CN102539325A - 基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法。本发明通过ABAQUS有限元软件获得塔壁温度场及应力分布的有限元模型，主要对焦碳塔的五个操作阶段进行应力分析，将应力集中点和关键点作为损伤监测点。采用分布式应变传感器构建焦碳塔结构损伤监测传感器网络，对上述传感器测量数据进行分析，得到应变能变化率矩阵，从而推导出相应的结构损伤程度指标。各应变传感器分量与参考传感器分量的比值作为一组分量构成目标特征向量α，将α是否变化作为结构损伤识别的判据，实现快速、准确地识别焦碳塔结构损伤识别及其定位。同时，采用GUI实现人机交互功能，显示系统的运行状态和各监控点采集的参数信息，实时在线地进行焦碳塔结构损伤监测与诊断。本发明对研究石化、电厂等其它行业化工装备结构损伤监测等方面有重要的借鉴意义。

Description

基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法

技术领域

本发明涉及一种对化工装备进行监测的方法，具体是一种基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法。

背景技术

焦碳塔是石化炼油厂的关键设备之一，长期处于高温-常温的热循环过程，实时监测其损伤和健康程度对安全生产具有极大工程意义。工作温度高、生产流程中存在急冷工序、间歇式工作的方式使焦碳塔在运行过程中要承受较大的交变热应力，导致焦碳塔容易产生裂纹、塔体鼓胀等热疲劳损伤。从60年代开始使用延迟焦化装置以来，多数焦碳塔处于超期服役状态，均已超过或接近了设计使用年限。从广泛的调研得知，全国在用焦碳塔普遍存在着热损伤的问题，由于损伤的累积，形成了极大的安全隐患，一旦发生事故，会造成巨大经济损失甚至危及人身安全。目前的无损检测技术只能检测裂纹类缺陷，对于损伤老化监测则无能为力。

随着人们对化工装备结构安全性、可靠性要求的不断提高，对结构性能进行动态监测与故障诊断，及时发现结构的损伤。对可能出现的故障进行预测，评价其安全性等已经成为未来化工装备设计、制造和管理工作中的必然要求。近年来，由于各方面科学技术的进步和实际工程的需求，结构损伤监测技术得到了飞速发展，与之有关的产品、系统及其工程应用在国内外也层出不穷。结构损伤监测通常利用传感器技术、结构系统特性分析，达到检测结构损伤的目的。区别于定期或不定期的结构检测，结构损伤监测要求实时在线地进行，国内该方法常用于桥梁、海洋平台、建筑等产品结构或工程结构。目前对结构损伤监测技术的改进研究集中在：传感器技术、数据采集与处理、结构损伤诊断、监测和报警技术等方面。

经对现有技术的文献检索，目前国内还没有一种公开的、有效的结构损伤监测系统和方法解决焦碳塔结构损伤识别的问题。根据最近国内外相关研究报导，高温装置结构损伤在裂纹形裂前，材料主要产生弹性变形和塑性变形，其内部积聚有应变能，每一单元的应变能耗散率引起应变能的变化。焦碳塔属于高温装置的范畴，其结构损伤主要表现在变形或应变，可以用应变能变化率来表征。目前还没有出现公开报道的通过对焦碳塔结构的变形或应变的监测来实现其整体结构损伤监测的系统和方法。为了能对焦碳塔结构的健康状态有可靠的损伤监测和判断，必须有一个能够合理有效的监测焦碳塔结构的变形的方法，基于该方法建立的结构损伤监测系统可以给出更可信的结构损伤评估。

发明内容

本发明的目的是针对焦碳塔结构中的损伤监测问题，提出一种有效的基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，采用应变传感器构建传感网络，进行应变分析并得到以应变能变化率向量为核心的结构系统特性，达到准确识别结构损伤、动态监测焦碳塔结构完整性的目的。所述基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法具有误差小、精度高、诊断过程简单和监测显示直观等优点，能够准确地识别结构损伤的发生及其位置，实时在线进行结构损伤检测和结构完整性监测。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案是这样实现的：

本发明是利用一种基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，主要通过传感器网络技术、传感器数据采集系统和数据处理、结构损伤监测系统实现，本发明提出的方法具体步骤如下：

