一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统及其监测方法

技术领域

本发明属于工程结构健康监测和管理技术领域，涉及射频识别通讯技术和管壳结构力学强度分析理论，可用于构建户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的应力应变监测系统及强度评定，具体涉及一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统及其监测方法。

背景技术

目前在户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的温差形变(位移和应力)监测技术领域，现有的监测方法主要有压电式应变方法、超声应力法和光纤光栅等技术。上述测量技术手段均不同程度地存在测量精度低通讯方式复杂以及功耗高等问题，导致在组建金属管壳结构健康监测和管理系统过程中，上述单一方法无法均衡监测效率、精度、成本以及智能化等工程应用化指标，所以较难在保证监测精度前提下实现智能化工程应用。

公开号为CN111765386A的中国专利公开了一种针对管道结构的分布式实时健康监测系统，主要包括监控终端、贴附在连续管段上的多个结构关键区域中结构关键点上的压阻式贴片传感器，以及设置在每个结构关键区域内或结构关键区域所处环境的多个环境参量传感器，本专利形成了一个连续的分布式传感器监测网络；利用压阻贴片传感器对管道结构应力应变响应直接的特性，针对不同位置、不同形制的管道结构，采取特定的贴附及监测方式，实现对管道结构的应力应变的监测；另外，管道结构由于外界影响或由于管内压力突变产生的大应变可以直接反映为传感器电阻率的瞬时大增量并可以被实时监测；最终结合监测的环境参量，实现对长距离连续管段的实时健康监测并及时发出安全隐患警报。但是该专利的监测系统结构较为复杂，由于该专利中对长距离连续管段的健康监测，因此其监测方法的精度较低，响应频率也低，不能准确对管道的安全隐患作出预警。

公开号为CN 110332463 A的中国专利公开了一种基于微结构光纤分布式传感的管道监测系统及监测方法，系统包括：分布式声波传感子系统、预警识别子系统以及铺设于待监测管道上的微结构光纤；分布式声波传感子系统用于产生信号光并将信号光注入微结构光纤，以及探测反射信号光并通过解调得到反射信号光的相位信息和位置信息；预警识别子系统用于根据相位信息判断管道健康状况，并进一步识别管道异常模式或对管道腐蚀情况进行预警；微结构光纤用于传输信号光并产生携带管道声波或振动信息的反射信号光。该专利能同时实现监测和预警，并且监测灵敏度高、定位精度高，同时对异常事件的响应频率高。但是该专利的监测成本高，不利于在现实生产中推广应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统及其监测方法。该监测系统和监测方法可实现低功耗(或无源)、无线监测，便于构建管壳结构全生命周期的数据库，并且可以基于成熟的弹塑性力学和强度分析理论，构建管壳结构的数字孪生体，实现管壳结构的全生命周期健康监测和管理。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统，所述系统主要包括：

射频识别系统应答标签天线结构，用于存储和标识受监测管段壳体结构身份特征信息；

辅助传感系统，与RFID应答器的标签天线连接，用于监测获取受监测管段壳体结构的历史服役信息；

射频识别系统读写器，用于读写受监测管段壳体结构的应答标签天线结构，获取并重写所述应答标签天线存储的信息；

上位机、信号处理软件和存储介质，用于控制所述射频识别系统和辅助传感系统，获取并处理相关传感信号，存储受监测管壳结构的结构健康历史信息，同时，基于柱壳结构热屈曲和管壳断面平面热应变弹塑性力学分析理论，判断管段轴向屈曲特性和管壳端面的应力应变，结合管壳结构的历史服役数据，评价管段的服役安全性能；

集能和供能模块，用于采集环境能量为系统提供能量供应；

存储介质以及以此为基础发展的数字孪生体模型，主要包括管壳结构的材质、几何构型和历史服役数据，构建所述管壳结构全生命周期的数据库；或者基于成熟的弹塑性力学和强度分析理论，构建管壳结构的数字孪生体，实现所述管壳结构的全生命周期健康监测和管理。

进一步的，所述射频识别系统应答标签天线结构通过层合方式贴敷于管壳结构断面的相应位置，与压电应变片结合，互相验证结构应变监测精度；所述射频识别系统的标签天线结构通过天线结构的谐振频率响应特性来反映结构的应变幅值和方向，射频标签天线的极化方向需根据应变方向确定。

