基于压电陶瓷传感器的管道损伤识别

杜国锋，程晨，焦文帅，张丹富，2

1.长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023 2.中建三局第一建设工程有限责任公司，湖北 武汉 430040

长输管道是重要的能源运输通道，被喻为生命线工程。长输管道服役环境复杂，不仅面临环境介质的腐蚀，还可能遭受地质灾害和外部荷载的冲击作用。管道损坏将诱发事故，对国民经济造成不可估量的损失，对现役管道进行健康监测和损伤识别极为重要。传统的钢质管道损伤识别方法有射线法、声波法、漏磁法等，但这些方法均较难实现管道损伤在线实时监测。压电陶瓷传感器集信号激发与接收功能于一体，是近年来结构无损检测领域新兴的一种能实现结构在线监测的装备[1-4]。国内外学者在该方面做过很多研究:WANG等[5]将压电陶瓷应用于复合材料板的损伤检测中，用主动传感技术实现损伤检测；KESSLER等[6]利用压电传感技术对环氧树脂构件进行损伤识别，实现了构件损伤定位和损伤程度识别；SONG[7]等基于小波包能量法对盖梁内部结构进行损伤计算，取得较好识别效果；ZHANG等[8]则利用压电陶瓷对木结构进行健康监测，发现该方法不仅能识别木材损伤，还能有效监测木材的含水率。在管道工程健康监测领域，目前基于压电陶瓷的损伤检测方法已经成为重要手段[9-12]，如在基于压电阻抗技术进行管道损伤检测方面，杜国锋等[13-15]借助压电陶瓷来拾取不同损伤工况管道的阻抗谱信息，并以均方根偏差为指标，实现管道损伤的定性与定量分析。此外，李鲲等[16]还利用压电陶瓷监测管道敲击应力波，根据应力波能量的衰减变化进行管道裂纹识别。

尽管国内外学者在管道损伤检测领域取得了丰厚的研究成果，但研究主要局限于利用压电陶瓷的主动监测技术，通过压电陶瓷被动监测技术实现管道损伤识别的研究还很少，尤其是在外力作用下,以压电陶瓷传感器接收的应力波来提取管道关键部位的损伤信息，实现不同服役工况管道损伤程度及损伤特征的精准识别方面还存在很多亟待解决的问题。为此，笔者利用钢球冲击不同损伤工况的空管及充水埋土管道，利用粘贴在管道上的压电陶瓷传感器接收冲击产生的应力波，并通过小波包能量分析方法对管道进行损伤识别，探讨压电陶瓷被动监测识别管道结构损伤的可行性。

1 基于小波包能量法的管道损伤指数确定

将压电陶瓷传感器监测接收到的原始信号S进行n层小波包分解，原始信号经过n次分解，在第n层得到2n个高低频带的信号子集。S表示如下：

S=X1+X2+X3+…+Xi…+X2n-1+X2n(i=1,2,…2n)

(1)

式中：S为原始信号；i表示频带；Xi为S经n层分解得到的第i频带信号子集。

对S展开5层分解，并以母波“db5”对得到的25个子集展开分析。

经n层分解所得的Xi又可用第i频带的不同频子带表达：

Xi=[Xi,1,Xi,2,Xi,3,…,Xi,j]

(2)

Xi,j的能量表示为:

Ei,j=|Xi,j|2

(3)

经n层分解后，第i频带信号能量即为：

(4)

则原始信号S的小波包总能量为:

(5)

式中：i为第n层的第i频带；j为该频带的信号采样数。

基于式(1)～(5)，对管道某传感器第K次监测的Sk进行n层小波包分解重构，并计算出Sk的小波包总能量。并根据均方根偏差建立判定损伤的损伤指数I,表示为：

(6)

式中：E1,i为管道健康时传感器信号S1的能量；Ek,i为损伤管道传感器信号Sk的能量；损伤指数I取值反映管道的损伤严重情况。

2 管道损伤识别试验

2.1 试验设计

该试验旨在研究冲击荷载作用不同服役工况管道，利用粘贴于管道上的压电陶瓷传感器采集应力波，基于应力波的能量变化识别管道损伤。为达到与工程实际相一致的试验效果，参考《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(50470-2008)[17]及文献[18]，在考虑实际服役管道埋深及尺寸基础上，按1∶7的相似比来设计管道缩尺模型。试验管道为镀锌无缝钢管，其力学性能参数见表1。管道外径D为90mm，壁厚t为4mm；管道长度2300mm、埋深300mm；管道服役工况包括空管和充水埋土管道；模拟的裂纹损伤径向深度2mm，周向长度70mm，损伤程度用改变裂纹的轴向宽度表达。试验工况见表2，不同服役工况下试验管道如图1所示。

