压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统及其评价方法
【专利摘要】本发明公开了压力钢管及伸缩节运行参数监测系统，属于压力钢管【技术领域】，用于监测压力钢管及伸缩节的运行参数，其包括远程监控计算机、数据采集计算机、数据采集仪、传感器放大器、焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器加速度传感器和位移传感器；远程监控计算机与现场的数据采集计算机通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机与数据采集仪相连；数据采集仪与各传感器放大器相连。本发明还公开了采用该系统的评价方法。本发明的系统全面评价压力钢管及伸缩节的运行状态；结构简单，易于安装和实现，适宜大规模推广应用；该系统的评价方法克服了现有技术中理论分析方式及监测参数评价方式的单一性问题。
【专利说明】压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统及其评价方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压力钢管【技术领域】，具体涉及一种压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统及其评价方法。
【背景技术】
[0002]在水利水电工程输水建筑物中，压力管道应用广泛，其不仅承担了水电站大部分或全部的水头压力，还承担了因某些外界原因如阀门突然关闭、水轮机组突然停车等动水压力的冲击作用，这种水击引起的管道内压强是管道正常工作压强的几十倍甚至几百倍，大幅度的压强波动对压力管道的影响是多维的，容易引起管道与镇墩之间产生相对位移。鉴于此，国家相关部门对水电站压力钢管及伸缩节的安全运行有严格要求，需定期行安全检测，然而在两个检测周期内，压力钢管及伸缩节运行中的任何安全问题都无法实时控制。
[0003]目前，对压力钢管的运行状态实际监测都比较单一，如通过压力钢管应变的有限元计算和监测，对应变模态变化率进行识别，从而判断压力钢管某部位的损伤状态；或者从压力钢管的振动频率与水流脉动压力的对应关系出发，研究压力钢管及伸缩节脉动水压力对压力钢管及伸缩节的影响。然而，伸缩节作为压力钢管输送管路的特殊组成部分，运行状态更为复杂，其缺陷发育状态是时变的，在某一时段，依据有关准则判断结构运行是安全的，但随着时间的推移，结构运行处于不稳定状态，而现有的监测与分析系统只对压力钢管及伸缩节的某一部分、某一参数或某一时段的运行状态进行分析、研究与评价，这种方式存在较大的片面性，无法实时掌控其运行状态，易致突发事件的产生。
[0004]
【发明内容】
发明目的:本发明的目的在于提供一种压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统，使其能实时监测和反馈压力钢管及伸缩节各种运行参数如位移、加速度、共振频率、动水压力、应变、温度等参数，系统评价其运行状态，克服以往监测过程与监测参数单一性问题；本发明的另一目的在于通过对监测数据的分析比较，提供压力钢管及伸缩节运行状态全面系统的评价方法，克服已有理论分析与技术评价的片面性问题。
[0005]技术方案:为实现上述发明目的，本申请采用如下技术方案:
压力钢管及伸缩节运行参数监测系统，用于监测压力钢管及伸缩节的运行参数，其包括远程监控计算机、数据采集计算机、数据采集仪、传感器放大器、焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器；所述的远程监控计算机与现场的数据采集计算机通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机与数据采集仪相连；数据采集仪与各传感器放大器相连；各传感器放大器与对应的焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器分别相连。
[0006]所述的压力钢管及伸缩节包括压力钢管和伸缩节；在所述的压力钢管及伸缩节上分别布置加速度信号测点，每个加速度信号测点上分别布置两个水平向及一个竖直向的加速度传感器；在所述的压力钢管上开孔来安装测量管内流体压力的动水压力传感器；所述的温度传感器在压力钢管或伸缩节上；所述的位移计在限位锥和沿竖直向支撑于地面的支架上均有设置；所述的焊接式应变计布置在压力钢管和伸缩节上应力集中的区域。
[0007]采用压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统的评价方法，包括以下步骤:
O仪器安装
将焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器布置在压力钢管及伸缩节上；远程监控计算机与现场的数据采集计算机通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机与数据采集仪相连；数据采集仪与各传感器放大器相连；各传感器放大器与对应的焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器分别相连；
2)数据采集和计算
各传感器放大器将各传感器摄取的信号传递给数据采集仪，通过对各加速度信号进行自谱分析，得出压力钢管及伸缩节在各振动方向的共振频率；用压力钢管上的加速度信号作激励信号，将伸缩节上的加速度信号与压力钢管上的加速度信号做传递函数分析，得出它们的共振频率与放大倍数，预判当坝区发生地震时压力钢管的振动对伸缩节振动的影响程度；
3)设置阀值
设定压力钢管及伸缩节运行参数超限报警阀值；数据采集计算机将采集的数据与设定的阀值进行比较，当采集的运行参数超过设定阀值时系统发出声、光报警信号；
4)数据传输
将步骤2)和步骤3)的数据传输给远程监控计算机，实现实时监控；
5)数据存储
将步骤2)的数据存储起来，建立压力钢管及伸缩节运行参数如应变、位移、加速度、共振频率与动水压力及温度变化之间的关系。
[0008]有益效果:与现有技术相比，本发明的压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统，通过全时段(定时采样)不间断地对压力钢管及伸缩节各种运行参数如位移、加速度、共振频率、应变等参数的全方位监测，系统全面评价压力钢管及伸缩节的运行状态；系统结构简单，易于安装和实现，适宜大规模推广应用；本发明采用压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统的评价方法，建立压力钢管及伸缩节运行参数与动水压力及温度之间的关系；克服了现有技术中理论分析方式及监测参数评价方式的单一性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是压力钢管及伸缩节运行参数监测系统框图；
图2是压力钢管及伸缩节部分测点布置图；
图3是伸缩节位移监测示意图。
具体实施例
[0010]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0011]如图1所示，压力钢管及伸缩节运行参数监测系统，其包括数据远程监控计算机16、数据采集计算机1、数据采集仪2、传感器放大器3、焊接式应变计4、动水压力传感器5、温度传感器6、加速度传感器7和位移传感器8 ;远程监控计算机16通过无线或有线的方式与数据采集计算机I相连；数据采集计算机I与数据采集仪2相连；数据采集仪2与各传感器放大器3相连；各传感器放大器3分别与焊接式应变计4、动水压力传感器5、温度传感器
6、加速度传感器7和位移传感器8相连。
[0012]采用压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统的评价方法，包括以下步骤:
O仪器安装
将焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器设置在压力钢管及伸缩节上；将远程监控计算机与现场的数据采集计算机通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机与数据采集仪相连；数据采集仪与各传感器放大器相连；各传感器放大器与对应的焊接式应变计、动水压力传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器分别相连；
2)数据采集和计算
各传感器放大器将各传感器摄取的信号传递给数据采集仪，由数据采集计算机对采集的信号做进一步分析；通过对各加速度信号进行自谱分析，得出压力钢管及伸缩节在各振动方向的共振频率；用压力钢管上的加速度信号作激励信号，将伸缩节上的加速度信号与压力钢管上的加速度信号做传递函数分析，得出它们的共振频率与放大倍数，预判当坝区发生地震时压力钢管的振动对伸缩节振动的影响程度；
3)设置阀值
设定压力钢管及伸缩节运行参数超限报警阀值；数据采集计算机将采集的数据与设定的阀值进行比较，当采集的运行参数超过设定阀值时系统发出声、光报警信号；
4)数据传输
将步骤2)和步骤3)的数据传输给远程监控计算机，实现实时监控；
5)数据存储
将步骤2)的数据存储起来，建立压力钢管及伸缩节运行参数如应变、位移、加速度、自振频率与动水压力及温度变化之间的关系。
[0013]压力钢管15及伸缩节11在荷载影响下会产生径向和竖直向位移，另外被监测结构长期处于高湿环境，压力钢管15及伸缩节11的表面锈蚀，受管内流体的冲击及脉动作用，伸缩节会连续不断振动，这种振动会导致一些薄弱部位出现疲劳性损伤，由于伸缩节11与压力钢管15的连接方式可近似简化为柔性连接，在现疲劳损伤等各种因素影响下会导致整个伸缩节的工作状态发生改变，通过对其运行参数的监测与判断，因而可综合评价其运行状态。
