掃頻周期，N為周期個數(shù))為時間標尺，在不重復利用信號的情況下將信號整體等長度劃分成n段，每一分段信號包含了對應(yīng)時間段內(nèi)懸空檢測裝置移動經(jīng)過的被測結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的平均懸空情況。SD 2信號劃分方法同樣以N*FC為時間標尺，但相鄰的分段信號相互有重疊區(qū)域。時間標尺的選擇將隨著懸空裝置的移動速度、所需的最小懸空檢測長度及檢測精度的變化而變化。SD 1主要用于劃分懸空檢測裝置移動速度較低狀態(tài)下所采集到的信號，SD 2則主要用于劃分移動速度相對較高狀態(tài)下所采集到的信號。因為在激勵信號掃頻速率一定情況下，過快的移動速度會使懸空檢測裝置相同時間內(nèi)所移動經(jīng)過的距離更長，從而降低了檢測精度。并有可能導致被測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時間不夠充分，從而無法獲取真實的懸空狀態(tài)信息。因此，在懸空檢測裝置相對較高移動速度時，在能夠保證被測結(jié)構(gòu)局部區(qū)域響應(yīng)充分的情況下，采用SD 2信號劃分方法能夠一定程度提高檢測精度，從而更清晰準確地辨識懸空情況。

為探究移動速度對懸空檢測效果的影響規(guī)律，共進行了4組不同工況的試驗，每組試驗重復了5次，具體試驗參數(shù)如表2所示。

表2 試驗參數(shù)

2 信號處理與分析方法

采集到的信號由Matlab程序進行處理分析，信號處理流程如圖3所示。將分段后的信號依次編號為相對檢測位置1, 2, 3,…j。頻率響應(yīng)函數(shù)采用式(1)計算：

(1)

式中：j表示某一相對檢測位置；Fres(j)表示相對檢測位置j處快速傅里葉變換后的響應(yīng)信號；Fexc(j)表示該處快速傅里葉變化后的激勵信號；FRj則代表該位置的頻響函數(shù)。

將同一組試驗中，各個相對檢測位置的頻響函數(shù)曲線的幅值以灰度深淺表示、縱坐標表示頻率、橫坐標表示相對檢測點位置，就可以獲得頻響函數(shù)隨相對檢測位置變化的二維灰度分布圖，從而可以根據(jù)灰度圖的變化趨勢辨識出懸空情況。

3 試驗結(jié)果分析

經(jīng)過初步分析，各組重復試驗結(jié)果差異較小，統(tǒng)一選取各組第2次重復試驗數(shù)據(jù)進行分析。4組試驗的頻響函數(shù)二維灰度分布圖如圖4所示,其中橫坐標表示相對檢測位置，其意義在第2章節(jié)中已有說明，單位為1。

圖3 信號處理流程

圖4 頻響函數(shù)二維灰度分布

從圖4中可以看到，在①區(qū)域(虛線大框區(qū)域)中存在一些共同現(xiàn)象：兩端的相對檢測位置在同一頻率(約50 Hz)均有灰度區(qū)域；中間的相對檢測位置在同一頻率(約15 Hz)均有灰度區(qū)域；標記為a范圍(虛線小框區(qū)域)內(nèi)存在著隨著懸空檢測裝置移動速度變大而逐漸深度加強、灰度范圍變大的灰度區(qū)。圖4d中無法觀察到任何有規(guī)律的現(xiàn)象。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是，支撐段相對于懸空段的彎曲剛度更大，因此有更高的一階固有頻率。根據(jù)圖中50 Hz及15 Hz灰度的變化情況可以有效辨識出一階固有頻率，從而確定懸空的出現(xiàn)及其長度，計算出的懸空長度如表3所示。由于懸空檢測裝置是在移動狀態(tài)下采集激勵及響應(yīng)信號，有可能存在振動響應(yīng)不充分的問題，且信號劃分方法決定了灰度分布圖表示的是被測結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的平均懸空情況，因此速度越高，a范圍內(nèi)存在的、干擾懸空辨識的灰度就越明顯。懸空檢測裝置移動速度超過一定值后，被測結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號完全無法采集，所以出現(xiàn)了如圖4d所示的情況。根據(jù)試驗研究結(jié)果可以得出，懸空檢測裝置移動狀態(tài)下檢測懸空狀態(tài)具有可行性，但移動速度對懸空檢測結(jié)果有較大影響，在本文所提出的試驗參數(shù)下，當速度不超過112.5 mm/s時，懸空狀態(tài)可以有效辨識；當速度超過150 mm/s時，懸空狀態(tài)很難辨識。上述結(jié)論與前期研究結(jié)果[10]相呼應(yīng)。

表3 檢測到的懸空長度

4 結(jié)論

1) 通過試驗研究，確定了懸空檢測裝置移動狀態(tài)下檢測懸空狀態(tài)的可行性。

2) 提出了針對懸空檢測裝置移動狀態(tài)下所采集到的振動信號的信號劃分方法及用于懸空特征辨識的二維頻響函數(shù)灰度分布圖譜。

3) 明確了懸空檢測裝置移動速度對懸空檢測效果的影響規(guī)律。為了得出較好的檢測效果、盡可能地提高檢測效率，需要綜合所需的最小懸空檢測長度、檢測精度及灰度圖譜辨識效果確定移動速度及信號劃分方法。