壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統及其評價方法
2023-05-22 20:44:21
壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統及其評價方法
【專利摘要】本發明公開了壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統，屬於壓力鋼管【技術領域】，用於監測壓力鋼管及伸縮節的運行參數，其包括遠程監控計算機、數據採集計算機、數據採集儀、傳感器放大器、焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器加速度傳感器和位移傳感器；遠程監控計算機與現場的數據採集計算機通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機與數據採集儀相連；數據採集儀與各傳感器放大器相連。本發明還公開了採用該系統的評價方法。本發明的系統全面評價壓力鋼管及伸縮節的運行狀態；結構簡單，易於安裝和實現，適宜大規模推廣應用；該系統的評價方法克服了現有技術中理論分析方式及監測參數評價方式的單一性問題。
【專利說明】壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統及其評價方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於壓力鋼管【技術領域】，具體涉及一種壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統及其評價方法。
【背景技術】
[0002]在水利水電工程輸水建築物中，壓力管道應用廣泛，其不僅承擔了水電站大部分或全部的水頭壓力，還承擔了因某些外界原因如閥門突然關閉、水輪機組突然停車等動水壓力的衝擊作用，這種水擊引起的管道內壓強是管道正常工作壓強的幾十倍甚至幾百倍，大幅度的壓強波動對壓力管道的影響是多維的，容易引起管道與鎮墩之間產生相對位移。鑑於此，國家相關部門對水電站壓力鋼管及伸縮節的安全運行有嚴格要求，需定期行安全檢測，然而在兩個檢測周期內，壓力鋼管及伸縮節運行中的任何安全問題都無法實時控制。
[0003]目前，對壓力鋼管的運行狀態實際監測都比較單一，如通過壓力鋼管應變的有限元計算和監測，對應變模態變化率進行識別，從而判斷壓力鋼管某部位的損傷狀態；或者從壓力鋼管的振動頻率與水流脈動壓力的對應關係出發，研究壓力鋼管及伸縮節脈動水壓力對壓力鋼管及伸縮節的影響。然而，伸縮節作為壓力鋼管輸送管路的特殊組成部分，運行狀態更為複雜，其缺陷發育狀態是時變的，在某一時段，依據有關準則判斷結構運行是安全的，但隨著時間的推移，結構運行處於不穩定狀態，而現有的監測與分析系統只對壓力鋼管及伸縮節的某一部分、某一參數或某一時段的運行狀態進行分析、研究與評價，這種方式存在較大的片面性，無法實時掌控其運行狀態，易致突發事件的產生。
[0004]
【發明內容】
發明目的:本發明的目的在於提供一種壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統，使其能實時監測和反饋壓力鋼管及伸縮節各種運行參數如位移、加速度、共振頻率、動水壓力、應變、溫度等參數，系統評價其運行狀態，克服以往監測過程與監測參數單一性問題；本發明的另一目的在於通過對監測數據的分析比較，提供壓力鋼管及伸縮節運行狀態全面系統的評價方法，克服已有理論分析與技術評價的片面性問題。
[0005]技術方案:為實現上述發明目的，本申請採用如下技術方案:
壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統，用於監測壓力鋼管及伸縮節的運行參數，其包括遠程監控計算機、數據採集計算機、數據採集儀、傳感器放大器、焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器；所述的遠程監控計算機與現場的數據採集計算機通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機與數據採集儀相連；數據採集儀與各傳感器放大器相連；各傳感器放大器與對應的焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器分別相連。
[0006]所述的壓力鋼管及伸縮節包括壓力鋼管和伸縮節；在所述的壓力鋼管及伸縮節上分別布置加速度信號測點，每個加速度信號測點上分別布置兩個水平向及一個豎直向的加速度傳感器；在所述的壓力鋼管上開孔來安裝測量管內流體壓力的動水壓力傳感器；所述的溫度傳感器在壓力鋼管或伸縮節上；所述的位移計在限位錐和沿豎直向支撐於地面的支架上均有設置；所述的焊接式應變計布置在壓力鋼管和伸縮節上應力集中的區域。
[0007]採用壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統的評價方法，包括以下步驟:
O儀器安裝
將焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器布置在壓力鋼管及伸縮節上；遠程監控計算機與現場的數據採集計算機通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機與數據採集儀相連；數據採集儀與各傳感器放大器相連；各傳感器放大器與對應的焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器分別相連；
2)數據採集和計算
各傳感器放大器將各傳感器攝取的信號傳遞給數據採集儀，通過對各加速度信號進行自譜分析，得出壓力鋼管及伸縮節在各振動方向的共振頻率；用壓力鋼管上的加速度信號作激勵信號，將伸縮節上的加速度信號與壓力鋼管上的加速度信號做傳遞函數分析，得出它們的共振頻率與放大倍數，預判當壩區發生地震時壓力鋼管的振動對伸縮節振動的影響程度；
3)設置閥值
設定壓力鋼管及伸縮節運行參數超限報警閥值；數據採集計算機將採集的數據與設定的閥值進行比較，當採集的運行參數超過設定閥值時系統發出聲、光報警信號；
4)數據傳輸
將步驟2)和步驟3)的數據傳輸給遠程監控計算機，實現實時監控；
5)數據存儲
將步驟2)的數據存儲起來，建立壓力鋼管及伸縮節運行參數如應變、位移、加速度、共振頻率與動水壓力及溫度變化之間的關係。
[0008]有益效果:與現有技術相比，本發明的壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統，通過全時段(定時採樣)不間斷地對壓力鋼管及伸縮節各種運行參數如位移、加速度、共振頻率、應變等參數的全方位監測，系統全面評價壓力鋼管及伸縮節的運行狀態；系統結構簡單，易於安裝和實現，適宜大規模推廣應用；本發明採用壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統的評價方法，建立壓力鋼管及伸縮節運行參數與動水壓力及溫度之間的關係；克服了現有技術中理論分析方式及監測參數評價方式的單一性問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統框圖；
圖2是壓力鋼管及伸縮節部分測點布置圖；
圖3是伸縮節位移監測示意圖。
具體實施例
[0010]下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
[0011]如圖1所示，壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統，其包括數據遠程監控計算機16、數據採集計算機1、數據採集儀2、傳感器放大器3、焊接式應變計4、動水壓力傳感器5、溫度傳感器6、加速度傳感器7和位移傳感器8 ;遠程監控計算機16通過無線或有線的方式與數據採集計算機I相連；數據採集計算機I與數據採集儀2相連；數據採集儀2與各傳感器放大器3相連；各傳感器放大器3分別與焊接式應變計4、動水壓力傳感器5、溫度傳感器
6、加速度傳感器7和位移傳感器8相連。
[0012]採用壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統的評價方法，包括以下步驟:
O儀器安裝
將焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器設置在壓力鋼管及伸縮節上；將遠程監控計算機與現場的數據採集計算機通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機與數據採集儀相連；數據採集儀與各傳感器放大器相連；各傳感器放大器與對應的焊接式應變計、動水壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器分別相連；
2)數據採集和計算
各傳感器放大器將各傳感器攝取的信號傳遞給數據採集儀，由數據採集計算機對採集的信號做進一步分析；通過對各加速度信號進行自譜分析，得出壓力鋼管及伸縮節在各振動方向的共振頻率；用壓力鋼管上的加速度信號作激勵信號，將伸縮節上的加速度信號與壓力鋼管上的加速度信號做傳遞函數分析，得出它們的共振頻率與放大倍數，預判當壩區發生地震時壓力鋼管的振動對伸縮節振動的影響程度；
3)設置閥值
設定壓力鋼管及伸縮節運行參數超限報警閥值；數據採集計算機將採集的數據與設定的閥值進行比較，當採集的運行參數超過設定閥值時系統發出聲、光報警信號；
4)數據傳輸
將步驟2)和步驟3)的數據傳輸給遠程監控計算機，實現實時監控；
5)數據存儲
將步驟2)的數據存儲起來，建立壓力鋼管及伸縮節運行參數如應變、位移、加速度、自振頻率與動水壓力及溫度變化之間的關係。
[0013]壓力鋼管15及伸縮節11在荷載影響下會產生徑向和豎直向位移，另外被監測結構長期處於高溼環境，壓力鋼管15及伸縮節11的表面鏽蝕，受管內流體的衝擊及脈動作用，伸縮節會連續不斷振動，這種振動會導致一些薄弱部位出現疲勞性損傷，由於伸縮節11與壓力鋼管15的連接方式可近似簡化為柔性連接，在現疲勞損傷等各種因素影響下會導致整個伸縮節的工作狀態發生改變，通過對其運行參數的監測與判斷，因而可綜合評價其運行狀態。
