一种埋地管道应力无损监测测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种埋地管道应力无损监测测量装置，属于管道监测技术领域。

背景技术：

埋地钢制管道输送是目前油气输送的主要手段。但是，埋地油气管道在服役期间会因为受到局部载荷的作用，使其在受力位置产生应力集中区域，该区域的存在容易诱发裂纹，导致管道失效乃至发生事故。因此，对应力集中区域进行监测与评估，可以起到对铁磁管道早期诊断的作用，有力保障管道的安全运行。

然而，现在却没有对埋地管道应力无损监测测量装置及监测方法。

技术实现要素：

针对现有技术中输气管道应力监测的不足，本实用新型提供一种埋地管道应力无损监测测量装置，本实用新型基于铁磁性材料的磁弹效应原理，即当铁磁性材料承受的外界机械荷载发生变化时，其内部产生应变，从而产生应力σ，使得磁化强度(磁导率)发生变化，通过测量铁磁性材料构件的磁导率变化，有效测量铁磁性材料的应力。

本实用新型为解决其技术问题而采用的技术方案是：

一种埋地管道应力无损监测测量装置，磁通量传感器1、数据采集仪5、计算机9和太阳能供电系统11，磁通量传感器1设置在被测埋地管道2表面，磁通量传感器1与数据采集仪5连接，数据采集仪5与计算机9连接，数据采集仪5外接太阳能供电系统11。

所述埋地管道应力无损监测测量装置还包括无线发射/接收器6，数据采集仪5通过无线发射/接收器6与计算机9无线连接。

所述磁通量传感器1包括温度传感器12、保护壳13、激磁线圈14、测量线圈15和数据传输接口16，温度传感器12和测量线圈15均设置在激磁线圈14的内侧，激磁线圈14外侧设置保护壳13，数据传输接口16穿过保护壳13的侧端面，温度传感器12、激磁线圈14和测量线圈15均与数据传输接口16连接，数据采集仪5通过信号传输线3与数据传输接口16连接。

进一步的，数据采集仪5设置有传感器接口4、远程数据接口7和电源接口8，传感器接口4通过信号传输线3与磁通量传感器1的数据传输接口16连接，远程数据接口7与计算机9连接，电源接口8外接太阳能供电系统11。

所述太阳能供电系统11包括太阳能电池板17、太阳能充放电控制器19、蓄电池18和直/交流逆变器20，太阳能电池板17、蓄电池18、直/交流逆变器20均与太阳能充放电控制器19连接，数据采集仪5外接太阳能供电系统11的直/交流逆变器20。

所述温度传感器设置在激磁线圈内测，实时测量管体温度，保护壳起到保护温度传感器、激励线圈、测量线圈和数据传输接口的作用，测量线圈设置在激磁线圈的内侧，激磁线圈即初级线圈的两端加交流激励信号，测量线圈在激磁线圈即初级线圈施加激励信号后会产生感应电动势；

所述数据采集仪采集测量线圈产生感应电动势，并传输给计算机，计算机对测量数据的处理，即可得出埋地管道的应力变化情况，可解决埋地管道应力变化难以测量的问题，提供实时检测数据，操作简便、可靠性高；

所述太阳能供电系统的太阳能电池板经由太阳光照射电流经过太阳能充放电控制器对蓄电池充电，所述太阳能控制器自动控制对蓄电池充电以及蓄电池给直、交流逆变器负载供电，当蓄电池放电值低于标准值时，为保护蓄电池，控制器会停止放电，等再上升到规定值之后自动恢复供；所述蓄电池具有电量储备功能，在有光照条件下电量逐渐累积，在阴雨天太阳能电池板不再为蓄电池充电时，蓄电池可稳定提供电源使系统继续工作；所述直、交流逆变器可以将太阳能电池板和蓄电池的电能转变成220v交流电以供数据采集仪使用。

埋地管道应力无损监测方法，采用埋地管道应力无损监测测量装置，具体步骤如下：

(1)铁磁性材料磁导率变化δμ与应力σ关系的数学模型为

其中λm为磁化饱和状态铁磁材料磁致伸系数，μ1为没有外力作用下铁磁材料的磁导率，bm为磁化饱和状态的磁感应强度，即当铁磁材料的λm和bm对应力不太敏感时，δμ与应力σ为线性关系；即

