利用被动波动技术的管道结构泄漏监测研究

作     者：胡清华 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎石

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：结构健康监测 被动波动技术 时差定位法 泄漏监测 频散曲线 PZT传感器 

摘      要：由于管道运输具有成本低、效率高、污染小、过程连续、受外界影响小以及可实现自动控制等优点,使得管道运输在国内外得到广泛应用,特别在天然气、原油、成品油的运输中占据十分重要的地位。然而,随着管道运输线路服役时间的增长、管道周边复杂的环境和管道运输物质的特殊性的影响,使得管道运输在运营维护阶段将可能面临泄漏或者爆炸的危险,从而给自然环境、国家经济和人民生命财产带来巨大的损失。因此,对管道结构进行泄漏监测具有非常重要的意义。在泄漏过程中将引发管道结构发生微小波动,虽然泄漏诱发声波传播较为复杂,但利用被动波动技术能够有效地对管道泄漏进行监测,所以利用被动波动技术的管道泄漏监测得到了越来越多的关注。对管道结构泄漏进行监测,其重点在于研究声波的传播规律和准确判断泄漏源位置,然而目前此类研究较少,许多问题亟待解决。本文通过理论分析、数值模拟和试验验证相结合的方法,对管道结构泄漏监测进行研究,旨在提出一种相对准确的基于压电陶瓷被动波动性的泄漏源定位方法。主要内容如下:首先,介绍泄漏声波的产生和传播机理,并且对泄漏声波在管道中传播的特点进行理论分析,从而推到出泄漏声波在管道中传播的频散方程。利用MATLAB语言对泄漏声波的频散方程进行数值求解,绘制群速度的频散曲线,并根据经多次试验测量确定的泄漏声波频率,对照频散曲线,确定泄漏声波在管道中传播的群速度,该群速度即可表征泄漏声波在管道中传播的速度。其次,利用飞行时间法(Time of Flight,TOF)评估泄漏源的位置。利用ABAQUS有限元软件对泄漏源定位的方法进行研究,明确主要影响因素和影响规律,重点研究泄漏声波抵达不同位置PZT传感器的时间差。为了验证时差定位法对管道结构泄漏源定位的可行性以及互相关函数分析法对确定时间差的有效性,利用数值模拟的方法进行验证研究。用动位移代替泄漏孔处的泄漏冲击以简化数值模拟模型,用压电元模拟PZT传感器,实现数值模拟采集数据与试验分析采集数据同为电信号。数值模拟结果表明互相关函数分析法能准确地确定信号时间差的大小,利用时差并结合TOF法能准确地确定泄漏源的位置,为泄漏源定位的试验验证和工程应用奠定理论基础。最后,对利用被动波动技术的管道结构泄漏监测进行试验研究,以验证所提出方法的有效性。利用PZT传感器作为信号的接收装置,建立一套便捷有效的试验系统,对不同传播距离、不同液体压强的管道结构泄漏进行了试验。通过数值模拟结果与试验分析结果进行对比,表明利用被动波动技术的管道结构泄漏被动监测方法具有良好的可行性与准确性。