[0014]工作原理:焊接式應變計4安裝在壓力鋼管15及伸縮節11的應力較為集中的地方，可以根據需要布置多個監測點，監測某些部位在焊接、荷載作用及環境變化(如溫度、鏽蝕等)下的應力變化，考察其變化規律及發展趨勢，及時判斷應變狀態；有條件的情況下，為了準確反映應變變化量，監測前輸入應變的初始值，這樣有關構件在焊接、螺栓連接等情況下產生的初始應變一同被考慮進去，使得監測結果更能反映實際情況。動水壓力傳感器5是用來監測壓力鋼管15或伸縮節11內部水流脈動壓力的變化情況。溫度傳感器6監測壓力鋼管15或伸縮節11的表面溫度。加速度傳感器7監測壓力鋼管15及伸縮節11三個不同方向(兩個水平向及一個豎直向)的振動響應，根據監測的加速度響應可計算出結構的共振頻率，從共振頻率的數值變化情況確定結構的運行狀態是否發生改變。另一方面將測點9與測點12採集的加速度信號做傳函分析，據此結果判斷壓力鋼管振動對伸縮節的影響。位移傳感器8監測壓力鋼管15與伸縮節11之間的相對位移，也可以監測壓力鋼管和其它支撐結構之間的相對位移，其布置方式主要根據壓力鋼管及伸縮節監測點的需要，一般主要考慮沿壓力鋼管及伸縮節走向位移、豎直向位移及沿軸向滾動位移等。溫度及動水壓力監測主要考察溫度及動水壓力變化時被監測點應變、位移及加速度的變化情況，用於確立環境變化與各監測參數變化之間的關聯性。
[0015]如圖2所示，壓力鋼管及伸縮節測點布置主要包括加速度監測點9和點12、溫度監測點13、動水壓力監測點14及位移監測點8(如圖3)。應變監測可根據需要布置多個監測點。
[0016]如圖3所示伸縮節位移監測示意圖，在限位錐10上共布置八個位移計8，用於監測伸縮節11相對於限位錐10的水平向位移，豎直向布置兩個位移計8，用於監測伸縮節11相對於地平面的豎直向位移，伸縮節的位移監測可根據需要增減。
【權利要求】
1.壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統，用於監測壓力鋼管及伸縮節的運行參數，其特徵在於:包括遠程監控計算機(16)、數據採集計算機(I)、數據採集儀(2)、傳感器放大器(3)、焊接式應變計(4)、動水壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)、加速度傳感器(7)和位移傳感器(8);所述的遠程監控計算機(16)與現場的數據採集計算機(I)通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機(I)與數據採集儀(2)相連；數據採集儀(2)與各傳感器放大器(3)相連；各傳感器放大器(3)與對應的焊接式應變計(4)、動水壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)、加速度傳感器(7)和位移傳感器(8)分別相連。
2.根據權利要求1所述的壓力鋼管及伸縮節運行參數監測系統，其特徵在於:所述的壓力鋼管及伸縮節包括壓力鋼管(15)和伸縮節(11);在所述的壓力鋼管(15)及伸縮節外套管(11)上分別布置加速度信號測點(9 ;12)，每個加速度信號測點(9 ;12)上分別布置兩個水平向及一個豎直向的加速度傳感器(7);在所述的壓力鋼管(15)上開孔(14)來安裝測量管內流體壓力的動水壓力傳感器(5);所述的溫度傳感器(6)布置在壓力鋼管(15)或伸縮節(11)上；所述的位移計(8)在沿水平向的限位錐(10)上和沿豎直向支撐於地面的支架上均有設置；所述的焊接式應變計(4)布置在壓力鋼管(15)和伸縮節(11)上應力集中的區域。
3.採用權利要求1所述的壓力鋼管及伸縮節運行參數自動監測系統的評價方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)儀器安裝 將焊接式應變計(4)、動水壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)、加速度傳感器(7)和位移傳感器(8)布置在壓力鋼管(15)及伸縮節(11)上；將遠程監控計算機(16)與現場的數據採集計算機(I)通過無線或有線的方式相連，數據採集計算機(I)與數據採集儀(2 )相連；數據採集儀(2)與各傳感器放大器(3)相連；各傳感器放大器(3)與對應的焊接式應變計(4)、動水壓力傳感器(5)、溫度傳感器(6)、加速度傳感器(7)和位移傳感器(8)分別相連； 2)數據採集和計算 各傳感器放大器(3)將各傳感器攝取的信號放大後傳遞給數據採集儀(2)，通過對各加速度信號進行自譜分析，得出壓力鋼管(15 )及伸縮節(I I)在各振動方向的共振頻率；用壓力鋼管上的加速度信號作激勵信號，將伸縮節上的加速度信號與壓力鋼管上的加速度信號做傳遞函數分析，得出它們的共振頻率與放大倍數，預判當壩區發生地震時壓力鋼管的振動對伸縮節振動的影響程度； 3)設置閥值 設定壓力鋼管及伸縮節運行參數超限報警閥值；數據採集計算機(I)將採集的數據與設定的閥值進行比較，當採集的運行參數超過設定閥值時系統發出聲、光報警信號； 4)數據傳輸 將步驟2)和步驟3)的數據傳輸給遠程監控計算機(16)，實現實時監控。
【文檔編號】G01D21/02GK104019849SQ201410250160
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】阮善發, 施凱華, 楊光明, 吳梅英, 阮曉越, 韋彪 申請人:河海大學