一种高温高压动力管道状态监测系统的制作方法

本发明涉及安全评估技术领域，尤其涉及一种高温高压动力管道状态监测系统。

背景技术：

高温高压动力管道是石油化工、化工、冶金、火力发电及核电等国民经济支柱行业中的极其重要的过程装备，其现有的应力状态管理为定期检验的方式，无法适应多工况的可靠性和长周期使用寿命的要求，同时由于设计阶段对服役工况的认识偏差以及设计理论的不完善和经验反馈的滞后性，在役高温高压动力管道的损伤具有不确定性和难以预测性。因此针对高温高压动力管道应力状态管理的问题，需要监测管道的实际膨胀状态，同时评估管道支吊架运行状态，建立高温高压动力管道状态实时监测系统；同时依据管道的数字孪生模型，可根据管道实施状态监测数据，分析评估管道的实际应力安全状态，从而从根源上解决高温高压动力管道应力状态管理的问题。

目前检索相关文献，尚未发现针对高温高压动力管道状态监测及安全评估的系统。在海底、石化长输管道的领域有类似的监测系统，但适用的条件不同，且存在根本性的缺点。。

结构健康监测系统研究已经成为航空航天、国防、复合材料、土木工程等领域的热点研究方向,各国均尝试在新建的和已服役的重要工程结构上增设健康监测系统，但尚无成熟的高温高压动力管道状态监测及安全评估系统。

浙江大学邵剑文研究了海底管道的健康监测系统，将基于应变的随机变幅多轴疲劳寿命模型引入海底管道疲劳寿命的评估中通过光纤应变传感器给出的应变数据分析截面的受力状况，选取截面多个关键点，将扩展的多轴雨流计数法来统计关键点的循环载荷次数，结合疲劳损伤累计模型给出单点疲劳损伤为管道的疲劳寿命提供量化指标。

大连理工大学周灵琳开发了海底管道健康监测和安全评价系统软件，基于光栅光纤智能传感技术，根据海底管道的特点进行了系统数据流程设计、系统功能设计、系统数据库设计，在此基础上针对海底悬跨管道地震反应试验开发了实验模型子系统、数据对接子系统、数据查询子系统、安全评价子系统，实现了海底管道健康监测与安全评价系统的功能。

在石化行业，针对油气长输管道引入了完整性管理的概念，经过国内学者的不断研究与发展，形成了综合的风险预控体系，发布了《油气输送管道完整性管理规范》(gb32167-2015)。

但高温高压动力管道的运行条件与海底、石化长输管道的运行条件完全不同。高温高压动力管道在运行温度极高，冷热态温差及引起的膨胀变化极大，因此监测参数的获取、工况的分析、安全评估的准则等均与海底、石化长输等行业的完全不同，不具有替代性。

在石油化工、化工、冶金、火力发电及核电等国民经济支柱行业中的过程装备，如管道等设备均朝着高温高压等高参数趋势发展，部分高温高压的动力管道的介质参数可达25mpa/600℃以，很多在役部件长期处于严苛的运行环境及复杂的运行工况(启停频繁、工况变化频繁等)中，因此对于高温高压动力管道在复杂的工艺条件下的可靠性和长周期使用寿命提出了更高的要求。

同时在实际的运行过程中，在役高温高压动力管道的操作工况是十分复杂的，一些设计过程中未考虑的非正常的运行工况时常难以避免(操作失误、异常的压力波动或温度波动产生的疲劳、蠕变载等)。这些非正常运行工况具有一定的偶然性，在设计过程中很难将其全部考虑。虽然在设计过程中引入了安全系数，但运行过程中仍有很多未知的危险因素可能造成结构发生一定程度的损伤或者失效。由于设计阶段对服役工况的认识偏差以及设计理论的不完善和经验反馈的滞后性，在役高温高压动力管道的损伤具有不确定性和难以预测性。

超超临界发电技术是我国当下燃煤电站主要机组类型,首批机组服役时间已经达到10万小时，部分高温高压动力管道出现了运行期间贯穿裂纹等严重缺陷。研究表明高温高压动力管道的失效(如裂纹失效、爆管等)与管道的应力密切相关，尤其是管道热膨胀引起的管道应力是整个管道应力的主要因素。

目前针对火电厂高参数管道的安全监管主要从金属管道原件材质检验(dl438、dl441等)、管道受力状态及支吊架检验(dl/t616等)、管道焊接(dl/t869等)三个方面入手，主要以定期检验为主，部分部位采用重点区域抽检的办法。这些传统方式不能对管道进行实时损伤检测，不能预测缺陷的可能位置，也无法获知高参数管道高应力区发生的转移或应力状态劣化，处于事后检验的状态。

