陳建勛，林冠堂，彭曉軍

（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，廣東珠海 519002）

0 引言

化工園區(qū)的長輸架空管道一般數(shù)條甚至十幾條集中鋪設在公共管廊上，管道內(nèi)部輸送的是各種化工、化學物料，大多數(shù)為易燃易爆或有毒介質(zhì)[1-2]。公共管廊通常蜿蜒數(shù)十千米，涉及總長數(shù)千千米壓力管道，架空管道受基礎(chǔ)不均勻沉降、局部變形、腐蝕減薄等因素影響，運行過程中可能產(chǎn)生安全隱患，若一條管道的一個部位出現(xiàn)問題，便會造成整條管廊事故，影響力大，破壞力強[3-4]。受現(xiàn)場條件制約，現(xiàn)有常規(guī)管道檢測手段很難準確地對架空管道整體進行可靠的安全風險評估，可在傳統(tǒng)壓力管道定期檢驗安全評估方法基礎(chǔ)上，建立一套符合在役架空管道實際應用的架空管道流固耦合模型進行仿真分析，得到架空管道在流動載荷下的受力和振動特征[5-6]。為提高風險評估的可靠性，需通過現(xiàn)場試驗對實際振動情況進行研究，并綜合分析仿真結(jié)果，經(jīng)模型修正后共同建立管道安全風險評估原則。

三軸加速度傳感器具有體積小和重量輕的特點，可以測量空間加速度，能夠全面準確反映物體的運動性質(zhì)，該傳感器在坡度測試、人體行為識別、故障監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)得到大量應用[7-9]。振動測試是安全風險評估的重要輔助手段，為全方位了解管道振動狀況，可采用三軸加速度傳感器對架空管道典型位置軸向、切向和徑向進行多點三方向加速度測試，并可進一步對振動頻率、振動速度和振動幅度進行分析。受管道長度和架空高度的影響，有線監(jiān)測手段難以滿足實際測試要求，因此需要開發(fā)專門針對長輸架空管道的振動狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)，應用于戶外管道多節(jié)點同步監(jiān)測。

1 測試原理

通過在長輸架空管道不同節(jié)點處布置三軸加速度傳感器用于管道軸向、切向和徑向振動加速度在線采集，并將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給計算機終端。將獲得的“加速度-時間”離散數(shù)據(jù)序列進行連續(xù)化處理以達到積分條件。對加速度進行積分運算計算出振動速度，計算時加速度為零時的速度對應該震蕩周期內(nèi)的最大速度，加速度值最大的時刻對應該周期內(nèi)的速度為零，以此確定具體的積分原函數(shù)。對速度曲線進行進一步積分計算出各個數(shù)據(jù)點處的位移值，確定振動位移原函數(shù)時可認為加速度曲線上數(shù)據(jù)最大的點對應最大位移。對“加速度-時間”離散數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，可得出加速度頻域分析曲線，通過頻域曲線可分析出管道振動的頻率構(gòu)成和不同振動頻率下的振動能量大小。

2 系統(tǒng)組網(wǎng)

監(jiān)測系統(tǒng)采用2.4 G無線通訊技術(shù)，系統(tǒng)最多可同時配置16 個振動測試節(jié)點，以管道現(xiàn)場3 節(jié)點組網(wǎng)為例，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。數(shù)據(jù)終端或分布式節(jié)點處的無線通訊模塊或加速度傳感器分別由各自的鋰電池提供直流24 V供電。信號轉(zhuǎn)換模塊用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端處無線通訊模塊的RS485 信號和PC機的USB信號相互轉(zhuǎn)換。分布式節(jié)點處的無線通訊模塊直接通過RS485通訊方式獲取各自加速度傳感器的數(shù)字信號。各個無線通訊模塊之間通過射頻天線進行2.4 GHz數(shù)據(jù)透傳。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

選用ACC345H型數(shù)字式三軸加速度傳感器，該傳感器采用RS485 串口通訊模式，可設置傳感器加速度量程從±2g到±16g改變，可設置“應答式”和“自動吞吐”式數(shù)據(jù)獲取方式。該傳感器既可單獨測試某軸方向的加速度信號，也可同時測試X 軸、Y 軸和Z 軸3 個方向的加速度信號。在3 個軸同時自動數(shù)據(jù)吞吐模式下，每軸的數(shù)據(jù)接收頻率最大可達到400 Hz，考慮實際應用條件，在架空管道振動測試前通過配置軟件設置加速度傳感器采樣頻率為50 Hz，量程為±2g。如圖2所示，測試前通過傳感器上的4個磁吸座安裝于架空管道上，并調(diào)節(jié)磁吸座的高度使Z軸方向為近似鉛垂方向。

所用無線通訊模塊如圖3 所示。該模塊為實時可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)?.4 G 頻段高速無線數(shù)傳電臺，采用DC9～35 V 直流外部供電，可連接外部模塊實現(xiàn)RS485 通訊，傳輸速率高，可雙向同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)，有效數(shù)據(jù)傳輸距離2 km，具有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠的特點，尤其適合點多而分散、地理環(huán)境復雜等場合。該數(shù)傳電臺模塊可在半雙工和全雙工兩種通訊模式下工作，由于本系統(tǒng)采用的三軸加速度傳感器預先設置為自動吞吐數(shù)據(jù)傳輸模式，因此，設置該模塊的工作模式為半雙工無線透傳模式。

