基于壓電陶瓷傳感器的管道損傷識(shí)別

杜國(guó)鋒，程晨，焦文帥，張丹富，2

1.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040

長(zhǎng)輸管道是重要的能源運(yùn)輸通道，被喻為生命線(xiàn)工程。長(zhǎng)輸管道服役環(huán)境復(fù)雜，不僅面臨環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，還可能遭受地質(zhì)災(zāi)害和外部荷載的沖擊作用。管道損壞將誘發(fā)事故，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失，對(duì)現(xiàn)役管道進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別極為重要。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)管道損傷識(shí)別方法有射線(xiàn)法、聲波法、漏磁法等，但這些方法均較難實(shí)現(xiàn)管道損傷在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。壓電陶瓷傳感器集信號(hào)激發(fā)與接收功能于一體，是近年來(lái)結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域新興的一種能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的裝備[1-4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該方面做過(guò)很多研究:WANG等[5]將壓電陶瓷應(yīng)用于復(fù)合材料板的損傷檢測(cè)中，用主動(dòng)傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)；KESSLER等[6]利用壓電傳感技術(shù)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)件進(jìn)行損傷識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件損傷定位和損傷程度識(shí)別；SONG[7]等基于小波包能量法對(duì)蓋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷計(jì)算，取得較好識(shí)別效果；ZHANG等[8]則利用壓電陶瓷對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該方法不僅能識(shí)別木材損傷，還能有效監(jiān)測(cè)木材的含水率。在管道工程健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，目前基于壓電陶瓷的損傷檢測(cè)方法已經(jīng)成為重要手段[9-12]，如在基于壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行管道損傷檢測(cè)方面，杜國(guó)鋒等[13-15]借助壓電陶瓷來(lái)拾取不同損傷工況管道的阻抗譜信息，并以均方根偏差為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)管道損傷的定性與定量分析。此外，李鯤等[16]還利用壓電陶瓷監(jiān)測(cè)管道敲擊應(yīng)力波，根據(jù)應(yīng)力波能量的衰減變化進(jìn)行管道裂紋識(shí)別。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者在管道損傷檢測(cè)領(lǐng)域取得了豐厚的研究成果，但研究主要局限于利用壓電陶瓷的主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)壓電陶瓷被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道損傷識(shí)別的研究還很少，尤其是在外力作用下,以壓電陶瓷傳感器接收的應(yīng)力波來(lái)提取管道關(guān)鍵部位的損傷信息，實(shí)現(xiàn)不同服役工況管道損傷程度及損傷特征的精準(zhǔn)識(shí)別方面還存在很多亟待解決的問(wèn)題。為此，筆者利用鋼球沖擊不同損傷工況的空管及充水埋土管道，利用粘貼在管道上的壓電陶瓷傳感器接收沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，并通過(guò)小波包能量分析方法對(duì)管道進(jìn)行損傷識(shí)別，探討壓電陶瓷被動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別管道結(jié)構(gòu)損傷的可行性。

1 基于小波包能量法的管道損傷指數(shù)確定

將壓電陶瓷傳感器監(jiān)測(cè)接收到的原始信號(hào)S進(jìn)行n層小波包分解，原始信號(hào)經(jīng)過(guò)n次分解，在第n層得到2n個(gè)高低頻帶的信號(hào)子集。S表示如下：

S=X1+X2+X3+…+Xi…+X2n-1+X2n(i=1,2,…2n)

(1)

式中：S為原始信號(hào)；i表示頻帶；Xi為S經(jīng)n層分解得到的第i頻帶信號(hào)子集。

對(duì)S展開(kāi)5層分解，并以母波“db5”對(duì)得到的25個(gè)子集展開(kāi)分析。

經(jīng)n層分解所得的Xi又可用第i頻帶的不同頻子帶表達(dá)：

Xi=[Xi,1,Xi,2,Xi,3,…,Xi,j]

(2)

Xi,j的能量表示為:

Ei,j=|Xi,j|2

(3)

經(jīng)n層分解后，第i頻帶信號(hào)能量即為：

(4)

則原始信號(hào)S的小波包總能量為:

(5)

