一种管道腐蚀监测的压电阻抗智能腐蚀环与系统

技术领域

本发明公开了一种管道腐蚀监测的压电阻抗智能腐蚀环与系统，涉及管道监测领域。

背景技术

管道结构作为在民生以及工业领域最常见的基础设施之一，通常用来长距离运输各类液体或气体，包括水资源、天然气、石油等。因其造价低、安全性好、易于安装等优点被广泛应用。最为常见的管道材料为金属管道，因其内部通常运输带有腐蚀性物质，在长时间的工作环境下容易发生金属腐蚀。受到腐蚀的管道部位其刚度、强度都会降低，在内部流体压强或外部机械力作用下容易发生管道泄露等事故。运输危险性较高的可燃性物质时还会发生爆炸，对人民的生命财产安全造成危害。

目前对于管道腐蚀监测的方法研究已经提出众多较为成熟的理论方法和应用成果。常用的针对管道腐蚀监测的方法有重量变化法、电化学方法、超声检测、声发射技术以及光纤光栅技术等。相关的实际应用也都有提出，专利 CN113358549A通过将挂片悬挂在放置在磁力搅拌装置上的容器中模拟测量不同水质水力条件下对管道腐蚀的影响。专利CN113008146A通过在管道外侧粘贴光纤传感装置来检测管道内部壁厚变化信息从而监测腐蚀情况。专利 CN113125554A通过发射16路并行超声波并通过超声信号采集处理模块，记录模块来监测管道壁厚值，从而实现腐蚀监测目的。但传统的挂片失重方法虽然能模拟出管道的腐蚀情况，但不能完全等效成实际管道情况，对试片的分析也会使监测效率低下。超声监测对管道内部介质情况有一定要求，声发射技术也会受到环境噪音影响。光纤光栅技术费用较高、工艺复杂。以上的各类管道监测方法虽然经过了实际应用论证，但都还存在一些不足。

近年来压电阻抗技术在结构健康监测领域得到了越来越多的关注，基于压电陶瓷机电耦合特性的阻抗技术具有工作频率高、对结构初始损伤敏感、对外界环境影响免疫力强、长期稳定性高等优点，非常适合各类复杂工程结构的在线损伤监测。在管道泄漏监测方面，专利CN209839713U将压电陶瓷片粘贴在圆筒卡箍的连接紧固螺栓表面，当管道泄漏时，管道环向压力改变，使紧固螺栓表面的压电片阻抗变化，从而监测管道泄漏情况。

目前关于压电阻抗技术应用于管道健康监测的研究以及专利未能实现对管道腐蚀情况的精确监测、只能定性的判断腐蚀的发生，还不能定量实时监测管道的腐蚀变化趋势。

发明内容

针对有待改善的技术问题，本发明的目的是提供一种能够实现定量分析管道内部腐蚀情况的变化，并实现实时在线腐蚀监测。

基于此目的，本发明的技术方案：

一种管道腐蚀监测的压电阻抗智能腐蚀环，所述压电阻抗智能腐蚀环12包括压电陶瓷环8和金属管道接头7；所述压电陶瓷环8紧密设置于金属管道接头 7外侧；所述金属管道接头7内侧负责发生腐蚀，两端连接待测金属管道10，并留有与管内物质接触的部分。

进一步的，所述压电陶瓷环8从轴向两侧正负极引出屏蔽导线6，屏蔽导线6与压电阻抗无线测量装置11连接。

进一步的，所述压电陶瓷环8为环状压电陶瓷材料，与金属管道接头7紧密接触的部分通过环氧树脂紧密粘贴。压电陶瓷环8的外侧涂覆环氧树脂，达到防水效果。

进一步的，所述金属管道接头7与待测金属管道10的材料一致。

一种管道腐蚀监测的系统，包括：上述的压电阻抗智能腐蚀环12、压电阻抗无线测量装置11和屏蔽导线6。

所述压电阻抗无线测量装置11负责对压电阻抗智能腐蚀环12的阻抗等能够表征腐蚀情况的信息进行分析。

所述压电阻抗无线测量装置11由压电阻抗无线测量板与外壳封装而成。

所述屏蔽导线6用于连接压电阻抗无线测量板与压电陶瓷环8。

进一步的，所述压电阻抗无线测量装置11外壳采用塑料材质，为带有转轴 3的上壳4和下壳2两部分，方便对内部压电阻抗无线测量板的维护。

进一步的，所述外壳预留无线天线接口和屏蔽导线接口5；无线天线接口、屏蔽导线接口5分别能与无线天线1、屏蔽导线6连接。

进一步的，所述压电阻抗无线测量装置11与用户计算机9相连。

进一步的，在一种可能的实现方式中，所述压电阻抗智能腐蚀环12之前的待测金属管道10上设置切断阀13，在存在可燃气体漏时，可以预防因电路问题发生危险。

进一步的，所述压电阻抗无线测量装置11通过在外壳预留电源接口进行供电，或者在外壳内部加装电源供电。

与目前已经应用的技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过金属管道接头内侧腐蚀导致管道壁厚减小，由压电阻抗智能腐蚀环和压电阻抗无线测量装置测得金属管道的耦合压电阻抗对壁厚变化敏感，可以在测得的阻抗谱上直观的反应出由腐蚀引起的壁厚减小变化，同时金属管的壁厚减小量与其压电阻抗智能腐蚀环径向共振频率有很好的线性拟合关系，因此可以精确的定量监测管道内的腐蚀情况。通过压电阻抗无线测量装置分析并传输所测得的数据，可实现对管道的在线测量。