通过测量埋地管道的磁导率变化量计算应力值；

(2)在磁通量传感器初级线圈的两端加交流激励信号，使其产生随时间变化的交变磁场，在次级线圈中将产生感应电压vind(t)，

(3)通过线圈的磁通量沿着被测试件的方向，测试过程中，总的磁通量由通过管内介质的磁通量和通过钢管的磁通量组成，感应电压vind(t)为

式中μ0为管内介质的磁导率；为线圈中管内介质的表面积，sμ为钢管被占部分的表面积；将感应电压对时间进行积分，得到平均时间的输出电压为

式中，δh为磁场强度在时间间隔t2-t1中所发生的变化，δb为磁场强度和磁通量密度在时间间隔t2-t1中所发生的变化，线圈的匝数较多且排列紧密，则磁场均与分布，故

式中s0为线圈总的截面面积；sf为钢管的截面面积；t为rc电路的时间常数；在线圈中未放钢管的情况下，随时间变化的输出电压的积分为

故，

通过磁通量传感器测定某时间段的积分电压vout和v0计算出变化的磁导率，再计算出管道应力σ。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的埋地管道应力无损监测测量装置结构合理简单，可以实现对管道承载应力的无损、非接触监测，对管道没有损坏；

(2)本实用新型的埋地管道应力无损监测测量装置可以在计算机上远程对埋地管道进行实时的应力监测测量；

(3)本实用新型的埋地管道应力无损监测测量装置可以进行自动温度补偿，实时监测出埋地管道受土壤载荷、内压及温差共同作用时与土体相互作用后受到的应力情况；

(4)本实用新型的埋地管道应力无损监测测量装置可以支持多个磁通量传感器对埋地管道管体多个区域的监测测量；

(5)本实用新型的埋地管道应力无损监测测量装置安装操作简单，加载方便，测量精度高，自动化程度高。

附图说明

图1为实施例1埋地管道应力无损监测测量装置结构示意图；

图2为实施例1磁通量传感器的剖视示意图；

图3为实施例1磁通量传感器的a-a剖面；

图4为实施例1磁通量传感器的b-b剖面；

图5为实施例1太阳能供电系统组成示意图；

图6为实施例2埋地管道应力无损监测测量装置结构示意图；

图中：1-磁通量传感器、2-被测埋地管道、3-信号传输线、4-传感器接口、5-数据采集仪、6-无线发射/接收器、7-远程数据接口、8-电源接口、9-计算机、10-供电电线、11-太阳能供电系统、12-温度传感器、13-保护壳、14-激磁线圈、15-测量线圈、16-数据传输接口、17-太阳能电池板、18-蓄电池、19-太阳能充放电控制器、20-直/交流逆变器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种埋地管道应力无损监测测量装置，磁通量传感器1、数据采集仪5、计算机9和太阳能供电系统11，磁通量传感器1设置在被测埋地管道2表面，磁通量传感器1与数据采集仪5连接，数据采集仪5与计算机9连接，数据采集仪5外接太阳能供电系统11；埋地管道应力无损监测测量装置还包括无线发射/接收器6，数据采集仪5通过无线发射/接收器6与计算机9无线连接；

如图2-4所示，磁通量传感器1包括温度传感器12、保护壳13、激磁线圈14、测量线圈15和数据传输接口16，温度传感器12和测量线圈15均设置在激磁线圈14的内侧，激磁线圈14外侧设置保护壳13，数据传输接口16穿过保护壳13的侧端面，温度传感器12、激磁线圈14和测量线圈15均与数据传输接口16连接，数据采集仪5通过信号传输线3与数据传输接口16连接；

数据采集仪5设置有传感器接口4、远程数据接口7和电源接口8，传感器接口4通过信号传输线3与磁通量传感器1的数据传输接口16连接，远程数据接口7与计算机9连接，电源接口8通过供电电线10外接太阳能供电系统11，以确保系统正常工作，并通过数据采集仪5为激磁线圈14和数据采集仪5端的无线发射/接收器6供电；