进一步的，所述射频识别系统应答标签天线结构包RFID标签天线结构、RFID电子芯片、控制模块、通信和电能接口设备。

进一步的，所述受监测管段壳体结构身份特征信息包括受监测管段壳体结构的材质、力学特性，几何构型、生产工艺、试验和安装信息；所述身份特征信息用于所述监测系统进行结构健康评价时所需的结构初始输入信息。

进一步的，所述辅助传感系统包括温度传感器、湿度传感器、应变传感器、线位移传感器、角位移传感器和加速度传感器；考虑户外日照环境，所述传感器布置如下：所述温度和应变传感器沿着管壳结构断面的四个对称位置布置各间隔60°，用于考虑日照辐射在断面的非均匀分布特性，所述温度、线位移和角位移传感器在沿着所述管壳结构轴向布置时候，基于三次样条插值拟合原理和受热管段可能的压屈构型，均匀布置在管段的5个断面位置；对于布置有直管压力平衡膨胀节和铰链膨胀节位置，可根据膨胀节设计参数设置所述线位移和角位移传感器；根据需要，设置所述加速度传感器，监测所述管壳结构的振动。

进一步的，所述射频识别系统读写器按照一定频率自动收发射频信号，以便在巡检路径中，及时识别盘点射频标签天线，获取监测数据，并上传所述上位机，同时，所述射频识别系统和上位机之间可根据现场需求布置通讯系统。

进一步的，一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测方法，包括以下步骤：

(1)考虑户外环境载荷特点，搭建权利要求1-6任一项所述的基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统，其中，射频识别系统应答标签天线结构，用于存储和标识受监测管段壳体结构身份特征信息：CT0；

(2)系统调零：参考所述受监测管段壳安装状态，对所述监测系统进行调零平衡，并将该状态CT10信息，存储在系统存储介质中，备上位机控制射频系统盘点监测；

(3)利用上位机设备和软件控制RFID读写器盘点识别管壳结构的RFID标签天线，获得该标签对应的第P

(4)RFID读写器发送射频信号至受监测管段RFID标签天线，进而触发.辅助传感系统，采集该管段的服役信号，所述服役信号包括温度、应变和位移这些物理信号CT11，并经过数模信号转换临时存储在RFID标签天线的芯片中，然后上传到所述RFID读写器，最后通过辅助通信系统，上传到上位机和控制系统；

(5)上位机和信号处理系统结合综合信号：CT0、CT10和CT11，应用弹性力学和弹塑性力学理论，判定受监测管段的整体柱壳结构变形特性和局部受监断面的应力应变特性，并依据剪应力强度准则评价受监测管段的应力强度特性，给出报警信息；

(6)同时，结合膨胀节位置的位移和支架的相对滑动情况，评价所监测管系的支架和膨胀节系统服役状态，评价受监测管系的服役安全性，给出报警信息；

(7)根据步骤(5)和(6)的评价结果，判别系统监测误差，是否有必要重新监测，并将信息存储；

(8)根据步骤(5)和(6)的评价结果，增设其它传感系统，如监测管体压力和异常放电的压电超声换能器。

进一步的，所述步骤(2)中安装状态指的是管壳结构的环境载荷和位移载荷归零。

进一步的，所述步骤(2)中系统存储介质包括射频标签天线芯片和上位机数据库。

进一步的，所述步骤(8)中其它传感系统包括监测管体压力和异常放电的压电超声换能器。

管道结构在工程项目中使用的越来越频繁，大部分管道结构随着使用年限的增加，不可避免会受到冲击、气液体腐蚀、材料老化等影响，导致管结构内部运输物质的泄露。因此，管线结构破坏成为了安全事故发生的重灾区。尤其是在油气、液体运输的过程中，管道通常承受着巨大的载荷与冲击，极易出现突发性的崩坏，带来严重的安全隐患及难以估量的财产损失。除了人为操作失误，管道破裂由结构的机械失效引起，常常衍生于微观的材料损伤。因此，排查长距离管道的安全隐患对现有基于人力巡检的管道养护工作带来极大挑战。

