CN103472135B - 一种高温工程结构弱点的识别方法 - Google Patents

Abstract

一种高温工程结构弱点识别方法：S1利用有限元法对高温工程结构系统进行整体结构计算分析；S2采用固有频率检测检测技术对工程结构系统中薄弱环节进行检测；S3采用红外检测成像检测技术确定结构缺陷具体部位；S4采用有限元法计算结构在不同尺寸缺陷和结构应力的关系曲线，因此可以根据检测出高温工程结构缺陷确定维修方案。本发明通过将三种技术相结合使用的方法，可以有效地对高温工程结构系统进行弱点识别，确定出含缺陷结构的应力分布情况，因此可以有效确定高温工程结构的维修计划。

Description

一种高温工程结构弱点的识别方法

技术领域

本发明涉及一种高温工程结构缺陷的辨识方法，尤其是涉及一种综合采用三种技术对高温工程结构弱点的识别方法。

背景技术

现代工业中，如电厂、石化等，有相当数量的高温工程结构工作在高温高压的环境下。这一类设备造价高，且大部分依靠进口。因此通过寿命分析和管理，制定科学的维修规划，对于保证最大限度地提高资源利用率，实现生产设备的长周期安全运行至关重要。

目前工业界对高温工程结构的寿命评估与管理，主要是基于对结构的损伤进行检测。在对结构损伤检测主要采用的方法有：（1）基于动力特性的结构损伤监测技术，该技术的核心思想在于结构的振动特性(比如频率、振型、模态阻尼等)是结构物理参数(如质量、阻尼和刚度)的函数，结构损伤即意味着结构物理参数的改变，而物理参数的改变必然引起结构振动特性的改变。这项技术在桥梁等结构中得到了有效的应用。但是应用这种方法需要在检测部位设置传感器，而且对于检测到的缺陷，如果不是外部可观察到的缺陷，一般只能确定大致的方位，不能确定缺陷所在具体位置和缺陷形状、尺寸等细节。（2）红外线热成像检测技术，该技术利用含缺陷的高温构件热分布不均匀的特点，采用红外线热成像原理，可以准确获得高温构件内部缺陷的形状、尺寸等信息。但是对一个高温结构系统进行定期的每个部位详细的扫描检测，将是一个耗时费力不可能进行的工作。值得注意的是，在对高温结构弱点识别方面，有学者提出利用有限元分析找出高温构件中的弱点部位方法，利用该方法可以通过对高温构件中的弱点部位重点监测，因此可以有效解决对于整个高温结构的检测问题。

综上所述，由于上述各种技术各自存在的缺点，因此上述技术如果单独使用，都无法有效地解决高温工程结构弱点的识别问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种无需中断生产、不会损害设备、且试验周期短、费用低廉、相当敏感可满足要求的基于固有频率监测、红外成像监测技术和有限元分析三者相结合的高温工程结构弱点的识别方法。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种高温工程结构弱点的识别方法，包括以下步骤：

S1对高温工程结构系统进行有限元强度计算

根据高温工程结构系统，建立高温工程结构系统整体的有限元模型，根据计算结果找出结构系统应力较大的部位，该部位就是高温工程结构系统中结构弱点部位；

具体包括以下子步骤：

S1-1首先建立所要检测的高温结构系统整体的有限元模型，例如管、板、梁杆等单元，按照工程实际情况例如结构所承受外载荷、结构支撑、管道的吊架等，确定有限元模型的边界条件；

S1-2对高温工程结构进行有限元强度计算；

S1-3根据对高温工程结构系统有限元强度计算结果，找出应力较大结构薄弱部位，结合工程实际情况，确定为重点检测区域；

S2采用结构振动特性检测仪器检测高温工程结构的固有频率

根据有限元计算结果和工程实际情况，确定重点检测的结构薄弱区域后，在相应的部位定期进行固有频率检测；

具体检测方法如下：

首先在实验室对不同类型结构检测固有频率

为了能够有效识别高温结构由于腐蚀等因素造成的缺陷，首先需要对于无缺陷结构、含有不同尺寸的缺陷结构在实验室检测相应的固有频率，并把实验数据记录存档，以便以后与现场检测固有频率数据比对；

同时利用有限元分析方法计算出相应结构的固有频率值，然后把有限元计算的固有频率与试验数据进行比较，得到修正系数；

如果实验数据与有限元计算结果相近，则可以忽略下面的修正系数。

修正系数定义为：

式中：ω_i试验：由试验获得的结构的第i阶固有频率；ω_i有限元：由有限元计算获得的结构第i阶固有频率；

通过上述方法可以通过所获得的试验数据，利用有限元计算模拟计算出管道缺陷大小情况。在重点检测区域安装固定的传感器，定期检测结构固有频率。

在对结构进行现场检测时，应把每次测试得到的固有频率试验数据记录和保存，特别是最初的检测数据；在以后定期检测时，应与最初固有频率试验数据进行比较，比较固有频率的变化情况。同时利用含缺陷有限元固有频率分析方法，估算出缺陷变化与固有频率之间关系。

