技术领域
[0001] 本
发明涉及监测技术，具体涉及一种在役管道环焊缝缺陷监测系统。
背景技术
[0002] 高等级
钢通常应用于高压、大直径管道。由于管道安装现场的焊前预热、焊后保温条件差，以及高等级钢的可焊性差等因素，X80等高等级钢环焊缝缺陷呈现增多的趋势。环焊缝缺陷大多沿环向，其承载安全取决于两个因素，一个是环向缺陷自身的几何尺寸和相对于壁厚的
位置；第二是管道的轴向应
力水平。目前焊缝缺陷几何尺寸的
无损检测方法已较为成熟，但检测均为一次性的，无法实时获得缺陷演化的信息。目前通过应变监测，预警环焊缝缺陷安全的方法尚未报道。由于管道安全的社会影响重大，环焊缝缺陷的安全监测十分必要。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，为环焊缝缺陷的安全预警提供
基础数据。
[0004] 本发明涉及的安全监测系统包含多枚沿轴向的弦式应变计、
数据采集模
块、无线
信号收发模块、
太阳能供电系统(野外)、电源及防雷模块、监测系统
软件。
[0005] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，在管道缺陷横截面布置四枚弦式应变计，一枚跨过环焊缝缺陷的中心，另两枚跨过环焊缝缺陷的端部，一枚布置在环焊缝缺陷中心的对径点处。在距缺陷截面轴向300mm的完整管体上选取一处截面，沿其环向布置十枚应变计，一枚与缺陷中心位于同一
母线，一枚与缺陷中心对径点位于同一母线，其余八枚沿截面环向等间距布置，必须包括0点、3点、6点、9点四个点钟位置。本发明中的弦式应变计均沿管道轴向固定。
[0006] 进一步地，焊缝截面与管体截面同一母线上的测点组成测点对，定义缺陷中心对径点处测点对的应变差值为基准值，根据焊缝缺陷处测点对的应变差值相对于基准值的变化趋势，判断缺陷发展的状态。
[0007] 进一步地，应变基准值εJZ的计算公式为：
[0008] εJZ＝(εQJ(t)-εQJ(0))-(εGJ(t)-εGJ(0))。
[0009] 式中：εQJ(t)为t时刻缺陷中心对径点处弦式应变计的应变值，εQJ(0)为其初始值；εGJ(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心对径点同一母线处应变计的应变值，εGJ(0)为其初始值。
[0010] 进一步地，缺陷中心测点对应变差值εX的计算公式为：
[0011] εX＝(εQX(t)-εQX(0))-(εGX(t)-εGX(0))。
[0012] 式中：εQX(t)为t时刻缺陷中心处的弦式应变计的应变值，εQX(0)为其初始值；εGX(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心同一母线处应变计的应变值，εGX(0)为其初始值。
[0013] 若εX与εJZ相比显著增大，则表明环焊缝缺陷有所发展。
[0014] 进一步地，缺陷端部测点对应变差值εD的计算公式为：
[0015] εD＝(εQD(t)-εQD(0))-(εGD(t)-εGD(0))。
[0016] 式中：εQD(t)为t时刻缺陷端部弦式应变计的应变值，εQD(0)为其初始值；εGD(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心同一母线处应变计的应变值，εGD(0)为其初始值。
[0017] 若εD与εJZ相比显著增大，则表明环焊缝缺陷在环向长度上有所发展。
[0018] 进一步地，结合以上第[0013]条和第[0017]条，第[0013]条表明环焊缝缺陷在深度或环向长度上有所发展，如果第[0017]条没有显示出环焊缝缺陷在环向长度上有所发展的迹象，则说明环焊缝缺陷仅在深度上有所发展。
[0019] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，在距缺陷环焊缝轴向300mm的管体截面布置10枚弦式应变计，环焊缝缺陷发生扩展的同时，可以监测出该管体截面的
应力状态。
[0020] 进一步地，将管体截面上所有测点弦式应变计的应变值取平均作为该截面的轴向应力，每处弦式应变计的应变值减去平均值作为截面的弯曲应力，比较弯曲应力最大值与轴向应力的大小，若弯曲应力大于轴向应力，则认为是弯曲应力导致的环焊缝缺陷扩展，反之亦然。
[0021] 进一步地，若垂向弯曲导致的弯曲应力占优，建议进行