常规监测系统的数据测试方式不适用于高温高压动力管道；其他领域，如海底、石化长输管道等，采用直接法测管道的应力，比如采用电阻式应变片、光纤光栅、基于此原理的应变传感器等。对于海底、石化长输管道等等领域，其工作条件(如温度)是满足测试要求的。但是对于高温高压动力管道，这些直接法均不可用。因为火力发电厂高温高压动力管道的工作温度高达600℃，已经远远超出了直接法采用设备的工作温度区间。虽然近期研究表明，部分特制应变片可以达到此工作温度，但是无法进行长期监测(有效工作实际仅几十个小时)，且成本极其昂贵(单片1.5万以上)，无法用于大面积布点监测。

因此，对于高温高压动力管道的运行特点，现有的监测方案中的监测手段无法使用，连基础监测数据都无法取得。

常规监测系统的数据处理方式和评估准则不适用于高温高压动力管道；其他领域，如海底、石化长输管道等，其监测系统是直接测试管道表面应力，中间经过数据处理，然后根据传统强度理论进行应力状态安全评估。

但是对于高温高压动力管道的运行特点，管道应力状态无法直接测量，传统评估方法的思路无法应用。同时，针对高温高压动力管道应力评估的特点，asmeb31.1以及国内动力管道应力分析规范均提出了基于疲劳的名义应力(一次应力、二次应力)的评估准则，与常规监测系统有本质的不同。因此常规监测系统的评估准则不适用于高温高压动力管道。

技术实现要素：

鉴于以上内容，本发明提供了一种高温高压动力管道状态监测系统，能够从根源上解决高温高压动力管道应力状态管理的问题。技术方案如下：

本发明提供了一种高温高压动力管道状态监测系统，包括前端数据采集模块、数字建模模块、在线监测模块和输出模块；

所述前端数据采集模块用于采集管道的状态数据，并将采集得到的所述状态数据传输至数字建模模块和在线监测模块；

所述数字建模模块用于对所述状态数据进行处理，并结合预建立的管道数字模型得到数字孪生模型；

所述在线监测模块用于根据所述数字孪生模型对管道的状态进行安全性评估，或者，根据所述数字孪生模型和所述状态数据对管道的状态进行安全性评估，得到安全性评估结果；

所述输出模块用于输出所述安全性评估结果。

进一步地，所述在线监测模块包括应力安全预警模块，所述应力安全预警模块用于根据管道应力失效机理分析，结合所述数字孪生模型和/或所述状态数据，预测管道的未来状态数据，并根据所述的未来状态数据发出预警。

进一步地，所述数字建模模块包括管道数字模型模块、应力分析模块和模型搭建模块；

所述管道数字模型模块用于根据预输入的管道信息建立管道数字模型；

所述应力分析模块用于对所述管道数字模型进行有限元分析，得到应力分布数据；

所述模型搭建模块用于将所述应力分析模块嵌入所述管道数字模型，将所述状态数据输入所述管道数字模型，搭建管道的数字孪生模型。

进一步地，所述前端数据采集模块包括膨胀监测模块，所述膨胀监测模块用于监测管道的热膨胀量。

进一步地，所述在线监测模块包括

安全性评估与智能诊断模块，所述安全性评估与智能诊断模块用于根据预设的评估准则、所述数字孪生模型和/或所述状态数据，对管道的状态进行安全性评估，并得到所述安全性评估结果；

管道实时应力状态模块，所述管道实时应力状态模块用于根据所述数字孪生模型和/或所述状态数据，实时显示管道的应力分布状态。

进一步地，所述输出模块包括三维可视化平台，所述三维可视化平台用于建立并显示可视化、可交互的三维管道模型。

进一步地，所述前端数据采集模块包括荷载监测模块，所述荷载监测模块用于测量管道吊架的荷载。

进一步地，所述膨胀监测模块包括高精度位移传感器，所述高精度位移传感器包括激光传感器、超声波传感器、电感式传感器、滑轨移动式传感器中的一种或多种。

进一步地，所述在线监测模块将所述安全性评估结果传输至所述前端数据采集模块，所述膨胀监测模块根据所述安全性评估的结果和/或预设方案选择监测点。

进一步地，所述预警的方式包括界面弹窗、系统邮件、短信、app软件提醒中的一种或多种。

本发明具有下列优点：

a.利用数字孪生模型建立了高温高压动力管道状态实时监测系统；

b.可以预测管道未来的安全状态；

c.建立膨胀监测模块，对管道的监测更加合理；

d.从根源上解决高温高压动力管道应力状态管理的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高温高压动力管道状态监测系统的第一示意图；

图2是本发明实施例提供的高温高压动力管道状态监测系统的第二示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，提供了一种高温高压动力管道状态监测系统，包括前端数据采集模块、数字建模模块、在线监测模块和输出模块；