如果所检测的固有频率与最初检测结果变化较大，当固有频率相应的最大误差达到1.5%时，表明管道内可能产生了较大的缺陷，就需要采用下列红外线成像检测技术对管道缺陷进行精确定位。

检测结构固有频率的硬件设备有：测量动态信号的数据采集设备，要求采集最高频率不小于50KHz，输入信号电压范围±5V；传感器采用单向ICP压电加速度传感器，频响范围在0.5–8KHz；灵敏度为100mv/g；脉冲激励采用灵敏度高的激励锤；此外，还有与上述设备相匹配的电荷放大器等；

S3、采用红外线成像检测技术检测高温结构的缺陷部位

采用红外线成像检测技术从重点检测区域检测出结构的缺陷部位以及大致缺陷尺寸，在实际应用时，首先需要做以下的步骤：

（1）实验室检测

选择与实际结构一致的结构制成试件，在实验室模拟实际的工作状态，对结构进行红外线成像，把不同缺陷下的热成像照片与相应结构的缺陷形状尺寸情况建立对比数据库。由此，可以根据现场的红外热成像图像和前面建立的热成像照片与缺陷形状尺寸对比数据库，大致分析出缺陷的大小和深度的几何形状。

（2）现场检测

首先在检测区域内搭建遮阳蓬，避免阳光直接照射到检测区域；如果有其他热源时，采用遮挡或移除方式避免其干扰；如果结构外表面的反射率较高，则要在其表面喷涂油漆等涂料，降低其表面的反射率；如果结构的保温层过厚，导致无法用仪器检测到结构温差情况下，应该去除保温层后再进行检测。

用到的硬件设备有：红外热成像系统和与其相匹配的探测器，要求光谱响应带宽在3-5.4μm短红外波段；热成像仪测温范围在-40-950℃（可测量结构工作时的温度范围）。最小可测温差在30℃达到0.1℃；灵敏度0.01℃；空间视场为垂直10°，水平15°；空间分辨率2.2mrad；测试距离〉20cm；扫描速度不小于30帧/s；存盘速度不小于10s/帧。S4、利用有限元计算方法判断结构的强度

根据上述所得到的结构缺陷几何尺寸，建立含有缺陷的高温结构有限元模型，计算出高温结构在缺陷部位的应力分布情况，评估结构的风险程度，决定是否需要立即更换部件或者制定相应的维修规划。

附图说明

图1为本发明的高温工程结构弱点的识别方法流程图；

图2为管道壁厚减薄率与管道应力增加率曲线图。

具体实施方式

图1所示为本发明的高温工程结构弱点的识别方法流程图，识别方法的实施例如下。

实施例

一个内外直径分别为d₁=180mm，d₂=220mm的蒸汽管道系统，其中蒸汽管道外包一层厚为120mm的保温层，管内温度300℃，保温层外壁温度25℃，内、外侧的换热系数分别为100W/m².K,8.5W/m².K。

蒸汽管道：

弹性模量2.1×10¹¹Pa，泊松比0.3，质量密度7800kg/m³，导热系数40W/m.K。

保温层：

弹性模量70×10⁶Pa，泊松比0.4，质量密度100kg/m³，导热系数0.1W/m.K。

检测步骤如下：

1对整体结构系统进行有限元强度计算

首先根据管道系统建立有限元整体模型为管，考虑边界条件管道内压、管道自重和支架作用，进行有限元强度计算，计算出管道系统的最大应力的部位；然后结合实际情况，从中确定出管道薄弱部位。

2采用结构振动特性检测仪器检测高温工程结构的固有频率

建立试验标定和对结构进行检测

首先在上述管道系统的薄弱部位设置传感器，并且定时检测固有频率试验数据。然后把实时采集的固有频率数据与相对应的无缺陷固有频率数据比较相对误差。

所采用的检测仪器为美国NI公司的USB9233数据采集卡，采样最高频率50KHz；传感器选用相匹配的BW14100型ICP压电加速度传感器；脉冲激励选用相匹配的灵敏度高的力锤；此外还有电荷放大器、电荷调解器等设备。

为了估计管道缺陷大小，建立一段有缺陷管道的有限元模型，根据参考文献，假设管道环形缺陷远离管道的固定支架处，管道环形的缺陷为长20mm，沿着蒸汽管壁厚减薄从10%到50%。

由计算结果可以看出，当壁厚减薄到10%时，结构的固有频率与无损伤管道结构固有频率已有明显差别。

如果需要更为准确判断，需要按照实际结构情况，截取无缺陷和不同尺寸有缺陷管道做试验，计算出相对应固有频率的相对误差，并作为有限元计算结果的修正系数。在此案中，忽略此过程。

表1不同尺寸缺陷管道的固有频率

固有频率阶数	无缺陷	（壁厚）10%缺陷	（壁厚）50%缺陷
				1	424.88	430.52	443.90
2	425.02	442.19	450.75
				3	456.47	445.15	451.51
4	456.47	458.82	458.89
				5	457.63	463.05	475.71
6	460.76	476.25	483.18
				7	486.76	482.22	491.66
8	491.47	500.96	498.74
				9	491.47	512.27	525.38

