李宗源， 馮 謙,2， 梁亞斌,2， 羅登貴,2， 劉鐵軍

(1. 中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071; 2. 武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071;3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

0 引 言

鋼管在管道工程中應(yīng)用廣泛，連接方式多種多樣，焊接、螺紋連接、卡箍連接、法蘭連接等連接方式是鋼管管道連接的主要方式。螺紋連接因其可拆卸、制作方便、連接前后不發(fā)生彎曲而被廣泛使用，但其同樣容易產(chǎn)生松動泄露、接頭腐蝕等問題。鋼管管道連接部位是管道工程中的薄弱環(huán)節(jié)，對管道連接部位的研究相對缺失，因此，對連接部位進行松動監(jiān)測等相關(guān)研究具有重要意義。

壓電材料是新型智能材料，其基本原理來自壓電效應(yīng)。由于壓電效應(yīng)的存在，利用壓電材料產(chǎn)生的超聲導(dǎo)波、lamb波、高頻機械震蕩等監(jiān)測、檢測方法應(yīng)運而生。各種檢測方法在土木工程領(lǐng)域中逐漸被廣泛應(yīng)用[1]，并發(fā)明出新型構(gòu)件[2-3]監(jiān)測混凝土、螺栓[4]、鋼結(jié)構(gòu)[5]、管道[6]等方方面面的工程對象。張宇[7]利用壓電阻抗法識別管道運營條件下的管道裂紋，得到有效的損傷識別指標，驗證了實驗可行性；Feng[8]用壓電主動法監(jiān)測混凝土管管道裂縫不同走向以及局部滲水對壓電信號的改變程度；Du[9]通過人工制造缺陷來模擬管道腐蝕情況，之后利用時間反演法對鋼管管道的腐蝕缺陷進行實驗驗證；Yan[10]用超聲導(dǎo)波監(jiān)測管道兩個裂縫，并通過損傷敏感程度來判斷壓電材料能否監(jiān)測雙裂縫工況。雖然在管道病害方面利用壓電材料監(jiān)測的方式方法很多，但實驗室所用方法能夠用于實際檢測的并不多，壓電主動法是能夠?qū)嶋H應(yīng)用的方法之一。

本文利用壓電主動傳感法，對鋼管管道螺紋接頭部位的松動病害進行實驗，以探求松動監(jiān)測可行性。

1 實驗原理

1.1 螺紋接頭松動對應(yīng)力波能量的影響

應(yīng)力波在管道和接頭之間的接觸界面發(fā)生透射，透射能量大小與接觸面積相關(guān)。當(dāng)接頭部位松緊程度改變時，螺紋嚙合接觸面積隨之改變，由此通過監(jiān)測接收應(yīng)力波信號的能量改變，來間接表征接頭部位接觸面積的改變，最終達到監(jiān)測松緊程度的目的。因壓電陶瓷片實現(xiàn)了電能與機械能的相互轉(zhuǎn)變，壓電陶瓷片可以作為傳感器，接收應(yīng)力波，或者作為激發(fā)器，直接產(chǎn)生應(yīng)力波。利用此效應(yīng)來發(fā)射并接收應(yīng)力波，能夠作為監(jiān)測手段達到實驗?zāi)康摹?/p>

應(yīng)力波在傳播的過程中，受介質(zhì)的影響較大。當(dāng)構(gòu)筑物隨著自身狀態(tài)的改變，相應(yīng)的應(yīng)力波的表現(xiàn)形式也發(fā)生改變。壓電陶瓷產(chǎn)生的應(yīng)力波，對于接觸面積、界面、介質(zhì)自身改變等方面的變化有明顯的識別作用。在該實驗中，信號通過連接界面?zhèn)鬟f能量，轉(zhuǎn)動過程中，緊固力通過界面的摩擦力表現(xiàn)在接頭部位的扭力上，界面的摩擦力同壓強，受力面積相關(guān)。在金屬制品表面接觸中，經(jīng)典赫茲接觸理論和正弦波表面模型能夠很好解釋壓強、接觸面積，扭力之間的關(guān)系[11]，為了突出影響信號能量的主要因素，該實驗在原理分析里面的主要變量有兩個，分別是界面接觸面積S和兩個壓電片距離L。