所述前端数据采集模块用于采集管道的状态数据，并将采集得到的所述状态数据传输至数字建模模块和在线监测模块；

所述数字建模模块用于对所述状态数据进行处理，并结合预建立的管道数字模型得到数字孪生模型；

所述在线监测模块用于根据所述数字孪生模型对管道的状态进行安全性评估，或者，根据所述数字孪生模型和所述状态数据对管道的状态进行安全性评估，得到安全性评估结果；

所述输出模块用于输出所述安全性评估结果。

本发明的高温高压动力管道状态监测系统采用了间接法来监测管道的状态数据，通过数字孪生模型来反映管道的实时应力安全状态。对于高温高压动力管道，能够反映其运行状态的指标除了温度、压力外，主要有管道的热膨胀量和支吊架系统的实际荷载。

因此，在本发明的一个实施例中，所述前端数据采集模块包括膨胀监测模块，所述膨胀监测模块用于监测管道的热膨胀量，现有技术中还没有相似考虑的方案。

本发明的膨胀监测系统模块既可以采用接触法，也可以采用非接触法来监测管道的热膨胀量。

常用的高精度位移传感器有激光、超声波、电感式、滑轨移动式等形式，同时基于大数据以及人工智能(ai)技术，已经可以实现高清图像对比分析技术，可以拍照后，根据管道的膨胀前后的照片，直接分析出管道的膨胀量。

对于本发明而言，作为前端膨胀监测模块，膨胀监测系统的测量部分并不需要固定某一种测量方法，可综合考虑如高温、户外环境、长期监测等因素的影响，采用通用、成熟的测量技术，根据应用场景灵活选择。

在本发明的一个实施例中，所述前端数据采集模块还包括荷载监测模块，所述荷载监测模块用于测量管道吊架的荷载。

本发明的支吊架荷载监测模块可通过超声、应变等方式，或基于应变的荷载传感器进行荷载监测。各种传感器各有优劣。对于本发明而言，作为前端支吊架荷载监测模块，监测系统的测量部分并不需要固定某一种测量方法，可根据高温高压动力管道的特殊应用环境，如高温、户外环境、长期监测等因素的影响，综合考虑选用合适的传感器，采用通用、成熟的测量技术，根据应用场景灵活选择。

本发明中数据采集模块的前端传感器可采用多种实现方式，但是每种方式需满足数据传输模块的要求。

在本发明的一个实施例中，所述在线监测模块将所述安全性评估结果传输至所述前端数据采集模块，所述膨胀监测模块根据所述安全性评估的结果和/或预设方案选择监测点和监测方案。

每条管道的监测方案各不相同，需根据整体的管道应力分析、热膨胀及其趋势分析、重点管件位置等确定监测点传感器的设计布置(如何测、测哪些、哪里测，多少个等)，整体考虑后确定测试方案。

热膨胀监测一般需在管道膨胀量大的部位，以及管系刚度分析中，刚度较小的部位。在同一管系中，水平段的膨胀测点不宜少于两个，垂直管段的膨胀测点不易少于两个，某方向的限位装置的两侧管段需分别设置测点，管系各个端口需设置膨胀测点。

支吊架荷载监测点需要根据管系设计时的荷载分配原则来确定，同时考虑到恒力弹簧吊架在拉压行程的荷载特性，一般在热膨胀量较大的恒力弹簧吊架处、大吨位的变力弹簧吊架处设置荷载监测点。

在本发明的一个实施例中，所述膨胀监测模块包括高精度位移传感器，所述高精度位移传感器包括激光传感器、超声波传感器、电感式传感器、滑轨移动式传感器中的一种或多种。

各传感器与采集仪之间的数据传输不影响整个监测系统的运行。既可以采用传统有线传输，也可以考虑数据采集平台，总线传输选用、布线，后台软件控制系统等，采用基于nb-iot工业互联网数据传输方式。

在本发明的一个实施例中，所述数字建模模块包括管道数字模型模块、应力分析模块和模型搭建模块；

所述管道数字模型模块用于根据预输入的管道信息建立管道数字模型，具体地，建立管道数字模型的过程包括整理搜集机组以及相关管道、支吊架等图纸，整理相关部件的基础信息，建立基础信息数据库。数据库包含机组、相关管道的基本参数、对应图纸、产品手册、安装记录、历次检修、检验记录、后续检修计划、内部自检记录等；后期的历次检修数据在检修结束后，应规格化处理，导入信息管理数据库，基于三维可视化建模技术，建立全厂主体结构的三维模型，并着重建立全尺寸1:1比例的高温高压动力管道的三维可视化模型。模型建立时进行参数化建模，可直接对接有限元分析软件，同时接入管道监测参数。模型中每一段管件、支吊架等部件分别为对应的数据库的入口，即点击某一段管件或支吊架，可进入相关部件的信息查询与管理数据库(图形即为数据交互入口)。三维可视化信息管理平台包含四大管道等主管道信息管理数据库，以及检修数据库，同时预留了重要承压件金属材料信息等其他类型数据库接口，便于三维可视化信息管理平台的功能扩展；

