一种用于管螺纹接头松动的监测方法与流程

本发明涉及结构健康监测技术领域，涉及一种螺纹连接松动监测，具体涉及一种用于管螺纹接头松动的监测方法。

背景技术：

内、外管螺纹相互结合时定心、导向作用好，装配、拆卸方便，能承受较大的轴向力和扭矩，被广泛应用于中小尺寸管路系统的连接。管螺纹工作时，长期受到各种外部荷载和振动作用影响，如果缺乏及时有效地检修维护，管螺纹接头部位往往会产生松动而对其密封性造成较大的破坏，因此如何解决有密封要求的管路中管螺纹接头的松动泄漏问题长期以来一直被人们所关注。

压电陶瓷(Lead Zirconate Titanate,PZT)以其特有的传感和作动功能而成为近年来在航空航天、能源、机械、建筑结构等领域广泛研究和应用的智能材料之一。其因具有响应快、频率范围宽、易裁剪、价格低廉等特点而在工程结构监测方面存在着巨大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对管螺纹接头松动监测领域的空白，提出一种用于管螺纹松动病害的监测方法，可以对管螺纹接头的松动进行实时准确的监测和识别。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种用于管螺纹接头松动的监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，将两个压电陶瓷传感器分别以表面粘贴的方式，固定于螺纹接头和螺纹管的表面，在压电陶瓷传感器表面进行防水绝缘处理；

步骤二，将两个压电陶瓷传感器分别通过线缆连接到数据采集卡，然后将数据采集卡与电脑分析终端相连；

步骤三，电脑分析终端通过线缆控制数据采集卡产生一定频段的激励电信号，并通过数据采集卡输出端输出，经线缆传输到作为驱动器的压电陶瓷传感器，激励电信号驱动压电陶瓷传感器产生机械振动，在管螺纹连接中形成压电应力波，并沿管道方向传播；另一个压电陶瓷传感器作为接收器，接收通过管螺纹连接传递的压电应力波信号并将其转化为电信号，经线缆传输到数据采集卡的输入端，数据采集卡将作为接收器的压电陶瓷传感器输出的电信号转化为数字信号，并传输到电脑分析终端；

步骤四，在电脑分析系统中定义管螺纹正常密封工作状态下，所测得的作为接收器的压电陶瓷传感器信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测后续服役状态下不同时期管螺纹连接测量信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析并计算管螺纹接头的松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出管螺纹接头的密封情况。

作为改进，步骤四中，管螺纹正常密封工作状态下作为接收器的压电陶瓷传感器的基准信号，取管螺纹安装完成投入使用初期的采集信号，或者是在通过现有技术检测方法确认管螺纹没有松动泄漏发生时，进行实验采集的信号。

作为改进，在步骤四中，识别特征参数为可以表征信号特征的直接测量值或者衍生值。

作为改进，所述识别特征参数包括接收信号的能量幅值、小波包能量值、结构局部谐振频率、信号拟合回归系数、因子分析系数和小波包节点系数中一种或任意几种组合。

作为改进，松动评判指标包括上述识别特征参数的信号特征值的相对变化值和或变化相对均方差，所定义的松动评判指标越大，则表明被测管螺纹接头的服役状态较正常密封状态差异越明显，即发生松动泄漏的可能性越大，松动病害越严重。

作为改进，步骤一中，在压电陶瓷传感器表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理。

作为改进，所述数据采集卡为NI信号采集卡，NI信号采集卡通过BNC线缆分别与两个压电陶瓷传感器相连，NI信号采集卡通过USB线缆与电脑分析终端相连。

作为改进，所述电脑分析终端通过数据采集卡产生的激励电信号为正弦扫频激励电信号。

本发明的有益效果在于将压电陶瓷传感器技术应用到管螺纹接头的工作状态(或松动病害)的监测和识别，原理明确、成本低廉、操作简单易行、识别准确，可以实现管螺纹密封工作状态的长期在线监测和识别，对于减少管螺纹接头松动泄漏病害的发生，降低整个管道系统的监测和运行维护成本，科学评判和预测管螺纹的服役安全和剩余寿命，保障整个管螺纹系统工程的安全高效运转，维护广大人民的生命财产安全，将产生积极的意义。