1）接觸面積變化與轉(zhuǎn)動角度變量之間的關(guān)系

在接觸面積中，需要分析兩種情況下的接觸情況轉(zhuǎn)動前后過程中，管道與接頭存在接觸的面積S0，與在轉(zhuǎn)動過程中從接觸中分離的面積ΔS。

充分考慮所有接觸時，接觸面積的改變對信號能量的變化產(chǎn)生重要影響。因此，針對松動過程，重點考察接觸面中的面積改變。假設(shè)接頭轉(zhuǎn)動角度2π，螺紋面從管道中分離面積為S0，分離面積ΔS與轉(zhuǎn)動角度θ呈正比例關(guān)系：

2）相對距離變化與轉(zhuǎn)動角度變量之間的關(guān)系

同時，轉(zhuǎn)動過程中，需要分析兩個壓電陶瓷片間的相對距離L與管道轉(zhuǎn)動角度θ之間的關(guān)系。

假設(shè)初始位置兩個壓電片處于同一直線，兩者相對距離為a，管道半徑為R。此時，假設(shè)外接頭轉(zhuǎn)動一周2π，向外移動距離為b，則當(dāng)管道轉(zhuǎn)動角度θ時（0θπ），壓電片距離與角度之間的關(guān)系如圖1所示，表達式為

圖1 管道外觀與壓電陶瓷片初始粘貼位置

距離的改變量ΔL表示如下：

經(jīng)泰勒展開可知：

則實驗過程中信號能量的改變影響因素，用下式表示。由于?S∝θ、?L∝θ，所以：

能量的改變量同角度直接相關(guān)。

1.2 基于小波包能量法的松動指數(shù)

在能量傳播的過程中，波的能量主要體現(xiàn)在幅值大小上面，本文利用小波變換的方法,識別特征信號,對信號進行處理。

本文中，接收到的信號被n階變換從而變成數(shù)量為2n的信號集，記為變換之后的信號在頻率域中被劃分為j，實際信號的頻率范圍由采樣頻率決定，數(shù)字m代表采樣頻率[12]，變換后的小波信號為

信號能量大小定義為

分解后的信號能量為

松動后的信號就可以用如下的指標表示：

2 實驗裝置及步驟

實驗采用長 550 mm、外徑 48 mm 鋼管作為實驗對象，內(nèi)徑42 mm，壁厚約3 mm。外接頭內(nèi)徑44 mm。直接購買制作好的鋼管，螺紋接頭形制規(guī)整，螺紋線平整，接頭部位無明顯損傷，外接頭均勻緊固。圖2所示為粘貼壓電陶瓷片后的鋼管螺紋接頭部位，壓電陶瓷片粘貼位置是實驗初始工況下的位置。另附壓電陶瓷片的規(guī)格如表1所示。

圖2 管道外觀與壓電陶瓷片初始粘貼位置

表1 壓電片物理參數(shù)

實驗準備過程中，用皮尺測量管道周長，均分兩半后，對半周長5等份，做標記于管道壁上。之后，用環(huán)氧樹脂粘貼壓電片于圖3中的標示位置，壓電片1粘貼在鋼管上，被夾具固定，壓電片2粘貼在外接頭上，隨外接頭轉(zhuǎn)動，圖中起始位置作為實驗基準工況條件。實驗過程中，每次轉(zhuǎn)動以刻度線為準，轉(zhuǎn)動5次后壓電片所處位置和開始位置正好位于管道兩側(cè)。實驗過程中以弧長轉(zhuǎn)動為準，半徑相同，則每次轉(zhuǎn)動角度相同，設(shè)置工況如表2所示。