现有的管道监测的方式分为两种，第一种为抽样检测的方式，即通过人工定期巡检或者移动式检测仪器定期巡检的方式；第二种为采用各种传感器进行实时监测的方式，即通过布设各种传感器对管道的漏气或者漏油情况或者管道周边环境情况进行监测；不管是第一种抽样式的检测还是第二种的实时监测方式，都只能实现管道结构的故障后检测，无法实现有效的故障前检测；而且，现有的漏油漏气传感器对于埋设在地下或者位于高原地区的管道的适用性低、施工困难、监测成本较高；同时现有的方式也无法实现对管道中不同结构件，如连续管段或者弯管段或者T型管段的适应性监测，即现有的监测方式无法达到最佳的监测效果。

公开号为CN 110332463 A中国专利公开了一种基于无线传感器网络的管道结构损伤监测系统。该系统包括压电阵列、若干损伤监测节点、无线传感器网络基站与损伤评估单元，所述压电阵列设置在管道外表面，用于响应于损伤监测节点发出的激励信号产生高频超声导波信号，所述压电阵列同时用于接收遇管道损伤反射回来的回波信号；所述损伤监测节点用于采集回波信号并对其进行放大后发送给无线传感器网络基站；所述损伤评估单元用于根据无线传感器网络基站接收的回波信号进行损伤诊断，并对管道损伤位置进行定位与成像。该专利对节点上传的损伤信息进行诊断，能在日常检查过程中及时反馈管道结构健康状况，给维护工程师提供准确的损伤信息，预防安全事故的发生。公开号为CN106567997 A的中国专利公开了一种基于物联网技术的油气管道远程实时健康监测系统，主要包括数据采集节点、数据汇聚节点、管道健康的实时远程监测服务器及软件。当管道温度、压力、流量、壁厚及管道泄漏弹性波出现超阈值状态时，基于智能调节的运行模式，数据采集节点自动向数据汇聚节点发出已存储数据的上传请求；数据汇聚节点响应请求后，经过对数据的自主决策分析，实现对原始采集信号的时间戳定义和初步筛选，同时将切换传感器网络采集协议至互联网协议，由此完成初筛有效数据的远程上传；利用远程监测软件中的管道泄漏专用算法以及周期性自检评估油气管道和系统节点的健康状态，并向客户端用户发出腐蚀、泄漏、爆炸等事故隐患警报。但是上两项述专利中的监测系统只适用于对无线网络传感器的管道健康状况进行监测，而对于石油、天然气等管道的健康状况监测灵敏度和精准度都非常低，导致监测结果不准确和及时，容易引发安全事故。

与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果在于：

(1)本发明中的管道结构健康监测系统及其监测方法采用的是非接触式识别，RFID标签和RFID读写器间数据传输不需要连接数据线，避免了布设大量的数据线；且抗干扰强、识别速度快。

(2)本发明利用射频识别技术实现智能化检测，监测系统具有灵敏度高、误差小、尺寸小、重量轻和功耗低(或者无源)等优点。因此，本发明应用射频识别技术实现管壳结构身份特征标签化，同时整合多物理场传感系统，基于柱壳结构热屈曲和管壳断面平面热应变弹塑性力学分析理论，判断管段轴向屈曲特性和管壳端面的应力应变，结合管壳结构的历史服役数据，评价管段的服役安全性能，构建管壳结构的健康监测和管理系统，实现管壳结构的全生命周期健康监测和管理。

(3)本发明的具有很强的灵活性，大大降低监测成本与难度，有效弥补了人工维护与传统结构健康监测的缺陷，能够广泛应用于管道结构的健康监测。同时，监测系统整体还具有体积小、低功耗、损伤监测实时、通信距离远等优点。

附图说明

图1是本发明基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统的结构示意图；

图2是本发明受监测管道的管段断面温度、应变传感示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面参照附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统，主要包括：

射频识别系统应答标签天线结构，用于存储和标识受监测管段壳体结构身份特征信息，如：管壳体的材质、力学特性，几何构型、生产工艺、试验和安装等信息，用于系统进行管道结构健康评价时所需的结构初始输入信息；射频识别系统应答标签天线结构，通过层合方式贴敷于管壳结构断面的相应位置，一般和压电应变片结合，互相验证管道结构应变监测精度；其中，射频识别系统的标签天线结构通过天线结构的谐振频率响应特性来反映管道结构的应变幅值和方向，此外，射频标签天线的极化方向需根据应变方向确定；射频识别系统应答标签天线结构包括：RFID标签天线结构、RFID电子芯片、控制模块以及通信和电能接口设备；需要说明的是，如果RFID标签天线作为管道结构应变传感器，则为无源传感系统；