式中：i為第n層的第i頻帶；j為該頻帶的信號(hào)采樣數(shù)。

基于式(1)～(5)，對(duì)管道某傳感器第K次監(jiān)測(cè)的Sk進(jìn)行n層小波包分解重構(gòu)，并計(jì)算出Sk的小波包總能量。并根據(jù)均方根偏差建立判定損傷的損傷指數(shù)I,表示為：

(6)

式中：E1,i為管道健康時(shí)傳感器信號(hào)S1的能量；Ek,i為損傷管道傳感器信號(hào)Sk的能量；損傷指數(shù)I取值反映管道的損傷嚴(yán)重情況。

2 管道損傷識(shí)別試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)旨在研究沖擊荷載作用不同服役工況管道，利用粘貼于管道上的壓電陶瓷傳感器采集應(yīng)力波，基于應(yīng)力波的能量變化識(shí)別管道損傷。為達(dá)到與工程實(shí)際相一致的試驗(yàn)效果，參考《油氣輸送管道線(xiàn)路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(50470-2008)[17]及文獻(xiàn)[18]，在考慮實(shí)際服役管道埋深及尺寸基礎(chǔ)上，按1∶7的相似比來(lái)設(shè)計(jì)管道縮尺模型。試驗(yàn)管道為鍍鋅無(wú)縫鋼管，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。管道外徑D為90mm，壁厚t為4mm；管道長(zhǎng)度2300mm、埋深300mm；管道服役工況包括空管和充水埋土管道；模擬的裂紋損傷徑向深度2mm，周向長(zhǎng)度70mm，損傷程度用改變裂紋的軸向?qū)挾缺磉_(dá)。試驗(yàn)工況見(jiàn)表2，不同服役工況下試驗(yàn)管道如圖1所示。

表1 管道性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of pipes

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

圖1 不同服役工況試驗(yàn)管道Fig.1 Test pipelines under different service conditions

2.2 試驗(yàn)量測(cè)

試驗(yàn)選用PZT-5型壓電陶瓷片作為應(yīng)力波信號(hào)接收器，壓電陶瓷相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表3。信號(hào)拾取測(cè)點(diǎn)、裂紋預(yù)設(shè)位置以及沖擊作用點(diǎn)(P1、P2、P3)如圖2所示，圖2中Sensor代表傳感器。并利用NIUSB-6361采集儀采集應(yīng)力波信號(hào)，如圖3(a)所示，管道損傷識(shí)別試驗(yàn)工作臺(tái)如圖3(b)所示。

表3 PZT-5型壓電陶瓷傳感器的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of PZT-5 piezoelectric ceramic sensor

圖2 管道試件示意圖Fig.2 Drawings of pipeline specimen

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition system

圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test loading device

2.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)以自制的落球控制裝置對(duì)管道進(jìn)行沖擊加載，裝置示意圖如圖4所示。落球控制裝置由底座、豎向控制桿、水平控制桿、鋼球控制閥組成。所用鋼球外徑為25mm，重量為50g，下落高度設(shè)為130mm。分析單損傷工況時(shí)，借助加載裝置調(diào)整鋼球沖擊管道P1位置。進(jìn)行管道多損傷識(shí)別，必須利用鋼球分別沖擊管道P1、P2和P3等3個(gè)沖擊點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空管損傷識(shí)別

1)單損傷識(shí)別 分別在空管Sensor1-Sensor2之間和Sensor2-Sensor3之間設(shè)置模擬裂紋單損傷D1和D2，損傷寬度工況分別為W1(4mm)、W2(8mm)和W3(12mm)。鋼球沖擊健康管道和單損傷管道P1時(shí)，管道軸向分布的壓電傳感器Sensor1、Sensor2、Sensor3及Sensor4的監(jiān)測(cè)信號(hào)如圖5所示。

圖5 單損傷管道傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)Fig.5 Monitoring signals of sensors on single damaged pipelines