表2有缺陷无缺陷管道的相对误差

相对误差=（含缺陷固有频率-无缺陷固有频率）/无缺陷固有频率

结果表明，尽管管道外层包裹一层保温层，但是结构固有频率仍然会发生明显变化。管道固有频率变化与管道内缺陷成正比，当管道减薄10%，管道前9阶固有频率误差从0.5%-4%。当管道减薄50%时，固有频率误差在0.5%-6.9%之间。

由于缺陷仅影响与其相近的固有频率和结构的振形，所以可以从所测各阶固有频率中最大误差作为缺陷参考标准。也就是当固有频率相应的最大误差达到1.5%时，必须进行下一步的检测。

但是固有频率检测的缺点在于，不易确定出蒸汽管缺陷具体位置。

3红外线成像检测技术

硬件采用福禄克公司的TVS-2100红外热成像系统；探测器选用Insb探测器；热成像测温范围在-40-950℃，满足该项目测试要求。此外还有红外摄像机等装置。

现场测试要求如上所述，为了估计管道缺陷尺寸，可以采用有限元法进行反向模拟，比对于红外成像检测结果相近的有限元计算的缺陷值，作为实际管道缺陷的参考值。

由此，就可以根据缺陷的检测情况，如果再根据缺陷情况，进行有限元强度分析可以计算出含缺陷高温管道所承受的应力情况。

根据上述试验数据以及有限元计算结果，绘制成管道壁厚减薄率和管道应力增加率曲线（图2），以此为依据决定是否需要更换管道以及制定相应的维修计划。

Claims (2)

1.一种高温工程结构弱点的识别方法，其特征是：包括以下步骤：

S1对高温工程结构整体进行有限元强度计算

S1-1建立所要检测的高温工程结构整体有限元模型，按照工程实际情况确定有限元模型的边界条件；

S1-2对高温工程结构整体进行有限元强度计算；

S1-3根据对高温工程结构整体有限元强度计算结果，找出应力最大的结构薄弱部位，确定为重点检测区域；

S2对重点检测区域，采用结构振动特性检测仪器检测高温工程结构的固有频率

S2-1在实验室对不同类型结构检测固有频率，包括以下子步骤：

S2-1-1在实验室检测与实际高温工程结构一致的无缺陷结构、含有不同尺寸的缺陷结构的固有频率；

S2-1-2把高温工程结构的有限元强度计算方法计算所得固有频率与实验室检测所得固有频率进行比较，得到修正系数，该修正系数将在下面确定由于缺陷增大导致固有频率与初始固有频率比较相对最大误差时用到；

修正系数定义为：

式中：ω_i试验：由实验室检测所得的结构的第i阶固有频率；ω_i有限元：由有限元强度计算方法计算获得的结构第i阶固有频率；

S2-2在重点检测区域安装固定的传感器，定期进行固有频率检测；

S2-3如果S2-2所检测的固有频率与S2-1检测的固有频率变化相应的最大误差达到1.5％时，则进入下一步骤，否则表明管道内没有产生较大的缺陷，终止；

S3采用红外线成像检测技术检测高温工程结构的缺陷部位

包括以下子步骤：

S3-1实验室检测

选择与实际结构一致的结构制成试件，在实验室模拟实际的工作状态，对结构进行红外线成像，把不同缺陷下的热成像照片与相应结构的缺陷形状尺寸情况建立对比数据库；

S3-2现场检测

首先在检测区域内搭建遮阳蓬，避免阳光直接照射到检测区域；如果有其他热源时，采用遮挡或移除方式避免其干扰；如果结构外表面的反射率高到足以使仪器检测精度降低到5％以上时，则要在其表面喷涂油漆涂料，降低其表面的反射率；如果结构的保温层厚度使得检测仪器检测精度下降5％以上，导致无法用仪器精确检测到结构温差情况下，去除保温层后再进行检测；

S3-3根据现场的红外热成像图像和前面建立的热成像照片与缺陷形状尺寸对比数据库，结合含缺陷有限元热传导分析模型与上述热成像图片对比的方法，判断出缺陷几何形状；

S4利用有限元强度计算方法判断结构的强度

根据上述检测出的缺陷几何尺寸，建立含有缺陷的高温结构有限元模型，计算出高温工程结构缺陷部位的应力分布和最大应力。

2.根据权利要求1所述的高温工程结构弱点的识别方法，其特征是：所述的步骤S1中，用有限元强度计算高温工程结构整体应力分布情况时，取管、板或梁杆作为有限元单元；所述的步骤S4中，计算出高温工程结构缺陷部位的应力分布和最大应力时，采用三维实体单元作为局部结构应力变化的单元，根据不同结构弱点区域的缺陷形状，建立不同类型缺陷高温工程结构的有限元模型，计算出相应结构中随着各种缺陷增加与最大应力增量的曲线关系。