所述应力分析模块用于对所述管道数字模型进行有限元分析，得到应力分布数据，具体地，高温高压动力管道在设计时将管道简化为了多点梁单元，管道自重荷载、各种外载、支吊架荷载、热膨胀等进行了线性叠加。目前国内普遍认可的动力管道应力分析软件为美国公司产品，存在一定的安全和使用风险，而且该软件的求解模块无法单独开放。因此针对此种工况，可采用国内已有的成熟有限元求解器。由于对动力管道进行有限元分析时，划分为多点梁单元，计算量较小，对于监测系统，可将管道有限元模型固化在监测系统中，因此该应力分析模块可用作实时的应力分析；

所述模型搭建模块用于将所述应力分析模块嵌入所述管道数字模型，将所述状态数据输入所述管道数字模型，搭建管道的数字孪生模型，具体地，以高温高压动力管道的内含网格的参数化三维可视化模型为基础，嵌入应力分析模块，以端口位移为初始固定边界条件，以监测的管道实际膨胀以及支吊架实际荷载为输入变量，搭建动力管道的数字孪生模型；动力管道的数字孪生模型前台为三维可视化管理界面，后台内嵌管理数据库，同时嵌入了应力分析模块，可在前台三维可视化模型中输出管道的实时应力状态，实现动力管道的应力状态实时监控。

以高温高压动力管道的数字孪生模型为基础，根据监测数据以及管系应力状态输出结果，可实现若干功能。

在本发明的一个实施例中，所述在线监测模块包括

安全性评估与智能诊断模块，所述安全性评估与智能诊断模块用于根据预设的评估准则、所述数字孪生模型和/或所述状态数据，对管道的状态进行安全性评估，并得到所述安全性评估结果；具体地，针对高温高压动力管道应力评估的特点，asmeb31.1以及国内动力管道应力分析规范均提出了基于疲劳的名义应力(一次应力、二次应力)的评估准则，与普通的强度理论有本质的不同；除常规名义应力的安全评估准则外，监测的管道膨胀和支吊架实际荷载可直接影响管道的应力状态，本发明提出可针对关键点的特定指标建立多工况下管系多维度的典型安全特征数据库，如关键点的实际膨胀量等。同时针对管道中出现的各种非致命与致命缺陷，可实行加权评分机制，建立安全评价评分与预警体系；针对大量的监测数据，可进行大数据分析及预警策略设计，实现智能诊断；

管道实时应力状态模块，所述管道实时应力状态模块用于根据所述数字孪生模型和/或所述状态数据，实时显示管道的应力分布状态。

在本发明的一个实施例中，所述输出模块包括三维可视化平台，所述三维可视化平台用于建立并显示可视化、可交互的三维管道模型；具体地，本发明的监测系统集成了高温高压动力管道基础信息数据库，以及检修数据库，可实现查询、修改、图纸数据库、筛选、导入导出检修计划等三维可视化管理。同时预留了重要承压件金属材料信息等其他类型数据库接口，便于三维可视化信息管理平台的功能扩展。

在本发明的一个实施例中，所述在线监测模块包括应力安全预警模块，所述应力安全预警模块用于根据管道应力失效机理分析，结合所述数字孪生模型和/或所述状态数据，预测管道的未来状态数据，并根据所述的未来状态数据发出预警。

所述预警的方式包括界面弹窗、系统邮件、短信、app软件提醒中的一种或多种，但不限于以上列举的几种；具体应用中，可以根据管道应力失效机理分析，结合管道膨胀监测和荷载监测数据，可以在管道膨胀异常时，或根据支吊架荷载的异常变化，直接进行管道应力安全预警。也可以根据相应的应立分析结果进行应力安全预警。预警方式可以采用界面弹窗、系统邮件、短信、app软件提醒等形式。

图2是本发明技术方案的一种等同方案的体现，尽管模块的命名可能不同，但实质上模块排布、功能设计与本发明是相同的。如图2所示，本发明的监测系统还可以包括远程诊断体系或其他体系，可在监测数据和应力状态输出的基础上定制其他功能，也可以加载其他模块，实现功能扩展。

本发明的监测系统通过监测管道的实际膨胀状态，同时监测管道支吊架运行状态，建立了高温高压动力管道状态实时监测系统；同时依据管道的数字孪生模型，可根据管道实施状态监测数据，分析评估管道的实际应力安全状态，从而从根源上解决高温高压动力管道应力状态管理的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。