基于分布式压电陶瓷传感器的长输管道动力响应监测与损伤识别研究

Long distance pipelines are transportation arteries for petroleum and natural gas. The service environment of long distance pipelines is complex. Dynamic loads like earthquake and impact loads easily lead to pipeline deformation, corrosion and crack and other defects which easily cause pipeline leakage. Pipeline failure will initiate disaster then endanger national economy, people's life and property safety. This project intends to take dynamic response monitoring of key parts of long distance pipelines under earthquake and impact loads, corrosion and damage detection of cracks as research objects. Its main research lines are the methods of vibration picking based on the distributed piezoelectric ceramic, quantitative recognition and location analysis of damage based on stress waves of piezoelectric ceramic. It carries out dynamic response monitoring and damage detecting experiments of pipelines under different working conditions to understand the vibration performance, damage evolving process of corrosion and crack, and attenuating law of stress waves of piezoelectric ceramic. It tries to establish dynamic monitoring theory of pipelines based on piezoelectric ceramic sensor and to propose calculation methods for damage location and quantitative detection based on wave method and time reversal. The research results will lay a foundation for improving seismic calculation theory and damage detection under disaster for long distance pipelines. They will have important significance for realizing the health monitoring of important lifeline engineering and enhancing the disaster prevention and mitigation capacity of long distance pipelines.

长输管道是国家石油、天然气等能源运输的动脉。长输管道服役环境复杂，地震和冲击等动力荷载容易引起管道变形，腐蚀和裂纹等缺陷容易造成管道泄露。管道失效破坏将会引发灾害，危及国民经济和人民生命财产安全。本项目拟以钢制长输管道关键部位在地震、冲击荷载作用下的动力响应监测，腐蚀和裂纹损伤识别为研究对象，以基于分布式压电陶瓷传感器的拾振方法，基于压电陶瓷应力波的损伤定量识别和定位分析方法为研究主线，开展不同工况下的管道动力响应监测和损伤识别试验，弄清管道振动，以及腐蚀和裂纹损伤演化过程与压电陶瓷应力波衰变特性的规律，建立基于压电陶瓷传感器的管道动力响应监测理论，提出基于波动法和时间反转法的管道损伤定量和定位识别计算方法。研究成果将为完善长输管道抗震计算理论和灾害作用下的损伤识别研究奠定基础，对实现重大生命线工程结构灾害监测，提高长输管道防灾减灾能力具有重要意义。

长输管道在服役过程中受地震或冲击荷载作用容易产生局部损伤，现有的检测方法很难实现振动监测和损伤监测同步。本研究探索建立利用压电陶瓷传感器进行管道动力响应监测和损伤识别方法，取得主要成果如下：(1) 对多参数影响下管道受冲击荷载时动力响应进行试验研究与数值模拟，建立管道振动方程，获得管道的位移、速度、加速度响应过程规律；(2)对落石冲击作用下的管道受力性能进行试验与数值模拟，建立埋地管道的竖向、水平受力，以及应力应变计算方法；(3) 对地震作用下高落差、跨断层埋地管道及悬空管道的动力响应进行试验研究和数值模拟，获得多参数影响下管道地震响应规律；(4) 以弹簧替代管土小变形段，考虑管土相互作用，建立管道轴力与管土相对位移间的数学关系；利用弹性地基梁理论，建立管道力的平衡方程和变形协调方程，得到跨断层埋地管道应变和变形的解析方法；（5）对多种型式跨断层管道受力性能进行试验研究和数值模拟分析，获得断层错动量、管径、埋深、弹簧弹性系数、管道跨越角等参数对管道力学性能的影响规律；(6)自制落球加载装置对空心、充水以及充水埋土管道模型进行冲击试验，获得应力波在管道上的传播规律；同时，通过小波包能量法建立管道损伤指数，验证了基于压电陶瓷被动监测法识别管道损伤的可行性；(7) 设计不同损伤形式的空管、充液管道以及充液埋地服役工况的管道试件，进行超声导波管道损伤检测试验和数值模拟，获得了基于压电超声导波识别不同服役工况管道损伤方法；(8) 利用压电超声导波时间反转法进行带裂纹、通透孔型缺陷管道检测试验与数值模拟，验证了基于压电超声导波时间反转法识别管道损伤的可行性和优越性；（9）开展基于匹配追踪去噪和时间反转法的管道缺陷定位研究，实现了单缺陷、多缺陷损伤的准确轴向定位。.项目预定工作全面完成，并有适当拓展，在国内外期刊上发表论文25篇，授权实用新型专利1项，培养10名研究生，研究成果对管道风险评估与防灾减灾设计具有重要意义。