辅助传感系统，与RFID应答器的标签天线连接，用于监测和获取受监测管道的管段壳体结构的历史服役信息，如：温度、湿度、应变及位移、加速度等传感器；考虑户外日照环境，上述相应的传感器布置如下：温度和应变传感器沿着管道的管壳结构断面的四个对称位置布置各间隔60°，用于考虑日照辐射在断面的非均匀分布特性；温度、线位移和角位移传感器在沿着管壳结构轴向布置时候，可基于三次样条插值拟合原理和受热管段可能的压屈构型，均匀布置在管段的5个断面位置；特别地，对于设置有直管压力平衡膨胀节和铰链膨胀节位置，可根据膨胀节设计参数设置相应的线位移和角位移传感器；此外，根据需要，可设置加速度传感器，监测管壳结构的振动。

射频识别系统读写器，用于读写受监测管道的管段壳体结构的应答标签天线结构，获取并重写所述应答标签天线存储的信息；射频识别系统读写器，一般用于智能巡检系统，如机器人等，该射频识别系统读写器，按照一定频率自动收发射频信号，以便在巡检路径中，及时识别盘点射频标签天线，获取监测数据，并上传上位机；同时，射频系统和上位机之间可根据现场需求设置通讯系统；

上位机、信号处理软件和存储介质，用于控制所述射频识别系统和辅助传感系统，获取并处理相关传感信号，存储受监测管壳结构的结构健康历史信息，同时，基于柱壳结构热屈曲和管壳断面平面热应变弹塑性力学分析理论，判断管段轴向屈曲特性和管壳端面的应力应变，结合管壳结构的历史服役数据，评价管段的服役安全性能；

集能和供能模块，用于采集环境能量为系统提供能量供应；可以根据功耗需求，可在力学传感系统上增设集能模块；或者采用低功耗有源和无源功能模式；此外，该监测系统可根据现场需求，增设通信系统和传感系统；

存储介质或者数字孪生体模型，基于管壳结构的材质、几何构型和历史服役数据，构建所述管壳结构全生命周期的数据库；或者基于成熟的弹塑性力学和强度分析理论，构建管壳结构的数字孪生体，实现所述管壳结构的全生命周期健康监测和管理。

一种基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测方法，包括以下步骤：

(1)考虑户外环境载荷特点，搭建权利要求1-6任一项所述的基于应变的户外气体绝缘金属封闭薄壁管道的结构健康监测系统，其中，射频识别系统应答标签天线结构，用于存储和标识受监测管段壳体结构身份特征信息：CT0；

(2)系统调零：参考所述受监测管段壳安装状态(即受监测管道的管壳结构的环境载荷和位移载荷归零)，对所述监测系统进行调零平衡，并将该状态CT10信息，存储在系统存储介质中(射频标签天线芯片和上位机数据库)，准备上位机控制射频系统盘点监测；

(3)利用上位机设备和软件控制RFID读写器盘点识别管壳结构的RFID标签天线，获得该标签对应的第Pi个管段结构的空间位置、设计、制造和力学服役等信息CT10和CT0，特别是监测系统的零平衡信息；

(4)RFID读写器发送射频信号至受监测管段RFID标签天线，进而触发辅助传感系统，采集该管段的服役信号，如温度、应变和位移等物理信号CT11，并经过数模信号转换临时存储在RFID标签天线的芯片中，然后上传到所述RFID读写器，最后通过辅助通信系统，上传到上位机和控制系统；

(5)上位机和信号处理系统结合综合信号CT0、CT10和CT11，应用弹性力学和弹塑性力学理论，判定受监测管段的整体柱壳结构变形特性和局部受监断面的应力应变特性，并依据剪应力强度准则评价受监测管段的应力强度特性，给出报警信息；

(6)同时，结合膨胀节位置的位移和支架的相对滑动情况，评价所监测管系的支架和膨胀节系统服役状态，评价受监测管系的服役安全性，给出报警信息；

(7)根据步骤(5)和(6)的评价结果，判别系统监测误差，是否有必要重新监测，并将信息存储；

(8)根据步骤(5)和(6)的评价结果，增设其它传感系统，如监测管体压力和异常放电的压电超声换能器。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。