表1 管道性能参数Table 1 Performance parameters of pipes

表2 试验工况Table 2 Test conditions

图1 不同服役工况试验管道Fig.1 Test pipelines under different service conditions

2.2 试验量测

试验选用PZT-5型压电陶瓷片作为应力波信号接收器，压电陶瓷相关性能参数见表3。信号拾取测点、裂纹预设位置以及冲击作用点(P1、P2、P3)如图2所示，图2中Sensor代表传感器。并利用NIUSB-6361采集仪采集应力波信号，如图3(a)所示，管道损伤识别试验工作台如图3(b)所示。

表3 PZT-5型压电陶瓷传感器的性能参数Table 3 Performance parameters of PZT-5 piezoelectric ceramic sensor

图2 管道试件示意图Fig.2 Drawings of pipeline specimen

图3 数据采集系统Fig.3 Data acquisition system

图4 试验加载装置Fig.4 Test loading device

2.3 试验加载

试验以自制的落球控制装置对管道进行冲击加载，装置示意图如图4所示。落球控制装置由底座、竖向控制杆、水平控制杆、钢球控制阀组成。所用钢球外径为25mm，重量为50g，下落高度设为130mm。分析单损伤工况时，借助加载装置调整钢球冲击管道P1位置。进行管道多损伤识别，必须利用钢球分别冲击管道P1、P2和P3等3个冲击点。

3 试验结果分析

3.1 空管损伤识别

1)单损伤识别 分别在空管Sensor1-Sensor2之间和Sensor2-Sensor3之间设置模拟裂纹单损伤D1和D2，损伤宽度工况分别为W1(4mm)、W2(8mm)和W3(12mm)。钢球冲击健康管道和单损伤管道P1时，管道轴向分布的压电传感器Sensor1、Sensor2、Sensor3及Sensor4的监测信号如图5所示。

图5 单损伤管道传感器监测信号Fig.5 Monitoring signals of sensors on single damaged pipelines

图6 单损伤空管损伤指数矩阵Fig.6 Damage index matrix of single damaged hollow pipelines

图7 多损伤空管损伤指数矩阵Fig.7 Damage index matrix of multi-damaged hollow pipelines

先以小波包能量公式分别计算健康与损伤管道上各传感器监测信号的能量，再以式(6)计算损伤指数。空管仅存D1时，计算得到损伤指数矩阵见图6(a)。由图6(a)可知，当D1自工况W1增至W3时，Sensor2、Sensor3和Sensor4的损伤指数均随之增加，说明损伤指数随损伤宽度的增大而增大。Sensor2、Sensor3和Sensor4与损伤的轴向距离分别为350mm、1050mm和1850mm，尽管D1宽度增加，但由于应力波能量有损耗，所以Sensor2、Sensor3和Sensor4的损伤指数绝对值随传感器至损伤的轴向距离的增加而依次减小。空管仅D2时，计算所得的损伤指数矩阵见图6(b)，由图6(b)可知，D2自W4增至W6，Sensor2的损伤指数始终趋近于0，说明Sensor1-Sensor2之间无损伤，但Sensor3和Sensor4的损伤指数均增大；改变损伤宽度，距离损伤较近的Sensor3的损伤指数始终大于较远处的Sensor4。试验结果表明，即使改变管道裂纹位置，损伤指数仍随裂纹宽度的增大而增加；裂纹损伤宽度变化，损伤指数仍随传感器至损伤的轴向距离增大而依次减小，说明损伤指数能有效识别空管的损伤程度，根据损伤指数与传感器至裂纹的轴向距离关系，可定位裂纹的存在位置。