土壤沉降治理；若水平弯曲导致的弯曲应力占优，建议进行土壤移动、占压治理；若沿管道的轴向应力占优，建议进行边坡治理。
[0022] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，若环焊缝缺陷的环向长度较小，则以环焊缝缺陷为中心，沿缺陷长度布置三枚弦式应变计，其固定座与管道轴线平行，并在环向紧密排列。
[0023] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，弦式应变计两底座沿管道轴向布置在管道外表面上，粘结方式为结构胶粘结或
点焊，同时应在应变计外部加装硬质
外壳，应变计的信号线置于保护管中，并对硬质外壳和保护管做绝缘防腐处理。
[0024] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，数据采集模块通过有线传输的方式将采集到的弦式应变计的应变数据传输给无线信号收发模块，转
化成无线信号后发送到监测
系统软件，电源模块或太阳能供电系统为整个监测系统供电，此外，应变信号也可以全部由有线传输的方式传递。
[0025] 进一步地，数据采集模块、无线信号收发模块、和电源及防雷模块均安装于防水密封箱内。
[0026] 进一步地，若监测点在野外，监测系统采用太阳能供电；若监测点在站场，则采用市电供电。太阳能供电系统包括
太阳能电池板、
蓄电池和立柱。
太阳能电池板安装于立柱顶部，蓄电池放置在防水密封箱内安装于立柱底部，立柱顶部安装有避雷针。
[0027] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，弦式应变计自带
温度传感器，监测系统可以同时采集应变信号和温度信号，这样可区分出监测得到的总应变中由温度变化和
载荷变化分别引起的应变。
[0028] 进一步地，环焊缝缺陷横截面上布置的两枚弦式应变计可由位移计和温度传感器替代；完整管体截面上的弦式应变计可由
电阻式应变片替代，同时需要相应的更换数据采集模块。
[0029] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统中，监测数据传输给监测系统软件的方式不限于GPRS，也可采用卫
星系统和光纤传输方式。
[0030] 与
现有技术相比，本发明具有如下的优点和显著效果：
[0031] 本发明提供了一种在役管道环焊缝缺陷监测系统。它由多枚带温度传感器的应变计、数据采集模块、无线信号收发模块、太阳能供电系统、电源及防雷模块和监测系统软件组成。沿管道缺陷横截面环向布置四枚弦式应变计；在距缺陷轴向300mm的管体上选取一处截面，沿截面环向布置十枚应变计。通过对比两截面上相应位置处弦式应变计的变化量，可以实时监测管道环焊缝缺陷是否发生了扩展，以及扩展的方向。根据管体截面上布置的弦式应变计确定该截面的应力状态，计算出该截面上的轴向应力与弯曲应力，明确导致缺陷扩展的原因，为管道地质灾害的治理提供依据。本发明具有应变无零漂、可定量分析温度应变值、无需维护等优点。
附图说明
[0032] 图1为上述一种在役管道环焊缝缺陷监测系统的现场布置示意图。以监测埋地管道1的含缺陷环焊缝4为例，弦式应变计2布置于环焊缝4表面，弦式应变计3布置于完整管体表面。
[0033] 图1中的
水泥基础10为立柱8的安装基础。蓄电池6、太阳能电池板7和防水密封箱9均安装在立柱8上。可在水泥基础10周围安装防护栏5。
[0034] 图2是图1中A-A截面的弦式应变计布置图。A-A截面是选取的完整管体监测截面，距离缺陷截面300mm。弦式应变计G1、G3、G6、和G8布置于管体截面的0点、3点、6点、9点位置，应变计G2、G4、G7、G9均匀分布在其中间。弦式应变计G5与环焊缝缺陷中心的应变计位于管道同一母线上，弦式应变计G10位于G5对径点位置。
[0035] 图3是图1的B-B截面的弦式应变计布置图。B-B截面是含缺陷焊缝的横截面。弦式应变计Q5轴向跨越环向焊缝缺陷的中心，弦式应变计Q4和弦式应变计Q6位于环焊缝缺陷的两端，弦式应变计Q10位于Q5的对径点位置。
[0036] 图4为弦式应变计Q10与G10的应变差值εJZ、弦式应变计Q5与G5的应变差值εX、弦式应变计Q4与G5的应变差值εD随时间的变化趋势图。
具体实施方式
[0037] 下面参照
说明书附图，对一种在役管道环焊缝缺陷监测系统的具体实施方式进行说明。