1.确定焦碳塔结构损伤监测点：采用ABAQUS有限元结构分析软件，根据焦碳塔结构的设计图、以焦碳塔原始数据为边界条件建立有限元模型，基于该模型计算得到的应力数据必须非常接近其实测数据。分析焦碳塔塔壁各主要操作阶段的温度场和热应力场，通过塔壁塑性屈服区的分布特点分析塔体长期使用后发生鼓凸变形及塔体与焊缝连接处产生裂纹的原因；分析焦碳塔的各个工作阶段的最大应力发生处，即最易出现疲劳破坏和蠕变的部位，将其定为损伤监测点。

2.构建应变传感器网络：根据ABAQUS有限元软件分析焦碳塔结构的受力情况，在焦碳塔结构的M个应力集中点和关键点上分别布置应变传感器，达到全部应变传感器所测试的范围能够覆盖该结构所需监测的全部区域，以构成分布式传感器网络。

3.确定参考传感器：在上述布置的若干应变传感器中，按照如下标准选择至少一个应变传感器作为参考传感器，并判断其有效性，其它应变传感器作为普通传感器：

(1)该参考传感器所在区域的结构无损伤；

(2)该参考传感器所在区域的结构应变响应不宜太小。

4.构建焦碳塔结构损伤识别系统：所述基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法是用于对其进行实时在线监测。首先根据应变能耗散理论，分析应变能耗散对其结构损伤的影响；其次探索应变能变化率与结构损伤程度指标间的关系；再根据有限元实体模型分析所得的应力分布结果，对焦碳塔进行结构损伤识别与定位分析。

5.应变数据采集与处理：首先直接测量各监测点的焦碳塔结构的指定方向的初始应变，所有的初始应变数值组成初始应变向量ε₀。在完成传感器网络布置和参考传感器选择后，然后采集由上述分布式传感器网络在载荷激励下所产生的应变响应的原始数据。为了实现动态测试，数据的最小采样频率一般大于被监测结构基频的两倍，然后根据测量数据处理的一般原则初步判断该数据的有效性。

6.应变数据分析：定义应变能变化率模型为

将测量数据进行模态分析，得到分布式应变模态矩阵，该矩阵的各向量分别对应于各应变传感器。定义单位损伤程度指标DI^*，单位损伤应较小，且其引起的应变变化能够被传感器准确识别出来，其只考虑它们之间的相互比值关系而忽略绝对值的大小。统计本发明所有监测点应变能样本标准差，然后计算所有监测点损伤程度指标DI统计量的平均值，计算结果近似为0.1。所以，本发明取应变能变化率比值等于10％时的损伤为单位损伤，每一次测量应变后计算当前应变能向量减去初始应变能向量，所得向量就是在以有单位损伤的监测点为标记的应变能变化向量，应变能变化向量的每一元素表示由于计算时假定有单位损伤的监测点引起了该元素所对应的监测点的某时刻的应变能的改变量，有M个监测点就有M个应变能变化向量，每个应变能变化向量有N个元素，由这N个应变能变化向量依次组成有M×N个元素的损伤应变能变化矩阵ΔSSE，ΔSSE的定义如下：其中ΔSSE_ij表示焦碳塔结构的第i个监测点有损伤而引起的第.j时刻的应变能变化。再取代表参考传感器的分量分别与其它各普通传感器的分量的比值作为一组分量构成结构的目标特征向量α。

7.焦碳塔结构损伤识别及定位分析：在施加载荷的条件下，持续不断地采集数据、进行数据分析。若在一定时段内，所采集数据偏离原目标特征向量α，并具有明显稳定的规律和趋势，则表明被监测点的结构发生新的损伤，损伤部位确定在对应于出现异常的目标特征向量α分量的应变传感器的布置区域，反之则表明被监测点的结构未发生新损伤而处于健康维持原有状态。

8.焦碳塔结构损伤监测软件：采用GUI，该软件应当具有下列功能：能够实现人机交互，提供操作者与系统的交互功能，显示系统的运行状态和各监控点实时采集的参数信息。根据应变监测系统传来的实时数据分析得到当前应变能变化矩阵ΔSSE，然后读取预先存储的初始应变向量ε₀和单位损伤程度指标DI^*，依据合适的算法得到应变能变化率矩阵，可以比较准确地从焦碳塔结构中确定损伤位置及损伤程度的解，以实时曲线形式显示焦碳塔结构损伤监测状态。

在碳塔结构损伤监测中采用本发明提出的应变能变化率矩阵方法及监测软件，最大的特点就是可实时在线的进行损伤动态监测，从而对保证焦碳塔安全运行具有重要的工程意义。采用高温应变传感器，构成分布式传感器网络，使得该传感器网络所测试的范围能够尽可能大地覆盖整个被监测结构并进行动态应变测量，从而使测量数据尽可能全面地包含被监测结构的信息，达到更有效、准确地监测不可预知的结构损伤的发生及其位置的目的。