圖6 單損傷空管損傷指數(shù)矩陣Fig.6 Damage index matrix of single damaged hollow pipelines

圖7 多損傷空管損傷指數(shù)矩陣Fig.7 Damage index matrix of multi-damaged hollow pipelines

先以小波包能量公式分別計(jì)算健康與損傷管道上各傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)的能量，再以式(6)計(jì)算損傷指數(shù)?？展軆H存D1時(shí)，計(jì)算得到損傷指數(shù)矩陣見(jiàn)圖6(a)。由圖6(a)可知，當(dāng)D1自工況W1增至W3時(shí)，Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均隨之增加，說(shuō)明損傷指數(shù)隨損傷寬度的增大而增大。Sensor2、Sensor3和Sensor4與損傷的軸向距離分別為350mm、1050mm和1850mm，盡管D1寬度增加，但由于應(yīng)力波能量有損耗，所以Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)絕對(duì)值隨傳感器至損傷的軸向距離的增加而依次減小?？展軆HD2時(shí)，計(jì)算所得的損傷指數(shù)矩陣見(jiàn)圖6(b)，由圖6(b)可知，D2自W4增至W6，Sensor2的損傷指數(shù)始終趨近于0，說(shuō)明Sensor1-Sensor2之間無(wú)損傷，但Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均增大；改變損傷寬度，距離損傷較近的Sensor3的損傷指數(shù)始終大于較遠(yuǎn)處的Sensor4。試驗(yàn)結(jié)果表明，即使改變管道裂紋位置，損傷指數(shù)仍隨裂紋寬度的增大而增加；裂紋損傷寬度變化，損傷指數(shù)仍隨傳感器至損傷的軸向距離增大而依次減小，說(shuō)明損傷指數(shù)能有效識(shí)別空管的損傷程度，根據(jù)損傷指數(shù)與傳感器至裂紋的軸向距離關(guān)系，可定位裂紋的存在位置。

2)多損傷識(shí)別 在空管Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4區(qū)段依次設(shè)寬度相同的D1、D2和D3。檢測(cè)Sensor1-Sensor2段，分別對(duì)損傷前后的空管P1加載，僅采集Sensor2的信號(hào)，通過(guò)小波包能量法計(jì)算Sensor2的損傷指數(shù)，以此評(píng)估Sensor1-Sensor2段健康狀況；檢測(cè)Sensor2-Sensor3段時(shí)，分別對(duì)損傷前后空管P2加載，僅采集Sensor3信號(hào)，以Sensor3的損傷指數(shù)來(lái)評(píng)估Sensor2-Sensor3段；檢測(cè)Sensor3-Sensor4段，分別對(duì)空管P3加載，僅采集Sensor4的信號(hào)，計(jì)算Sensor4的損傷指數(shù),從而可將管道多損傷識(shí)別轉(zhuǎn)化為區(qū)段內(nèi)的單損傷識(shí)別。計(jì)算所得不同損傷寬度空管的多損傷損傷指數(shù)矩陣如圖7所示，由圖7(a)可知，Sensor1-Sensor2段由健康變?yōu)楣rW1時(shí)，Sensor2的損傷指數(shù)明顯增加，因此時(shí)不存在D2和D3，故Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均趨于0；在D1的基礎(chǔ)上，于Sensor2-Sensor3段加設(shè)4mm的D2，因D1的存在，Sensor2的損傷指數(shù)仍較大。而Sensor2-Sensor3由健康變?yōu)楣rW4，所以Sensor3的損傷指數(shù)明顯增加；在D1和D2的基礎(chǔ)上，于Sensor3-Sensor4段加設(shè)4mm的D3，因此時(shí)3段均存在相同的損傷，所以Sensor1、Sensor2和Sensor3的損傷指數(shù)均較大。由圖7 可知，D1、D2和D3同時(shí)由4mm增至12mm，空管各傳感器的損傷指數(shù)均隨損傷寬度的增大而增加。上述結(jié)果表明，根據(jù)損傷指數(shù)矩陣中區(qū)段內(nèi)損傷指數(shù)的突變能實(shí)現(xiàn)管道多損傷定位，以損傷指數(shù)為指標(biāo)能有效識(shí)別空管多個(gè)損傷的嚴(yán)重程度。