2)多损伤识别 在空管Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4区段依次设宽度相同的D1、D2和D3。检测Sensor1-Sensor2段，分别对损伤前后的空管P1加载，仅采集Sensor2的信号，通过小波包能量法计算Sensor2的损伤指数，以此评估Sensor1-Sensor2段健康状况；检测Sensor2-Sensor3段时，分别对损伤前后空管P2加载，仅采集Sensor3信号，以Sensor3的损伤指数来评估Sensor2-Sensor3段；检测Sensor3-Sensor4段，分别对空管P3加载，仅采集Sensor4的信号，计算Sensor4的损伤指数,从而可将管道多损伤识别转化为区段内的单损伤识别。计算所得不同损伤宽度空管的多损伤损伤指数矩阵如图7所示，由图7(a)可知，Sensor1-Sensor2段由健康变为工况W1时，Sensor2的损伤指数明显增加，因此时不存在D2和D3，故Sensor3和Sensor4的损伤指数均趋于0；在D1的基础上，于Sensor2-Sensor3段加设4mm的D2，因D1的存在，Sensor2的损伤指数仍较大。而Sensor2-Sensor3由健康变为工况W4，所以Sensor3的损伤指数明显增加；在D1和D2的基础上，于Sensor3-Sensor4段加设4mm的D3，因此时3段均存在相同的损伤，所以Sensor1、Sensor2和Sensor3的损伤指数均较大。由图7 可知，D1、D2和D3同时由4mm增至12mm，空管各传感器的损伤指数均随损伤宽度的增大而增加。上述结果表明，根据损伤指数矩阵中区段内损伤指数的突变能实现管道多损伤定位，以损伤指数为指标能有效识别空管多个损伤的严重程度。

3.2 不同服役工况管道损伤识别

1)充水埋土管道单损伤识别 管道的实际服役环境复杂，为研究利用损伤指数识别不同服役工况管道单损伤的可行性，以Sensor1-Sensor2之间存在D1的单损伤充水埋土管道为例开展分析。健康及单损伤充水埋土管道损伤宽度工况分别为W1、W2和W3时，各压电传感器监测信号如图8所示。

图8 不同宽度D1的充水埋地管道监测信号Fig.8 Monitoring signals of water-filled buried pipelines with different widths of D1

以小波包能量法对单损伤充水埋土管道进行损伤指数计算，其损伤指数矩阵如图9所示。由图9(a)可知，充水埋土管道具有和空管相同的规律，D1自W1变为W3，传感器Sensor2、Sensor3和Sensor4的损伤指数均随损伤宽度的增大而增加；当改变D1的轴向宽度时，Sensor2、Sensor3和Sensor4的损伤指数始终随传感器至损伤的轴向距离的增加而依次减小，损伤识别的灵敏度也随之降低。由图9(b)可知，改变单损伤的存在区间，也会得到相似的规律，说明以该方法来识别充水埋土管道单损伤的存在位置与损伤程度是可行的。

图9 单损伤充水埋土管道损伤指数矩阵Fig.9 Damage index matrix of single damaged water-filled buried pipelines

2)充水埋土管道多损伤识别 为探究该方法对充水埋土管道多损伤识别的适用性，以D1、D2和D3损伤宽度均为4mm的多损伤充水埋土管道为例，采用与空管多损伤识别相同的加载方法对其展开研究。对3次冲击试验的监测信号进行小波包能量分析，得到多损伤充水埋土管道的损伤指数如图10所示。由图10(a)可知，依次在Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4间加设D1、D2和D3，Sensor2、Sensor3及Sensor4的损伤指数均出现明显增加。根据损伤指数矩阵中相邻传感器区段的损伤指数值的激增，可定位管道损伤D1、D2和D3的存在位置。据图10(b)可知，3个损伤的宽度同时由4mm增至12mm，损伤指数也会随损伤程度的增大而增大。

上述结果表明，利用压电陶瓷传感器监测管道应力波，并以小波包能量法对不同服役工况管道进行损伤指数计算。利用损伤指数不仅能识别空管与充水埋土管道单损伤的存在位置和损伤严重程度，还能对不同服役工况管道的多损伤存在位置及损伤严重程度进行有效识别，证明以该方法来对管道进行损伤识别是具有普遍性的。

图10 多损伤充水埋土管道损伤指数矩阵Fig.10 Damage index matrix of multi-damaged water-filled buried pipelines

4 结论

1) 空管损伤指数随着传感器至损伤距离的增大而减小，同时损伤识别的灵敏度也随之降低，根据损伤指数的变化可以有效识别空管单损伤与多损伤的存在和存在的位置。

2) 空管的损伤指数随着损伤轴向宽度的增大而增加，以损伤指数为损伤判定指标，可以有效识别空管损伤的严重程度。

3) 改变管道的服役工况，根据损伤指数的变化仍然能有效识别不同服役工况管道单损伤与多损伤的存在位置和损伤严重程度。说明基于压电陶瓷监测管道应力波，并通过小波包能量法进行管道损伤计算获取损伤指数，以损伤指数为指标来对管道进行损伤评估的方法是可行性和普遍性的。