本发明采用了以分布式应变能变化率矩阵为核心的结构系统特性，将目标特征向量α的变化作为识别焦碳塔结构损伤的判据。本发明采用GUI开发了焦碳塔结构损伤监测软件，可直接动态显示监测结果，有利于实时在线地进行结构完整性监测工作。本发明对研究其它化工设备结构损伤识别等方面有重要的借鉴意义，采取本发明基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法可广泛应用于石化、电厂等行业化工装备损伤监测。

附图说明

图1为焦碳塔结构损伤识别系统框架图。

图2为基于应变监测的焦碳塔结构损伤识别工作流程图。

图3为焦碳塔损伤监测软件平台主面板图。

图4为本发明实施例中的焦碳塔结构损伤识别结果图。

具体实施方式

针对焦碳塔的结构损伤监测，本发明公开了一种能够合理有效地监测焦碳塔结构中每一个损伤监测点动态状况的方法。下面结合附图对本发明作进一步说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

第一步焦碳塔应力分析：采用ABAQUS有限元结构分析软件，实现塔壁温度场及应力、应变场随介质与焦碳塔塔壁的热交换的变化过程的数值模拟，用顺序耦合热应力法求解应力、应变场时采用了与求解瞬态温度场相同的有限元模型。本发明假定焦碳塔在进水阶段塔壁周向温度分布均匀，即将这一过程的传热问题简化为轴对称问题，这使得原来的三维瞬态温度场简化为二维瞬态温度场，故本次建模使用的是“轴对称模型”。模型中包括与下锥体相连的两个筒节(长度分别为1500mm和2600mm)、筒节与筒节、筒节与下锥体间用焊缝(长度分别为100mm)连接。模型上部为球形封头(高度为5100mm，半径为5100mm)，为消除球形封头与筒节连接处产生的附加应力，在封头与上筒节间加一段长5500mm的筒体作为过渡。塔体材料为20g，密度ρ＝7870kg/m³，泊松比μ＝0.28，其他物性参数根据已知温度下的特性值用多项式拟合的方法确定其在全温度变化范围内随温度变化的关系式。在计算塔壁由于热应力引起的塑性变形时，采用Von Mises屈服准则和双线性随动强化模型，由于很难得到真实的σ-ε曲线，因此，计算时采用工程上广泛使用的双线性模型。本发明主要对焦碳塔的五个操作阶段：蒸汽预热、油气预热、进油生焦、热塔吹气、进水冷焦进行应力分析，这五个阶段是焦碳塔操作过程中温度变化最大的五个阶段，因而也是热应力最大的五个阶段。

第二步构建焦碳塔结构损伤监测应变传感器网络：根据ABAQUS有限元软件分析焦碳塔结构的受力情况，被监测点分布于塔体与裙座焊缝、下封头与筒体焊缝、筒节间焊缝和筒节中央等应力集中点和关键点。布置20个应变传感器1～20，它们首首-尾尾相接、并联地分布在焦碳塔结构上，因此全部应变传感器所测试的范围恰好能够覆盖该焦碳塔所需监测的全部区域，从而构成分布式传感器网络，该网络经带FC/APC接头的光缆与传感器信号解调采集系统连接。这样的分布式传感器网络所测试的范围能够尽可能大地覆盖整个被监测结构，其能够使被监测的焦碳塔结构上的任何损伤均能落入某一应变传感器检测的范围。由于测点很多，选择有代表性的焊缝附近的第2点的测量数据做应变随时间变化的曲线。

第三步确定参考传感器：在上述布置的20个应变传感器中，选择至少一个应变传感器作为参考传感器，其它应变传感器作为普通传感器，在本实施例中我们选择的15号应变传感器为参考传感器，其它则为普通传感器。选定参考传感器的原则应该确保该传感器安装在结构无损伤的区域，尽管实际结构损伤发生是随机的、无法事先预测的，但经过理论分析和经验判断，仍可以尽量选择在损伤发生概率最小的位置。

第四步构建焦碳塔结构损伤识别系统：如图1所示，所述基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法是用于对其进行实时在线监测。首先根据应变能耗散理论，分析应变能耗散对其结构损伤的影响；其次探索应变能变化率与结构损伤识别程度指标间的关系；再根据有限元实体模型分析所得的应力分布结果，对焦碳塔进行结构损伤识别与定位分析。