圖4是實驗所用設(shè)備，數(shù)據(jù)采集卡為美國國家儀器有限公司所產(chǎn)的型號為USB-6363型采集卡，實驗監(jiān)測所用軟件為LabVIEW,實驗采用掃頻信號作為激發(fā)信號，對于激發(fā)信號的頻率范圍，首先采用1 Hz～1 MHz的頻率范圍進行測試，對于6種工況條件下,松動導(dǎo)致信號相對頻率的改變未知，采用何種頻率信號進行測試是實驗測試頻率選擇的主要考量，因此進行測試，對于頻率范圍，由測試結(jié)果可以作為頻率選擇的依據(jù)，附測試結(jié)果如圖5所示。

圖3 實驗過程圖

表2 實驗工況

圖4 實驗所用設(shè)備及器材

圖5 采集信號頻率域測試

圖中所示的結(jié)果為測試后頻譜圖，之后對實驗數(shù)據(jù)進行頻譜分析。結(jié)果表明，頻率在400 kHz以下能夠明顯識別松動的變化，因此，選擇100 Hz～400 kHz為實驗采樣頻率段進行掃頻激勵。表3為監(jiān)測終端中使用的實驗參數(shù)。

表3 實驗參數(shù)

3 實驗結(jié)果及分析

實驗中：首先測試無松動情況下的信號，隨后轉(zhuǎn)動外接頭，使外接頭每次轉(zhuǎn)動角度相同，轉(zhuǎn)動到相應(yīng)工況即停止轉(zhuǎn)動，然后測量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示，從上到下依次為工況1～工況6實驗數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)信號時程

由圖可明顯看出，隨著松動的進行，信號幅值逐漸降低。在最后一種工況下，信號能量同初始時的能量相比，發(fā)生了巨大變化，運用小波包能量分析法對所有工況條件的信號進行處理，結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號處理后能量圖

信號的衰減呈現(xiàn)明顯的遞減關(guān)系，并且遞減速度較均勻，同推論所提到的能量衰減同轉(zhuǎn)動角度之間的關(guān)系，對應(yīng)良好。同時，管道在轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動扭力會有輕微的變化，為排除實驗過程中無關(guān)干擾因素帶來的影響，對實驗進行了5次重復(fù)性實驗，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 空間關(guān)系圖

參照實驗過程與圖中測試結(jié)果，該方法能夠較好反映接頭松動過程。在實驗的過程中，影響實驗結(jié)果的主要變量為接頭部位的有效接觸面積改變量ΔS和壓電片之間的距離改變量ΔL。在實際轉(zhuǎn)動角度方面，由于轉(zhuǎn)動角度固定，每次轉(zhuǎn)動π/5，分離面積和距離逐漸增加，但是，由于基礎(chǔ)面積和距離都是關(guān)于轉(zhuǎn)動角度θ的函數(shù)，整個信號的能量改變程度是關(guān)于角度θ的函數(shù)。

最終研究結(jié)果表明，運用壓電主動傳感法能夠有效監(jiān)測接頭部位的松動情況。對于鋼管螺紋接頭的松動，直接體現(xiàn)在接頭和管道之間發(fā)生角度轉(zhuǎn)動，由此帶來的松動可以被主動傳感法有效監(jiān)測。實驗下一步可以用壓電阻抗法測試轉(zhuǎn)動過程中機械阻抗的變化。

4 結(jié)束語

本文通過實驗室模擬松動過程的方法，利用扳手對鋼管螺紋接頭進行5次松動，利用壓電主動傳感法檢測松動過程中信號幅值的改變，運用小波包能量法對提取的信號進行分析，結(jié)果表明能量大小隨松動程度增加呈明顯的遞減關(guān)系。同時，為排除其他干擾因素，進行重復(fù)性實驗。最終結(jié)果表明，基于壓電主動傳感法能夠較好監(jiān)測鋼管螺紋連接的松動，驗證了松動過程中松動程度同轉(zhuǎn)動角度之間良好的對應(yīng)關(guān)系，探求在實際工程中有效實現(xiàn)對鋼管管道接頭的監(jiān)測，探索健康監(jiān)測在管道工程中更廣泛的應(yīng)用途徑。

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