管道實(shí)時(shí)應(yīng)力的獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種管道實(shí)時(shí)應(yīng)力的獲取方法。 技術(shù)背景
[0002] 管道的應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，特別是在石油、化工、能源行業(yè)較為廣泛，通常管道在 運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，特別是高溫高壓管道，由于長(zhǎng)期處于高溫高壓工作狀態(tài)，在內(nèi)壓和 外部載荷的作用下，易發(fā)生疲勞損傷，可能會(huì)導(dǎo)致管道開(kāi)裂、管內(nèi)流體泄露甚至管道斷裂， 容易發(fā)生重大安全事故。隨著對(duì)在役管道的安全性要求的提高，需要一個(gè)安全指標(biāo)來(lái)描述 管道安全性?，F(xiàn)階段描述管道安全的指標(biāo)包括了定性安全指標(biāo)和定量安全指標(biāo)。定性指標(biāo) 包括許用速度、許用位移等。通過(guò)測(cè)量危險(xiǎn)點(diǎn)的振動(dòng)速度和振動(dòng)位移與安全指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比， 如果測(cè)量值小于安全指標(biāo)，那么管道安全，如果測(cè)量值大于安全指標(biāo)，則需要進(jìn)一步的分析 和評(píng)價(jià)。該方法為定性評(píng)價(jià)方法，同時(shí)該方法危險(xiǎn)點(diǎn)的確定W人為經(jīng)驗(yàn)為依托，容易遺漏隱 藏危險(xiǎn)點(diǎn)，安全隱患較大。而定量指標(biāo)主要為應(yīng)力。通過(guò)獲取管道應(yīng)力，可W判斷管道狀態(tài) 及預(yù)測(cè)管道壽命?，F(xiàn)階段，管道應(yīng)力獲取方法包括應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)量。應(yīng)變片測(cè)量對(duì)貼 片表面要求高，實(shí)際工況下不允許改變管道固有結(jié)構(gòu)。由此需要一種新的管道應(yīng)力獲取方 法，快速、全面、準(zhǔn)確的獲取整條管線所需的應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有的管道應(yīng)力檢測(cè)存在應(yīng)變片測(cè)量對(duì)貼片表面要求高、實(shí)際工況下 不允許改變管道固有結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供了一種無(wú)需在管道表面粘貼應(yīng)變片，無(wú)需改變管道 固有結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地獲取管道應(yīng)力參數(shù)的管道實(shí)時(shí)應(yīng)力的獲取方法。
[0004] 管道實(shí)時(shí)應(yīng)力的獲取方法，包括W下步驟：
[0005] 1)、沿被測(cè)管道軸向安裝一系列測(cè)量傳感器，測(cè)量傳感器為非接觸式的加速度傳 感器或位移傳感器，測(cè)量傳感器等距離設(shè)置，每個(gè)測(cè)量傳感器作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量傳 感器獲取的振幅輸入處理器中； 陽(yáng)006]2)、實(shí)時(shí)獲取每個(gè)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)刻的位移，位移分別為y。，yi，72,…，y。，管道應(yīng)力σ 與位移y的關(guān)系為：
σ為管道側(cè)量點(diǎn)應(yīng)力，E為被測(cè)管道 的彈性模量，Μ為測(cè)量點(diǎn)彎矩，D為管道的外徑，I為管道慣性積，W變形前的管道軸線為X軸，垂直于管道軸線向上為y軸正向； 陽(yáng)007] 3)、W每相鄰的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值為一組構(gòu)建振動(dòng)-應(yīng)力模型
[0008]
[0009] 其中，σ表示中間位置的測(cè)量點(diǎn)的等效振動(dòng)應(yīng)力，
[0010] 表示第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位移， W11]X表示前后相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離，X=Xi-Xi1=Xw-Xi;
[0012] 4)、假設(shè)有n+1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用第2~η個(gè)測(cè)量點(diǎn)的等效振動(dòng)應(yīng)力擬合成整條管道的 應(yīng)力曲線。
[0013] 本發(fā)明中，第一步為獲取管線振動(dòng)應(yīng)力的采集準(zhǔn)備工作。第二步為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲 取、W每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量傳感器獲取的實(shí)際信號(hào)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第Ξ步為將現(xiàn)階段能簡(jiǎn)單獲 取到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)模型規(guī)則轉(zhuǎn)化成所需的應(yīng)力，該模型規(guī)則為管道應(yīng)力σ與位移y的關(guān) 系：