第五步应变数据采集与处理：首先直接测量各监测点的焦碳塔结构的指定方向的初始应变，所有的初始应变数值组成初始应变向量ε₀。在完成传感器网络布置和参考传感器选择后，然后采集由上述分布式传感器网络在载荷激励下所产生的应变响应的原始数据。为了实现动态测试，数据的最小采样频率一般大于被监测结构基频的两倍，然后根据测量数据处理的一般原则初步判断该数据的有效性。焦碳塔结构应变测量数据可由塔壁上M个监测点、及每个指定方向的N个采样时刻的应变数据来描述，焦碳塔结构应变数据的变化就是M个监测点的所有应变分量的变化。每次共有K(K＝M×N)个应变测量值或计算值来表征结构应变。因此，在上述条件下，基于焦碳塔结构的有限元模型计算所得的监测点的应变实测数据，可用下列矩阵描述：

其中i＝1，2，3，L，M，j＝0，1，2，L，N。ε_ij表示焦碳塔结构的第i个监测点第j时刻的动态应变实测数据。

第六步应变数据分析：定义应变能变化率模型为

将测量数据进行分析，得到分布式应变矩阵，该矩阵的各向量分别对应于各应变传感器。定义单位损伤程度指标DI^*，计算所有监测点损伤程度指标DI统计量的平均值计算结果近似为0.1，所以，本发明取应取应变能变化率比值等于10％时的损伤为单位损伤。建立应变能变化矩阵ΔSSE，有M个监测点就有M个应变能变化向量，每个应变能变化向量有N个元素，由这N个应变能变化向量依次组成有M×N个元素的单位损伤应变能变化矩阵ΔSSE，ΔSSE的定义如下：

再取代表参考传感器的分量分别与其它各普通传感器的分量的比值作为一组分量构成结构的目标特征向量α。根据求取特征向量的方法，得到分布式应变能变化率向量，其数学表达式为：η＝{η_1r，η_2r，L，η_Mr}^T，其中η_Mr为式应变能变化率向量的各分量、M为该监测系统中应变传感器的数量、r为应变响应函数的阶数。

在本实施例中，M＝20，r＝1，则焦碳塔的η＝{η₁₁，η₂₁，L，η₂₀₁}^T，其中η₁₅₁为参考传感器分量，其它为普通传感器分量，它们是应变能变化率的比例关系而忽略了绝对数值的大小。为了对被监测焦碳塔结构的损伤前和损伤后状态进行识别和判断，比较不同时段所获得的分布式应变能变化率向量，需要对其各分量进行数值处理使之标准化，因此本发明构建用以识别被监测结构损伤的重要结构参数，该目标特征向量α取代表参考传感器的分量分别与其它各普通传感器分量的比值作为其本身的一组分量，即：目标特征向量

其中α_(M-n)r为目标特征向量α的各分量、η_Mr为式应变能变化率向量的各分量、M为应变传感器的数量、n为参考传感器的数量、r为应变响应函数的阶数、b为参考传感器的标号。上述表明，若选择了n个应变传感器作为参考传感器，则目标特征向量α由(M-n)个分量构成。本实施例中，目标特征向量α具有19个分量(α_15r除外)：

该目标特征向量α的各分量与网络中各应变传感器有着直接的对应关系，所以某处位置的损伤就必然只对应地影响该位置上传感器响应分量的变化，而对其它分量不产生影响，这为快速识别损伤的发生位置，提高损伤识别的准确性、简化故障诊断过程创造了条件。

第七步焦碳塔结构损伤识别及定位分析：在实施损伤监测的过程中对焦碳塔结构不断施加载荷的条件下，并且持续不断地重复采集数据、进行数据分析。经过一段时间的数据采集，在损伤监测可视化界面上的曲线图形，实际上各点的曲线切线，即曲线的斜率就是对应于该时刻该应变传感器的目标特征向量α的各分量值。然后根据判据进行损伤识别及其定位分析，若在一定时段内，所采集数据偏离原目标特征向量α，即所显示曲线的斜率发生很大变化，并具有明显稳定的规律和趋势，则表明被监测点的结构发生新的损伤，损伤部位确定在对应于出现异常的目标特征向量α分量的应变传感器的布置区域，反之则表明被监测点的结构未发生新损伤而处于健康维持原有状态。