另外本发明无需对待监测的管螺纹接头进行特殊定制，仅仅将压电陶瓷传感器通过粘贴方式固定在已有管螺纹接头上即可，方便快捷，使用成本低廉。

附图说明

附图1为本发明的管螺纹连接及压电陶瓷传感器布置示意图。

附图2是本发明的管螺纹松动状态监测示意图。

附图3是管螺纹连接在密封和松动状态下螺纹接触面积减小对比示意图；

其中图3a为管螺纹连接密封状态示意图，图3b为管螺纹连接松动状态下示意图。

附图4是管螺纹密封和松动状态下两个压电陶瓷传感器相对位置变化示意图。

图中：1-螺纹管，2-螺纹接头，3-压电陶瓷传感器，4-压电陶瓷传感器，5-BNC线缆，6-NI信号采集卡，7-USB线缆，8-电脑分析终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式做具体的描述：

两个螺纹管1通过螺纹接头2进行管螺纹连接，之后采取表面粘贴的方式将作为驱动器的压电陶瓷传感器3固定于螺纹接头2的表面，将作为接收器的压电陶瓷传感器4固定于其中一个管螺纹1的表面，在两个压电陶瓷传感器3、4表面均匀涂抹环氧树脂，进行防水绝缘处理；

将两个压电陶瓷传感器3、4分别通过BNC线缆5连接到NI信号采集卡6，NI信号采集卡6通过USB线缆7与电脑分析终端8相连；

电脑分析终端8通过USB线缆7控制NI信号采集卡6产生一定频段的正弦扫频激励电信号，并通过NI信号采集卡6输出端输出，经BNC线缆5传输到压电陶瓷传感器3上，激励电信号驱动压电陶瓷传感器3产生机械振动，在管螺纹连接中形成压电应力波，并沿管道方向传播；随后，压电陶瓷传感器4接收通过管螺纹连接传递来的压电应力波信号，并将其转化为电信号，经BNC线缆5传输到NI信号采集卡6输入端，NI信号采集卡6将压电陶瓷传感器4输出的电信号转化为数字信号，之后通过USB线缆7传输到电脑分析终端8；

在电脑分析系统中定义管螺纹正常密封工作状态下，所测得的作为接收器的压电陶瓷传感器4接收信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后通过监测不同时期管螺纹连接测量信号的识别特征参数，将识别特征参数与识别特征参数基准值对比分析并计算松动评判指标，通过监测评判指标的变化得出管螺纹接头的密封情况。所定义的松动评判指标越大，则表明被测管螺纹连接的工作状况较正常密封状态偏差越大。

例如，设压电陶瓷传感器4接收信号的能量值为E，可以表示为

其中，t_s和t_f分表表示接收信号的初始时刻和结束时刻，y(t)和f_s分别表示接收信号的离散采样值和采样频率。

在这种情况下，管螺纹的松动评判指标即接收信号能量值的相对变化率R，由下式计算：

其中，E_t表示结构实测的信号能量值，E₀表示结构健康密封状态下的信号能量值，即为基准值。以上公式(2)中的信号能量值E还可由小波包能量值、结构局部共振频率来代替。

针对压电传感器接收信号的小波包节点系数r，其松动评判指标还可由小波节点系数r的变化相对均方差(root mean square deviation,RMSD)来进行计算：

其中，r_i表示结构实测信号的第i个小波包节点系数，r_i⁰表示结构健康密封状态下测试信号的第i个小波包节点系数，N表示小波包节点系数的个数。其公式(3)中的小波包节点系数r还可以用信号拟合回归系数、因子分析系数来代替。

本发明的基本原理是，两个螺纹管1通过螺纹接头2进行管螺纹连接，当管螺纹发生松动泄漏时，螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积会随之改变，且松动越严重，螺纹接触面积相较于密封状态变化越大，作为驱动器的压电陶瓷传感器3产生的压电应力波激励信号经过管螺纹连接传递衰减或变化就越大，与此同时，作为接收器的压电陶瓷传感器4接收的应力波信号变化就越大，通过监测压电陶瓷传感器4接收的压电应力波信号变化即可监测管螺纹连松动情况，另外，管螺纹的松动也常常伴随着螺纹管1和螺纹接头2发生相对扭转。因此，通过监测和辨识因管螺纹松动引起的螺纹管1和螺纹接头2的相对位置和螺纹接触面积的改变，即可识别出管螺纹松动的发生，同时一定程度上，评估发生松动的严重程度。

这里给出简要的理论推导，由上述分析可知，管螺纹的松动会引起螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积和相对位置发生改变，因此这里从这两方面分别给出简要的理论推导。