。第四步為W連續(xù)的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為一組，將單點(diǎn)應(yīng)力的擴(kuò) 展獲取整條管線的應(yīng)力分布曲線。整個(gè)方案的關(guān)鍵在于第Ξ步如何獲取到的振動(dòng)加速度或 者振動(dòng)位移轉(zhuǎn)化成振動(dòng)應(yīng)力。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、使用非接觸式傳感器獲取振動(dòng)信號(hào)，無(wú)需在被測(cè)管道表面 粘接應(yīng)變片，無(wú)需改變被測(cè)管道的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，初始時(shí)將測(cè)量傳感器安裝完畢即可自動(dòng)、實(shí)時(shí) 地采集信號(hào)。
[0015] 2、單點(diǎn)振動(dòng)為徑向振動(dòng)只能得到振動(dòng)量相對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)，而應(yīng)力是振動(dòng)量相 對(duì)軸向長(zhǎng)度的二階導(dǎo)數(shù)，由此通過(guò)單一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)法較好還原該點(diǎn)的應(yīng)力變化情況， 數(shù)據(jù)分析較為復(fù)雜，現(xiàn)階段還沒(méi)有一個(gè)表達(dá)式能關(guān)聯(lián)單點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)與應(yīng)力。采用Ξ點(diǎn)測(cè)量 的方式，優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)測(cè)點(diǎn)邊上兩點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)很好彌補(bǔ)單一測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)法計(jì)算獲 取應(yīng)力的不足，通過(guò)上面推導(dǎo)得到的公式能通過(guò)兩側(cè)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)合測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算出測(cè) 點(diǎn)的振動(dòng)量相對(duì)軸向長(zhǎng)度的二階導(dǎo)數(shù)，即應(yīng)力，同時(shí)隨著測(cè)量點(diǎn)數(shù)的增加，能獲取到的應(yīng)力 點(diǎn)和總測(cè)點(diǎn)的比例越來(lái)越高，即η個(gè)傳感器能獲取到n-2個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力，η越大，（n-2) /η越 取向于1，通過(guò)該方法可W獲取整條管線的應(yīng)力布局情況。同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)下對(duì)于振動(dòng)量的獲 取較為簡(jiǎn)單，同時(shí)精度高，運(yùn)樣也保證了應(yīng)力獲取的準(zhǔn)確性和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的流程圖。 陽(yáng)017] 圖2是測(cè)量點(diǎn)的分布示意圖。
[001引圖3是梁變形前后示意圖，其中（a)是變形前的示意圖，化）是變形后的示意圖。
[0019] 圖4是變形梁的截面圖。
[0020] 圖5是曉曲幾何原理圖。
[0021] 圖6是兩端固定條件下的管道有限元模型。
[0022] 圖7是兩端固定管道應(yīng)力仿真結(jié)果。
[0023] 圖8是兩端固定管道位移仿真結(jié)果。
[0024] 圖9是應(yīng)力分析路徑圖
[00巧]圖10是基于振動(dòng)-應(yīng)力模型與仿真分析應(yīng)力對(duì)比結(jié)果。
[00%] 圖11是基于振動(dòng)-應(yīng)力模型得到應(yīng)力的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。
[0027] 圖12是兩端固定管道第四階模態(tài)振動(dòng)下的仿真應(yīng)力分布云圖。
[0028] 圖13兩端固定管道第四階模態(tài)振動(dòng)下仿真應(yīng)力曲線與基于模型獲得的應(yīng)力曲 線.
[0029] 圖14是兩端固定管道第五振動(dòng)模態(tài)下的仿真應(yīng)力云圖。
[0030] 圖15是兩端固定管道第五階模態(tài)振動(dòng)下仿真應(yīng)力曲線與基于模型獲得的應(yīng)力曲 線
[0031] 圖16是懸臂管道應(yīng)力云圖。
[0032] 圖17是懸臂管道基于模型獲得的應(yīng)力曲線與仿真分析獲得的應(yīng)力曲線對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 如圖1所示，管道實(shí)時(shí)應(yīng)力的獲取方法，包括W下步驟：
[0034] 1)、沿被測(cè)管道軸向安裝一系列測(cè)量傳感器，測(cè)量傳感器為非接觸式的加速度傳 感器或位移傳感器，測(cè)量傳感器等距離設(shè)置，每個(gè)測(cè)量傳感器作為一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量傳 感器獲取的振幅輸入處理器中；
[0035] 2)、實(shí)時(shí)獲取每個(gè)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)刻的位移，位移分別為y。，yi，72,…，y。，管道應(yīng)力σ 與位移y的關(guān)系為