[0038] 在采用无损缺陷检测方法确定环焊缝缺陷的环向位置后，安装跨越缺陷焊缝的弦式应变计Q4、弦式应变计Q5、弦式应变计Q6，同时在Q5的对径点处安装弦式应变计Q10。
[0039] 在距离环焊缝缺陷300mm左右处选取一处完整壁厚管体横截面，在截面的时钟0点、3点、6点、9点位置，安装弦式应变计G1、弦式应变计G3、弦式应变计G6、弦式应变计G8，在其中间位置分别安装弦式应变计G2、G4、G7、G9。
[0040] 根据环焊缝缺陷中心的点钟位置，在管体截面上安装弦式应变计G5，在G5的对径点处安装弦式应变计G10，位置与应变计Q10处于管道同一母线。
[0041] 浇筑的水泥基础10完全
固化后，安装立柱8。
[0042] 在立柱8上安装蓄电池6、太阳能电池板7和防水密封箱9。
[0043] 在水泥基础10周围，安装防护栏5。
[0044] 弦式应变计的
信号传输线与防水密封箱9内的数据采集模块连接。
[0045] 弦式应变计由专
门的硬质外壳保护，弦式应变计的信号线置于保护管中，并对硬质外壳和裸露管体做绝缘防腐处理。
[0046] 在计算机上安装监测系统软件，设置采集模块编号、
采样频率等参数，开始长期的实时监测。根据环焊缝缺陷的几何尺寸、相对于壁厚的位置和管体应力状态，实时监测环焊缝缺陷的发展状态。
[0047] 焊缝截面与管体截面同一母线上的测点组成测点对，定义缺陷中心对径点处测点对的应变差值为基准值，根据焊缝缺陷处测点对的应变差值相对于基准值的变化趋势，判断缺陷发展的状态。
[0048] 进一步地，应变基准值εJZ的计算公式为：
[0049] εJZ＝(εQ10(t)-εQ10(0))-(εG10(t)-εG10(0))。
[0050] 式中：εQ10(t)为t时刻缺陷中心对径点处弦式应变计的应变值，εQ10(0)为其初始值；εG10(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心对径点同一母线处应变计的应变值，εG10(0)为其初始值。
[0051] 进一步地，缺陷中心测点对应变差值εX的计算公式为：
[0052] εX＝(εQ5(t)-εQ5(0))-(εG5(t)-εG5(0))。
[0053] 式中：εQ5(t)为t时刻缺陷中心处的弦式应变计的应变值，εQ5(0)为其初始值；εG5(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心同一母线处应变计的应变值，εG5(0)为其初始值。
[0054] 若εX与εJZ相比显著增大，则表明环焊缝缺陷有所发展。
[0055] 进一步地，由于环焊缝缺陷的长度一般较短，可以近似采用Q4和G5组成测点对，同时采用Q6和G5组成测点对。下面以Q4和G5测点对为例计算其应变差值εD：
[0056] εD＝(εQ4(t)-εQ4(0))-(εG5(t)-εG5(0))。
[0057] 式中：εQ4(t)为t时刻缺陷端部弦式应变计的应变值，εQ4(0)为其初始值；εG5(t)为t时刻管体截面上与缺陷中心同一母线处应变计的应变值，εG5(0)为其初始值。
[0058] 若εD与εJZ相比显著增大，则表明环焊缝缺陷在环向长度上有所发展。
[0059] 进一步地，结合以上第[0054]条和第[0058]条，第[0054]条表明环焊缝缺陷在深度或环向长度上有所发展，如果第[0058]条没有显示出环焊缝缺陷在环向长度上有所发展的迹象，则说明环焊缝缺陷仅在深度上有所发展。
[0060] 所述的一种在役管道环焊缝缺陷监测系统，在距缺陷环焊缝轴向300mm的管体截面布置10枚弦式应变计，环焊缝缺陷发生扩展的同时，可以监测出该管体截面的应力状态。
[0061] 进一步地，将管体截面上所有测点弦式应变计的应变值取平均作为该截面的轴向应力，每处弦式应变计的应变值减去平均值作为截面的弯曲应力，比较弯曲应力最大值与轴向应力的大小，若弯曲应力大于轴向应力，则认为是弯曲应力导致的环焊缝缺陷扩展，反之亦然。
[0062] 进一步地，若垂向弯曲导致的弯曲应力占优，建议进行土壤沉降治理；若水平弯曲导致的弯曲应力占优，建议进行土壤移动、占压治理；若沿管道的轴向应力占优，建议进行边坡治理。
[0063] 本发明技术方案中，完整管体截面距离环焊缝缺陷的距离、完整管体截面上弦式应变计的数量及其排列方式，可以在满足有效得到截面
应力分布的前提下做出相应的调整。
[0064] 最后说明的是，对发明中提供的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