(1)松动引起的管螺纹接触面积改变

如图3所示，当管螺纹发生松动时，假设螺纹接头2保持位置固定，螺纹管1沿着松动方向(这里假设逆时针方向)发生扭转(如图1)，此时螺纹管1与螺纹接头2的螺纹接触面积随之减小。针对管螺纹，假设螺纹管1逆时针方向每转动一周，其与螺纹接头2的接触面积减小ΔS₀，此值在管螺纹出厂时即确定，仅跟管螺纹的几何参数有关(螺纹直径、牙形角、导程等)。

这里假设管螺纹松动时，螺纹管1发生逆时针θ的扭转，本发明仅考虑松动发生初期的监测，因此扭转角的范围为0＜θ≤π。则此种松动状态下，管螺纹接触面积改变量ΔS可以表示为：

这个公式可以表述为：

ΔS∝θ(0＜θ≤π) 公式(5)

即当管螺纹发生松动时，螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积变化量与螺纹管1沿松动方向扭动的转角成正比。

(2)松动引起的管螺纹相对位置改变

根据上述介绍的本发明具体实施方法，在螺纹管1表面粘贴作为接收器的压电陶瓷传感器4，在螺纹接头2表面粘贴作为驱动器的压电陶瓷传感器3。在管螺纹密封状态下，两个传感器3和4沿着螺纹管1长度方向处于同一条直线上，如图4所示，且其初始相对距离为L₀。当管螺纹发生松动时，即螺纹管1沿逆时针方向转动θ，此时压电陶瓷传感器3位置保持不变，而压电陶瓷传感器4随着螺纹管1一同发生θ角转动，最终的位置如图4所示。

假设螺纹管1沿逆时针方向每转动一周，其沿螺纹管1长度方向向外扭出长度为Δl₀，此值在管螺纹出厂时即确定，同样仅跟管螺纹的几何参数有关(螺纹直径、牙形角、导程等)。则当螺纹管1逆时针转动θ时，螺纹管1沿长度方向向外扭出长度为Δl，可以表示为：

与此同时，随着螺纹管1的转动，压电陶瓷传感器4沿着螺纹管1周长方向同样发生了位置改变。假设螺纹管1的半径为R，则当其逆时针转动θ时，压电陶瓷传感器4沿螺纹管1周长方向的位置改变量为θR。如图4所示，此时两个压电陶瓷传感器3、4在松动状态下的相对距离L可以表示为：

因此，当管螺纹发生松动时，两个压电陶瓷传感器3、4的相对位置改变量ΔL可以表示为：

上述公式(8)还可以表述为：

ΔL∝θ(0＜θ≤π) 公式(9)

即当管螺纹发生松动时，粘贴在螺纹接头2表面的压电陶瓷传感器3和粘贴在螺纹管1表面的压电陶瓷传感器4的相对位置改变量与螺纹管1沿松动方向扭动的转角成正相关关系。

综上所述，当管螺纹发生松动时，螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积随之减小，同时两个压电陶瓷传感器3、4的相对位置也会随之增大。而由压电陶瓷传感器产生的压电应力波信号在结构中的传播规律可知，接收信号的能量衰减程度与结构间的接触面积成反比，接触面积越大，应力波通过接触面传播后衰减越小，即接收到的能量越大，反之，接触面积减小，则接收到的能量也随之降低。同时，信号接收位置与信号源的相对距离也直接关系到接收信号的能量衰减程度，接收器离信号源越近，则接收到的能量越大，反之则越小。因此，通过监测压电应力波信号在管螺纹连接中能量传播的衰减程度，即可间接的反映出螺纹管1和螺纹接头2的螺纹接触面积和相对位置的变化情况。当无变化时，则表明管螺纹密封良好，无松动泄漏发生，否则则表明管螺纹出现了松动，从而实现对管螺纹连接密封状态的监测和甄别。本发明提出的方法原理简单、操作易行，对管螺纹微小松动变化也能做到准确实时的监测和识别。

本发明利用管螺纹连接在松动发生时，螺纹管和螺纹接头之间的相对位置和螺纹接触面积发生改变，同时，压电应力波信号在结构传播过程中通过实际接触面后的能量衰减程度与接触面积成反比，与接收器和信号源的相对距离成正比的关系，通过比较实际接收到信号的能量与管螺纹密封状态下参考值的相对大小，即可简单高效地实现管螺纹密封状态的监测和识别，对于提高管螺纹连接的安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的意义。