3.2 不同服役工況管道損傷識(shí)別

1)充水埋土管道單損傷識(shí)別 管道的實(shí)際服役環(huán)境復(fù)雜，為研究利用損傷指數(shù)識(shí)別不同服役工況管道單損傷的可行性，以Sensor1-Sensor2之間存在D1的單損傷充水埋土管道為例開(kāi)展分析。健康及單損傷充水埋土管道損傷寬度工況分別為W1、W2和W3時(shí)，各壓電傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)如圖8所示。

圖8 不同寬度D1的充水埋地管道監(jiān)測(cè)信號(hào)Fig.8 Monitoring signals of water-filled buried pipelines with different widths of D1

以小波包能量法對(duì)單損傷充水埋土管道進(jìn)行損傷指數(shù)計(jì)算，其損傷指數(shù)矩陣如圖9所示。由圖9(a)可知，充水埋土管道具有和空管相同的規(guī)律，D1自W1變?yōu)閃3，傳感器Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均隨損傷寬度的增大而增加；當(dāng)改變D1的軸向?qū)挾葧r(shí)，Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)始終隨傳感器至損傷的軸向距離的增加而依次減小，損傷識(shí)別的靈敏度也隨之降低。由圖9(b)可知，改變單損傷的存在區(qū)間，也會(huì)得到相似的規(guī)律，說(shuō)明以該方法來(lái)識(shí)別充水埋土管道單損傷的存在位置與損傷程度是可行的。

圖9 單損傷充水埋土管道損傷指數(shù)矩陣Fig.9 Damage index matrix of single damaged water-filled buried pipelines

2)充水埋土管道多損傷識(shí)別 為探究該方法對(duì)充水埋土管道多損傷識(shí)別的適用性，以D1、D2和D3損傷寬度均為4mm的多損傷充水埋土管道為例，采用與空管多損傷識(shí)別相同的加載方法對(duì)其展開(kāi)研究。對(duì)3次沖擊試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行小波包能量分析，得到多損傷充水埋土管道的損傷指數(shù)如圖10所示。由圖10(a)可知，依次在Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4間加設(shè)D1、D2和D3，Sensor2、Sensor3及Sensor4的損傷指數(shù)均出現(xiàn)明顯增加。根據(jù)損傷指數(shù)矩陣中相鄰傳感器區(qū)段的損傷指數(shù)值的激增，可定位管道損傷D1、D2和D3的存在位置。據(jù)圖10(b)可知，3個(gè)損傷的寬度同時(shí)由4mm增至12mm，損傷指數(shù)也會(huì)隨損傷程度的增大而增大。

上述結(jié)果表明，利用壓電陶瓷傳感器監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力波，并以小波包能量法對(duì)不同服役工況管道進(jìn)行損傷指數(shù)計(jì)算。利用損傷指數(shù)不僅能識(shí)別空管與充水埋土管道單損傷的存在位置和損傷嚴(yán)重程度，還能對(duì)不同服役工況管道的多損傷存在位置及損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行有效識(shí)別，證明以該方法來(lái)對(duì)管道進(jìn)行損傷識(shí)別是具有普遍性的。

圖10 多損傷充水埋土管道損傷指數(shù)矩陣Fig.10 Damage index matrix of multi-damaged water-filled buried pipelines

4 結(jié)論

1) 空管損傷指數(shù)隨著傳感器至損傷距離的增大而減小，同時(shí)損傷識(shí)別的靈敏度也隨之降低，根據(jù)損傷指數(shù)的變化可以有效識(shí)別空管單損傷與多損傷的存在和存在的位置。

2) 空管的損傷指數(shù)隨著損傷軸向?qū)挾鹊脑龃蠖黾樱該p傷指數(shù)為損傷判定指標(biāo)，可以有效識(shí)別空管損傷的嚴(yán)重程度。

3) 改變管道的服役工況，根據(jù)損傷指數(shù)的變化仍然能有效識(shí)別不同服役工況管道單損傷與多損傷的存在位置和損傷嚴(yán)重程度。說(shuō)明基于壓電陶瓷監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力波，并通過(guò)小波包能量法進(jìn)行管道損傷計(jì)算獲取損傷指數(shù)，以損傷指數(shù)為指標(biāo)來(lái)對(duì)管道進(jìn)行損傷評(píng)估的方法是可行性和普遍性的。