圖2 傳感器安裝方法

圖3 無線通訊模塊

組網(wǎng)前需設置三軸加速度傳感器和無線通訊模塊串口通訊參數(shù)一致，RS458 通訊波特率統(tǒng)一設置為115 200 bit/s，奇偶校驗方式為“8N1”。

3 軟件系統(tǒng)

利用VB 語言通過Visual Basic 6.0 開發(fā)平臺進行監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)，軟件運行流程如圖4 所示。開始測試時首先用戶設置通訊串口號、波特率和校驗方式等通訊參數(shù)，隨后進行無線組網(wǎng)測試，若各個分布式模塊與計算機通訊成功則直接獲取數(shù)據(jù)節(jié)點發(fā)送的加速度數(shù)字信號，否則要求操作者重新設置通訊參數(shù)或檢查硬件連接是否正常，重新進行組網(wǎng)測試。計算機獲得數(shù)字幀數(shù)據(jù)后依據(jù)模塊地址對數(shù)據(jù)進行分類，提取出加速度數(shù)據(jù)序列，通過積分運算計算出速度和位移，并進行數(shù)據(jù)顯示與存儲。當系統(tǒng)接收到用戶的停止數(shù)據(jù)監(jiān)測命令后結(jié)束測試。

軟件中需要對三軸加速度傳感器傳回的數(shù)字幀進行解碼，傳感器通過16進制數(shù)據(jù)幀格式對外發(fā)送數(shù)據(jù)，一幀數(shù)據(jù)中個字節(jié)含義如表1所示。其中，標志符固定為“77”，地址碼為各個傳感器的通訊地址，用于通訊時區(qū)分不同傳感器發(fā)回的數(shù)據(jù)，對于三節(jié)點組網(wǎng)方式，傳感器地址碼可分別設置為“0×00”、“0×01”和“0×02”。第5部分為包含加速度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)域，由12個字節(jié)表示X方向、Y方向和Z方向3個字段的小端在前格式浮點型數(shù)據(jù)，每個字段各分配4個字節(jié)，單位為重力加速度g。

圖4 軟件運行流程圖

表1 傳感器自動吞吐對外發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

軟件數(shù)據(jù)界面如圖5 所示，為便于戶外現(xiàn)場在線分析，用戶可將測試現(xiàn)場的管道照片或模型圖片加載到軟件界面，并可標注出各個振動測試節(jié)點在管道上的具體位置。各個節(jié)點對應管道軸向、徑向和切向的加速度、速度和位移信號可通過文本和曲線動態(tài)顯示，數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)顯示刷新頻率和數(shù)據(jù)盤文件存儲頻率均設置為50 Hz。數(shù)據(jù)以.txt 文檔格式存儲于計算機硬盤指定文件路徑下，以開啟數(shù)據(jù)記錄的時刻為文件名，例如，文件“20200115T103030.txt”表示開始振動監(jiān)測的日期為2020年1月15日，時刻為10時30分30秒。

圖5 振動狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)界面

4 現(xiàn)場應用

該系統(tǒng)應用于某石化港口長輸架空管道振動監(jiān)測現(xiàn)場，傳感器戶外布置現(xiàn)場如圖6所示。系統(tǒng)的信號接收端如圖7所示，包括計算機、信號轉(zhuǎn)換模塊、無線通訊模塊和可充電鋰電池，其中，信號轉(zhuǎn)換模塊直接由計算機USB 端口供電，可充電鋰電池用于給無線通訊模塊供電。

圖6 傳感器布置現(xiàn)場

圖7 信號接收端

將待測管道某節(jié)點徑向加速度數(shù)據(jù)提取出20 s 進行分析，繪制出“加速度-時間”曲線，如圖8所示，可知振動加速度基本在0.1 m·s-2范圍內(nèi)，進一步分析時域曲線可得到該段時間內(nèi)最大加速度值和對應時刻。

圖8 某管道節(jié)點徑向振動加速度曲線

圖9 加速度信號頻域分析曲線

將圖8 中的加速度數(shù)據(jù)序列進行離散傅里葉變換，得出頻譜曲線，如圖9所示，在0～25 Hz頻譜范圍內(nèi)，各個頻率的振動能量分布比較均勻。通過頻譜曲線可分析出振動能量較大的主要頻率構(gòu)成。進一步分析時域曲線、頻域曲線和積分計算可得到振動狀況分析參數(shù)，如表2 所示，最大加速度為0.228 m/s，在5.1 Hz 頻率下振動能量最大，最大振動速度為3.42 mm/s，振動位移為0.05 mm。綜合數(shù)據(jù)分析可知，管道在該節(jié)點徑向的振動并不明顯。

表2 管道某節(jié)點鉛垂方向振動分析結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過2.4 G無線組網(wǎng)技術(shù)配合三軸加速度傳感器開發(fā)出長輸架空管道振動狀況無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在線記錄長輸管道多個分布式節(jié)點處軸向、徑向和切向振動加速度，通過積分運算可得出振動速度和振動位移，通過傅里葉變換進行頻譜分析可分析振動頻率組成。該系統(tǒng)可應用于長輸管道現(xiàn)場振動測試，用于輔助長輸架空管道安全風險評估。