[0014]工作原理:焊接式应变计4安装在压力钢管15及伸缩节11的应力较为集中的地方，可以根据需要布置多个监测点，监测某些部位在焊接、荷载作用及环境变化(如温度、锈蚀等)下的应力变化，考察其变化规律及发展趋势，及时判断应变状态；有条件的情况下，为了准确反映应变变化量，监测前输入应变的初始值，这样有关构件在焊接、螺栓连接等情况下产生的初始应变一同被考虑进去，使得监测结果更能反映实际情况。动水压力传感器5是用来监测压力钢管15或伸缩节11内部水流脉动压力的变化情况。温度传感器6监测压力钢管15或伸缩节11的表面温度。加速度传感器7监测压力钢管15及伸缩节11三个不同方向(两个水平向及一个竖直向)的振动响应，根据监测的加速度响应可计算出结构的共振频率，从共振频率的数值变化情况确定结构的运行状态是否发生改变。另一方面将测点9与测点12采集的加速度信号做传函分析，据此结果判断压力钢管振动对伸缩节的影响。位移传感器8监测压力钢管15与伸缩节11之间的相对位移，也可以监测压力钢管和其它支撑结构之间的相对位移，其布置方式主要根据压力钢管及伸缩节监测点的需要，一般主要考虑沿压力钢管及伸缩节走向位移、竖直向位移及沿轴向滚动位移等。温度及动水压力监测主要考察温度及动水压力变化时被监测点应变、位移及加速度的变化情况，用于确立环境变化与各监测参数变化之间的关联性。
[0015]如图2所示，压力钢管及伸缩节测点布置主要包括加速度监测点9和点12、温度监测点13、动水压力监测点14及位移监测点8(如图3)。应变监测可根据需要布置多个监测点。
[0016]如图3所示伸缩节位移监测示意图，在限位锥10上共布置八个位移计8，用于监测伸缩节11相对于限位锥10的水平向位移，竖直向布置两个位移计8，用于监测伸缩节11相对于地平面的竖直向位移，伸缩节的位移监测可根据需要增减。
【权利要求】
1.压力钢管及伸缩节运行参数监测系统，用于监测压力钢管及伸缩节的运行参数，其特征在于:包括远程监控计算机(16)、数据采集计算机(I)、数据采集仪(2)、传感器放大器(3)、焊接式应变计(4)、动水压力传感器(5)、温度传感器(6)、加速度传感器(7)和位移传感器(8);所述的远程监控计算机(16)与现场的数据采集计算机(I)通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机(I)与数据采集仪(2)相连；数据采集仪(2)与各传感器放大器(3)相连；各传感器放大器(3)与对应的焊接式应变计(4)、动水压力传感器(5)、温度传感器(6)、加速度传感器(7)和位移传感器(8)分别相连。
2.根据权利要求1所述的压力钢管及伸缩节运行参数监测系统，其特征在于:所述的压力钢管及伸缩节包括压力钢管(15)和伸缩节(11);在所述的压力钢管(15)及伸缩节外套管(11)上分别布置加速度信号测点(9 ;12)，每个加速度信号测点(9 ;12)上分别布置两个水平向及一个竖直向的加速度传感器(7);在所述的压力钢管(15)上开孔(14)来安装测量管内流体压力的动水压力传感器(5);所述的温度传感器(6)布置在压力钢管(15)或伸缩节(11)上；所述的位移计(8)在沿水平向的限位锥(10)上和沿竖直向支撑于地面的支架上均有设置；所述的焊接式应变计(4)布置在压力钢管(15)和伸缩节(11)上应力集中的区域。
3.采用权利要求1所述的压力钢管及伸缩节运行参数自动监测系统的评价方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)仪器安装 将焊接式应变计(4)、动水压力传感器(5)、温度传感器(6)、加速度传感器(7)和位移传感器(8)布置在压力钢管(15)及伸缩节(11)上；将远程监控计算机(16)与现场的数据采集计算机(I)通过无线或有线的方式相连，数据采集计算机(I)与数据采集仪(2 )相连；数据采集仪(2)与各传感器放大器(3)相连；各传感器放大器(3)与对应的焊接式应变计(4)、动水压力传感器(5)、温度传感器(6)、加速度传感器(7)和位移传感器(8)分别相连； 2)数据采集和计算 各传感器放大器(3)将各传感器摄取的信号放大后传递给数据采集仪(2)，通过对各加速度信号进行自谱分析，得出压力钢管(15 )及伸缩节(I I)在各振动方向的共振频率；用压力钢管上的加速度信号作激励信号，将伸缩节上的加速度信号与压力钢管上的加速度信号做传递函数分析，得出它们的共振频率与放大倍数，预判当坝区发生地震时压力钢管的振动对伸缩节振动的影响程度； 3)设置阀值 设定压力钢管及伸缩节运行参数超限报警阀值；数据采集计算机(I)将采集的数据与设定的阀值进行比较，当采集的运行参数超过设定阀值时系统发出声、光报警信号； 4)数据传输 将步骤2)和步骤3)的数据传输给远程监控计算机(16)，实现实时监控。
【文档编号】G01D21/02GK104019849SQ201410250160
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】阮善发, 施凯华, 杨光明, 吴梅英, 阮晓越, 韦彪 申请人:河海大学