如图5所示，太阳能供电系统11包括太阳能电池板17、太阳能充放电控制器19、蓄电池18和直/交流逆变器20，太阳能电池板17、蓄电池18、直/交流逆变器20均与太阳能充放电控制器19连接，数据采集仪5外接太阳能供电系统11的直/交流逆变器20；

温度传感器设置在激磁线圈内测，实时测量管体温度，保护壳起到保护温度传感器、激励线圈、测量线圈和数据传输接口的作用，测量线圈设置在激磁线圈的内侧，激磁线圈即初级线圈的两端加交流激励信号，测量线圈在激磁线圈即初级线圈施加激励信号后会产生感应电动势；数据采集仪采集测量线圈产生感应电动势，并传输给计算机，计算机对测量数据的处理，即可得出埋地管道的应力变化情况，可解决埋地管道应力变化难以测量的问题，提供实时检测数据，操作简便、可靠性高；

太阳能供电系统的太阳能电池板经由太阳光照射电流经过太阳能充放电控制器对蓄电池充电，太阳能控制器自动控制对蓄电池充电以及蓄电池给直、交流逆变器负载供电，当蓄电池放电值低于标准值时，为保护蓄电池，控制器会停止放电，等再上升到规定值之后自动恢复供；蓄电池具有电量储备功能，在有光照条件下电量逐渐累积，在阴雨天太阳能电池板不再为蓄电池充电时，蓄电池可稳定提供电源使系统继续工作；直、交流逆变器可以将太阳能电池板和蓄电池的电能转变成220v交流电以供数据采集仪使用。

监测测量过程如下：

分别将磁通量传感器1安装固定在被测埋地管道2上，将数据采集仪5连通太阳能供电系统11；数据采集仪5为激磁线圈14提供脉冲电流，测量线圈15就会产生感应电动势，同时温度传感器12实时测量管体温度，数据采集仪5通过传输信号线3采集磁通量传感器1传递过来的温度和感应电动势，经由无线发射/接收器6，远程操作计算机9读取经数据采集仪5处理过的信息，并经过计算后直接显示管道所受应力数据出来。数据记录过程真实可靠，可以保存下来视为最佳的过程数据，方便查验；

埋地管道应力无损监测计算方法，具体步骤如下：

(1)铁磁性材料磁导率变化δμ与应力σ关系的数学模型为

其中λm为磁化饱和状态铁磁材料磁致伸系数，μ1为没有外力作用下铁磁材料的磁导率，bm为磁化饱和状态的磁感应强度，即当铁磁材料的λm和bm对应力不太敏感时，δμ与应力σ为线性关系；即

通过测量埋地管道的磁导率变化量计算应力值；

(2)在磁通量传感器初级线圈的两端加交流激励信号，使其产生随时间变化的交变磁场，在次级线圈中将产生感应电压vind(t)，

(3)通过线圈的磁通量沿着被测试件的方向，测试过程中，总的磁通量由通过空气的磁通量和通过钢管的磁通量组成，感应电压vind(t)为

式中μ0为管内介质的磁导率；为线圈中管内介质的表面积，sμ为钢管被占部分的表面积；将感应电压对时间进行积分，得到平均时间的输出电压为

式中，δh为磁场强度在时间间隔t2-t1中所发生的变化，δb为磁场强度和磁通量密度在时间间隔t2-t1中所发生的变化，线圈的匝数较多且排列紧密，则磁场均与分布，故

式中s0为线圈总的截面面积；sf为钢管的截面面积；t为rc电路的时间常数；在线圈中未放钢管的情况下，随时间变化的输出电压的积分为

故，

通过磁通量传感器测定某时间段的积分电压vout和v0计算出变化的磁导率，再计算出管道应力σ。

实施例2：本实施例埋地管道应力无损监测测量装置的结构与实施例1埋地管道应力无损监测测量装置的结构基本一致，不同之处在于：使用信号传输线代替无线发射/接收器6，将数据采集仪5直接连接到计算机9上(见图6)，本实施例适用于管线附近的观察站以及在没有通讯信号或者通讯信号较差的偏远地区监测管道应力。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。