附图说明

图1是本发明压电阻抗无线测量装置的示意图；

图2是本发明压电阻抗智能腐蚀环的示意图；

图3是本发明实例提供的一种管道腐蚀在线监测的示意图；

图4是本发明压电阻抗智能腐蚀环在不同腐蚀损失率下的阻抗谱；

图5是本发明压电阻抗智能腐蚀环共振和反共振频率与腐蚀损失率的线性关系；

附图中：1、无线天线；2、下壳；3、转轴；4、上壳；5、屏蔽导线接口； 6、屏蔽导线；7、金属管道接头；8、压电陶瓷环；9、用户计算机；10、待测金属管道；11、压电阻抗无线测量装置；12、压电阻抗智能腐蚀环；13、切断阀。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例与附图，对本发明的技术方案和具体实施方式进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见附图1，本发明实例中的压电阻抗无线测量装置11包括无线天线1、下壳2、转轴3、上壳4、屏蔽导线接口5以及内部AD5933压电阻抗无线测量板。所述上壳4、下壳2通过转轴3连接，用来封装AD5933压电阻抗无线测量板，所述AD5933压电阻抗无线测量板接有发射无线天线1，通过外壳的预留接口伸出。所述屏蔽导线接口5用来连接压电阻抗智能腐蚀环12引出的正负极屏蔽导线6。

所述压电阻抗测量装置11可通过在外壳预留电源接口进行供电，也可在外壳内部加装电源供电。

参见附图2，本发明实例中的压电阻抗智能腐蚀环12包括：屏蔽导线6、金属管道接头7、压电陶瓷环8。所述压电陶瓷环8设于金属管道接头7外侧，所述屏蔽导线6与压电陶瓷环8的两侧电极相连。

所述压电陶瓷环8的内口径与金属管道接头7外径需要很好的吻合，经过环氧树脂粘贴后可以紧密贴合在一起。

所述压电陶瓷环8粘贴于金属管道接头7的中部位置，在金属管道接头7两侧连接待测金属管道10后，中部位置的金属管道接头7内壁仍可以接触管道内部流体发生腐蚀。

本实施例中，所述压电陶瓷环8极化方向沿压电环轴向，屏蔽导线6通过焊接连接到压电陶瓷环8轴向两侧的正负电极。同时，为了保护压电陶瓷环8不受腐蚀，对外侧的压电陶瓷环8同样进行涂覆环氧树脂，达到防水效果。

所述的压电阻抗智能腐蚀环12从压电陶瓷环8引出的屏蔽导线6连接到压电阻抗无线测量装置11的屏蔽导线接口5，形成整个基于压电材料压电阻抗的管道腐蚀监测系统。该系统安装简便、可以安置在整个管道中任何需要监测的位置，并且只需确定待测管道的外径尺寸，即可完成整个系统的设计构成。在工作时，也不需要对待测管道进行任何损伤性的操作，是一种简便的无损监测设备。

参见附图3，本发明实施例提供了一种对管道的在线腐蚀监测的示意图，所述的压电阻抗智能腐蚀环12使用的金属管道接头7与待测金属管道10的材料一致，尺寸适配安装。在压电阻抗智能腐蚀环12前可选安装切断阀13，以防止用电设备接触泄漏的可燃气体发生事故。

所述压电阻抗无线监测装置11处理通过压电陶瓷环8测得的金属管道接头 7的阻抗谱、共振频率等信息，这些信息将会从用户计算机9终端进行控制和识别，实现在线远程监控。

所述管道腐蚀在线监测系统通过对压电阻抗无线监测装置11设置一个扫描频率区间，来获取得到压电陶瓷环8的压电阻抗值并反应在阻抗谱中。

所述扫描频率区间需要包括压电陶瓷环8和金属管道接头7耦合结构的共振频率峰值区段。

所述共振频率峰值区段对应的振动模态应该相对稳定并且容易识别。较高的振动模态对应的峰值频率不易识别。由此确定出压电阻抗无线监测装置的扫描频率区段。

所述管道腐蚀监测压电阻抗智能腐蚀环的金属管道接头7的腐蚀量可以由金属管道接头7的壁厚所定量，腐蚀率增加则壁厚减小。随着壁厚的减小，结构的共振峰值频率下降，并反应在阻抗谱上。

参见附图4，所述共振峰值频率随着内径的增大(即腐蚀量的增加)而减小，并有极好的线性拟合程度，因此本发明可以通过建立频率与壁厚减小量之间的关系线性定量管道的腐蚀程度。

最后需要说明：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。