σ為管道側(cè)量點(diǎn)應(yīng)力，E為被測(cè)管道 的彈性模量，Μ為測(cè)量點(diǎn)彎矩，D為管道的外徑，I為管道慣性積，W變形前的管道軸線為X軸，垂直于管道軸線向上為y軸正向；
[0036] 3)、W每相鄰的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值為一組構(gòu)建振動(dòng)-應(yīng)力模型
[0037]
[0038] 其中，σ表示中間位置的測(cè)量點(diǎn)的等效振動(dòng)應(yīng)力，
[0039] 表示第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位移， W40] X表示前后相鄰兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離，X=Xi-Xi1=Xw-Xi;
[0041] 4)、假設(shè)有n+1個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用第2~η個(gè)測(cè)量點(diǎn)的等效振動(dòng)應(yīng)力擬合成整條管道的 應(yīng)力曲線。
[0042] 本發(fā)明中，第一步為獲取管線振動(dòng)應(yīng)力的采集準(zhǔn)備工作。第二步為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲 取、W每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量傳感器獲取的實(shí)際信號(hào)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。第Ξ步為將現(xiàn)階段能簡(jiǎn)單獲 取到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)模型規(guī)則轉(zhuǎn)化成所需的應(yīng)力，該模型規(guī)則為管道應(yīng)力σ與位移y的關(guān) 系：
。第四步為W連續(xù)的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為一組，將單點(diǎn)應(yīng)力的擴(kuò)展獲取整條管 線的應(yīng)力分布曲線。整個(gè)方案的關(guān)鍵在于第Ξ步如何獲取到的振動(dòng)加速度或者振動(dòng)位移轉(zhuǎn) 化成振動(dòng)應(yīng)力。
[0043] 下面，我們介紹彎曲狀態(tài)下，應(yīng)力與彎矩存在關(guān)系推到過(guò)程。將管道看做梁，梁在 彎曲變形前和變形后的梁段分別表示于圖3中a,b所示。
[0044] 根據(jù)平面假設(shè)，變形前相距dx的兩個(gè)橫截面，變形后各自繞中性軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)了一 個(gè)角度dΘ并仍保持為平面。運(yùn)就使得距中性層為y的梁纖維化的長(zhǎng)度變成：
[0045]
(1)
[0046] 式中：P為中性層的曲率半徑。纖維化的原長(zhǎng)度為虹，且茲奴=:品。由于變 形前、后中性層纖維00的長(zhǎng)度不變，故有：
[0047]
(2) W48] 根據(jù)關(guān)于應(yīng)變的定義，求得纖維化的應(yīng)變?yōu)?br>[0049]
0、
[0050] 由此可見(jiàn)，縱向纖維的應(yīng)變與它到中性層的距離成正比。
[0051] 由于縱向纖維之間無(wú)正應(yīng)力，每一纖維都是單向拉伸或者壓縮。由胡克定律得 到：
[0052] σ=Eε(4)
[0053] 將式3代入式4得：
[0054]
獄 陽(yáng)化5] 運(yùn)表明，任意縱向纖維的正應(yīng)力與它到中性層的距離成正比。
[0056] 橫截面上的微應(yīng)力σdA組成垂直于橫截面的空間平行力系如圖2所示（圖中只 畫(huà)出了力系中的一個(gè)微內(nèi)力odA)。
[0057] 運(yùn)一力系只可能簡(jiǎn)化成Ξ個(gè)內(nèi)力分量，如圖4所示，即平行于X軸的軸力Fw對(duì)y軸 和Z軸的力偶距％和Μ1Z。它們分別是
[0058] Fn= /A0dA,Miy= /αΖσdA,Miz= /αΥ0dA, (6)
[0059] 橫截面上的內(nèi)力與左側(cè)截面上的外力平衡。在純彎曲情況下，截面左側(cè)的外力只 有對(duì)Z軸力偶Me。由于內(nèi)、外力必須滿足平衡方程SFx= 0和SMy= 0,故有Fw= 0和Miy =0,即
[0060] Fn= /A〇 0dA= 0 (7)
[0061] Miy= /aZοdA= 0 (8)
[0062] 運(yùn)樣，橫截面上的內(nèi)力最終只歸結(jié)為一個(gè)力偶矩Miz它也就是彎矩M，即
[0063] Miz= /aZ0dA= 0 (9) W64] 根據(jù)平衡方程，彎矩Μ和外力偶矩Me大小相等，方向相反。 W65] 將式5代入式7,得
[0066]
Π0)
[0067] 式中常量，不等于零，故必須有/AydA=S,= 0,即必須橫截面對(duì)Z軸的靜矩 等于零，亦即Z軸（中性軸）通過(guò)截面形屯、。完全確定了Z軸和X軸的位置。中性軸通過(guò) 截面形屯、又包含在中性層內(nèi)，所W梁截面的形屯、軸線也在中性層內(nèi)，其長(zhǎng)度不變。 W側(cè)將式5代入式8,得
[0069]
打0
[0070] 式中積分/AyzdA=ly虎橫截面對(duì)y和Z軸的慣性積。由于y軸是橫截面的對(duì) 稱軸，必然有l(wèi)y,= 0。所W上式成立。
[0071] 將式5代入式9,得
[0072]
(。） 陽(yáng)〇7引式中積分：
[0074] /y"dA=I,(蝴
[00巧]是橫截面對(duì)Z軸（中性軸）的慣性矩。于是式可W寫(xiě)成 [0076]
(14) 陽(yáng)077] 式中：一是梁軸線形變后的曲率。 P 陽(yáng)07引上式表明ΕΙζ越大，則曲率^誕小，故ΕΙζ稱為梁的抗彎剛度。從上式中和式5中 消去爵Ρ
[0079]
奸巧
[0080] 由此得到了純彎曲時(shí)正應(yīng)力的計(jì)算公式。對(duì)圖所取坐標(biāo)系