壓力鋼管的應力與腐蝕監測系統設計與實現

馬 相，馬國強，王大東

（國能四川東谷河流域水電開發有限公司，四川 丹巴）

針對水電管道中存在的重大安全風險點，研發一套可靠監測系統，進行實時自動化安全監測。

本文講述了一種分布式應力及腐蝕監測系統[1-2]，實現一體式設計，適用于金屬結構的應力應變場監測和材料的腐蝕環境連續監測。

1 監測系統設計

監測與分析系統由主機、腐蝕信號傳感器、應變信號傳感器和信號處理系統軟件構成，主機作為硬件支撐系統完成應變與腐蝕信號的收集、存儲和處理，系統核心為應變與腐蝕信號傳感器及信號處理系統。

采用多點多信號傳感器主機由應變及腐蝕監測工作站和分析界面構成，負責收集腐蝕信號傳感器傳回的應變、腐蝕原位監測數據及實現存儲和處理。如圖1 所示。

圖1 壓力鋼管腐蝕與應力應變監測系統

2 鋼管腐蝕監測系統

鋼管腐蝕監測系統基于ISO-9223 標準設計[3]，監測儀見圖2，其電阻柵格采用薄膜式，利用電阻探針技術。傳感器的金屬減薄能夠達到1 nm 的分辨率，環境溫度漂移自動補償，其補償原理為應用差分方式，這樣就能在大的溫度范圍內保證測量結果的可靠性。性能見表1。腐蝕監測采用實時監測、實時存儲、實時計算以及實時報警，連續采集進行腐蝕情況的實時監測。腐蝕監測流程見圖3。

表1 腐蝕傳感器技術指標

圖2 一體式腐蝕信號傳感器

圖3 腐蝕監測流程

3 應力應變監測及其數字孿生

圖4 為應力應變監測及其數字孿生系統。應變數字孿生可視化軟件，采用數字孿生理念，實現管道腐蝕速率與應力場可視化[4]。實時監測數據信息，通過數據驅動模型引擎，實時展示管道腐蝕狀態并在三維模型上實時展示管道應力的實時健康狀態。

圖4 壓力鋼管應力應變監測及其數字孿生系統

應力監測系統由兩點的雙傳感器組成，分別為光纖應變傳感器和電阻應變傳感器，相互校準并通過軟件中的計算模塊進行應力值監測，同時提供基于第四強度理論的等效應力計算，與數值模型通信對整個鋼管數字孿生。

建立鋼管的數字模型并利用有限元算法為其建立3D 應力應變場模型，通過應變傳感器實測數據和人工智能算法進行模型數字校準[5]。實測數據建立數據庫用于歷程中參數記錄回看等功能并推動模型精確化。

4 系統模塊功能實現

系統模塊功能設計實現包括數據采集方式和界面形式的設置、數據采集、數據處理和存儲等。用于實現多點應變及腐蝕監測設備實時監測、數據傳輸、數據處理及保存以及數據分析。

系統功能模塊化設計，其思想就是將整個功能細分在各個模塊中，各個模塊既能夠相互通信共享數據又減少沖突，提高整體效率和用戶的體驗性，圖5 所示為軟件結構的整體框圖。

圖5 系統軟件整體框圖

4.1 系統管理模塊

用戶通過軟件進行使用者管理，設置不同層次的權限。對數據庫備份、軟件升級等服務管理功能進行設定，以保證系統正常運行和系統安全。所提供的系統設置功能充分考慮到使用的方便性和數據的保密性，由用戶管理員定義各個用戶的操作權限，包含個人資料、賬號管理、角色權限自定義和附件管理等。

4.2 信息錄入模塊

包括人工進行水情、溫度等環境數據錄入、可定義文件格式的數據導入、相關系統（包括監測、水情）的數據自動轉入等功能，保障系統各類數據及時方便地錄入系統并提供數據融合技術。

4.3 數據采集模塊

模塊如圖6 所示，包括各類現有監測系統的采集和采集服務功能，通過提供服務的方式完成定時或即時、全部或指定測點的巡檢采集。對所涉及的計算提供不同用戶的公式編輯權限，定時重新計算腐蝕量、應變應力測量值的計算校核等功能，完成各類監測值轉換成為結果量。

圖6 數據采集模塊

4.4 數據審核模塊

數據審核模塊如圖7 所示。對各類監測數據進行異?？刂?、對采信的數據校核其準確性、對數據異常的確認和處理以確保數據和圖表按流程完成責任清晰的審核，提供用戶查詢和正式使用。

圖7 數據審核模塊

4.5 信息查詢與統計

如圖8 所示，查詢功能為方便用戶提供多種形式的信息顯示，包括圖表等。對不同的用戶、不同的方式、不同的需求，為最大限度地滿足用戶的需要，盡量直觀地顯示在屏幕上并能夠有歷史數據對比等功能。

圖8 信息查詢與統計模塊

4.6 信息傳輸模塊

保證不同類型數據的傳輸和接收服務，完成取數、加密、傳送、接收、解密、入庫等傳輸的全過程，以保證數據及時、準確、完整、安全地傳遞。詳情如圖9所示。

圖9 信息傳輸模塊

4.7 資料整編與離線分析模塊

利用資料整編規范中規定的格式以及用戶自定義格式?？梢孕纬啥喾N形式的數據報表、過程線、分布圖、相關圖、各類統計圖和人工智能分析圖表。能夠進行多重數據組合的文件輸出等功能。以環境量為因子的各類統計模型的計算和分析功能，將所得到的統計模型用于監控監測數據的功能。詳情如圖10 所示。

圖10 離線分析模塊

4.8 在線監控模塊

數據對接上送主管監測單位，并完成監測中心對接相關手續和對接服務。詳情如圖11 所示。

圖11 在線監控模塊

4.9 監測數字可視化模塊

管道監測數字孿生可視化軟件，采用數字孿生理念，利用先進的可視化引擎，實現管道健康監測的可視化全景管理。結合管道三維模型、實時監測數據信息，通過數據驅動模型引擎，實時展示管道的健康狀態。

5 結論

（1） 本文提出的可靠監測系統，實時監測水電管道中存在的安全風險點，對其應力應變及腐蝕進行評估。

（2） 系統采用無線自動組網、定期連續采樣，實時上傳監測數據，利用終端系統軟件進行數據分析、計算處理，實時了解管道的健康狀態，幫助采購人管理人員快速了解管道的應變及腐蝕，及時對管道安全性作出準確評估，進行預測性運維。

（3） 采用數字孿生理念，實現管道腐蝕速率與應力場可視化。實時監測數據信息，通過數據驅動模型引擎，實時獲取管道實時健康狀態并在三維模型上展示。

（4） 本文研究對于結構健康監測包括材料腐蝕及荷載作用下的結構承力安全有重要意義。本文提出的系統可以監測應變等反映結構變化的參數和金屬的腐蝕。避免結構安全隱患，提高設備運營壽命，并提醒采購人進行治理，提前規避風險。