第八步焦碳塔结构损伤监测软件：采用GUI实现人机交互，提供操作者与系统的交互功能，显示系统的运行状态和各监控点实时采集的参数信息。根据应变监测系统传来的实时数据分析得到当前应变能变化矩阵ΔSSE，然后读取预先存储的初始应变向量ε₀和单位损伤程度指标DI^*，依据合适的算法得到应变能变化率矩阵，可以比较准确地从焦碳塔结构中确定损伤位置及损伤程度的解，以实时曲线形式显示焦碳塔结构损伤监测状态。

Claims (5)

1.一种基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)焦碳塔应力分析：采用ABAQUS有限元结构分析软件获得塔壁温度场及应力分布的有限元模型，主要对焦碳塔的五个操作阶段：蒸汽预热、油气预热、进油生焦、热塔吹气、进水冷焦进行应力分析；

(2)构建焦碳塔结构损伤监测应变传感器网络：根据ABAQUS有限元软件分析结果，被监测点分布于塔体与裙座焊缝、下封头与筒体焊缝、筒节间焊缝和筒节中央等应力集中点和关键点，全部应变传感器所测试的范围能够覆盖该焦碳塔所需监测的全部区域，从而构成分布式传感器网络；

(3)确定参考传感器：在上述布置的传感器网络中，选择至少一个应变传感器作为参考传感器，并判断其有效性，其它应变传感器作为普通传感器，选定参考传感器的原则应该确保该传感器安装在结构无损伤的区域；

(4)构建焦碳塔结构损伤识别系统：首先根据应变能耗散理论，分析应变能耗散对其结构损伤的影响；其次探索应变能变化率与结构损伤程度指标间的关系；再根据有限元实体模型分析所得的应力分布结果，对焦碳塔进行结构损伤识别与定位分析；

(5)应变数据采集与处理：采集由上述分布式传感器网络在载荷激励下所产生的应变响应的原始数据，为了实现动态测试，数据最小采样频率一般大于被监测结构基频的两倍，然后根据测量数据处理原则初步判断该数据的有效性；

(6)应变数据分析：对上述测量数据进行分析，得到分布式应变矩阵，该矩阵的各向量分别对应于各应变传感器，取代表参考传感器分量分别与其它各普通传感器分量的比值作为一组分量构成结构的目标特征向量α；

(7)焦碳塔结构损伤识别定位分析及损伤程度识别：在损伤监测可视化界面的曲线图形上，所采集数据偏离原目标特征向量α，即所显示曲线的斜率发生很大变化，并具有明显稳定的规律和趋势，则表明被监测点发生了结构损伤，损伤部位确定在对应于出现异常的目标特征向量α分量的应变传感器的布置区域，反之亦然。另外，根据应变能变化率，建立结构损伤程度指标模型为：

其中DI为损伤程度指标，

为第i个单元损伤前的应变能，

为第i个单元损伤后的应变能，L为监测对象的总长度。按照损伤程度指标模型计算焦碳塔各单元监测点的DI值，当DI值大于或等于所有监测点应变能样本标准差时，则判定此处有结构损伤，反之亦然；

(8)焦碳塔结构损伤监测软件：采用GUI实现人机交互功能，显示系统的运行状态和各监测点实时采集的参数信息。依据合适的算法分析应变监测系统传来的实时数据，并且得到结构损伤程度指标，可以比较准确地从焦碳塔结构中确定损伤位置及损伤程度，以实时曲线形式显示焦碳塔结构损伤监测状态。

2.根据权利要求1所述的基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，其特征是，第一步中，采用ABAQUS有限元结构分析软件获得塔壁温度场及应力分布的有限元模型，主要对焦碳塔的蒸汽预热、油气预热、进油生焦、热塔吹气、进水冷焦等五个操作阶段进行应力分析。

3.根据权利要求1所述的基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，其特征是，第四步内容中的焦碳塔结构损伤识别系统采用应变能耗散理论、探索应变能变化率η与结构损伤程度指标DI间的关系等。

4.根据权利要求1所述的基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，其特征是，第六步中，取代表参考传感器的分量分别与其它各普通传感器的分量比值作为一组分量构成结构的目标特征向量α。

5.根据权利要求1所述的基于应变监测的焦碳塔结构损伤监测方法，其特征是，第八步中，采用GUI实现人机交互功能，显示系统的运行状态和各监测点实时采集的参数信息，以实时曲线形式显示焦碳塔结构损伤监测状态。

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