杜國鋒，程晨，焦文帥，張丹富，2

1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023 2.中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430040

長輸管道是重要的能源運(yùn)輸通道，被喻為生命線工程。長輸管道服役環(huán)境復(fù)雜，不僅面臨環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，還可能遭受地質(zhì)災(zāi)害和外部荷載的沖擊作用。管道損壞將誘發(fā)事故，對國民經(jīng)濟(jì)造成不可估量的損失，對現(xiàn)役管道進(jìn)行健康監(jiān)測和損傷識別極為重要。傳統(tǒng)的鋼質(zhì)管道損傷識別方法有射線法、聲波法、漏磁法等，但這些方法均較難實(shí)現(xiàn)管道損傷在線實(shí)時監(jiān)測。壓電陶瓷傳感器集信號激發(fā)與接收功能于一體，是近年來結(jié)構(gòu)無損檢測領(lǐng)域新興的一種能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測的裝備[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者在該方面做過很多研究:WANG等[5]將壓電陶瓷應(yīng)用于復(fù)合材料板的損傷檢測中，用主動傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)損傷檢測；KESSLER等[6]利用壓電傳感技術(shù)對環(huán)氧樹脂構(gòu)件進(jìn)行損傷識別，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件損傷定位和損傷程度識別；SONG[7]等基于小波包能量法對蓋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷計算，取得較好識別效果；ZHANG等[8]則利用壓電陶瓷對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該方法不僅能識別木材損傷，還能有效監(jiān)測木材的含水率。在管道工程健康監(jiān)測領(lǐng)域，目前基于壓電陶瓷的損傷檢測方法已經(jīng)成為重要手段[9-12]，如在基于壓電阻抗技術(shù)進(jìn)行管道損傷檢測方面，杜國鋒等[13-15]借助壓電陶瓷來拾取不同損傷工況管道的阻抗譜信息，并以均方根偏差為指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)管道損傷的定性與定量分析。此外，李鯤等[16]還利用壓電陶瓷監(jiān)測管道敲擊應(yīng)力波，根據(jù)應(yīng)力波能量的衰減變化進(jìn)行管道裂紋識別。

盡管國內(nèi)外學(xué)者在管道損傷檢測領(lǐng)域取得了豐厚的研究成果，但研究主要局限于利用壓電陶瓷的主動監(jiān)測技術(shù)，通過壓電陶瓷被動監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)管道損傷識別的研究還很少，尤其是在外力作用下,以壓電陶瓷傳感器接收的應(yīng)力波來提取管道關(guān)鍵部位的損傷信息，實(shí)現(xiàn)不同服役工況管道損傷程度及損傷特征的精準(zhǔn)識別方面還存在很多亟待解決的問題。為此，筆者利用鋼球沖擊不同損傷工況的空管及充水埋土管道，利用粘貼在管道上的壓電陶瓷傳感器接收沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力波，并通過小波包能量分析方法對管道進(jìn)行損傷識別，探討壓電陶瓷被動監(jiān)測識別管道結(jié)構(gòu)損傷的可行性。

1 基于小波包能量法的管道損傷指數(shù)確定

將壓電陶瓷傳感器監(jiān)測接收到的原始信號S進(jìn)行n層小波包分解，原始信號經(jīng)過n次分解，在第n層得到2n個高低頻帶的信號子集。S表示如下：

S=X1+X2+X3+…+Xi…+X2n-1+X2n(i=1,2,…2n)

(1)

式中：S為原始信號；i表示頻帶；Xi為S經(jīng)n層分解得到的第i頻帶信號子集。

對S展開5層分解，并以母波“db5”對得到的25個子集展開分析。

經(jīng)n層分解所得的Xi又可用第i頻帶的不同頻子帶表達(dá)：

Xi=[Xi,1,Xi,2,Xi,3,…,Xi,j]

(2)

Xi,j的能量表示為:

Ei,j=|Xi,j|2

(3)

經(jīng)n層分解后，第i頻帶信號能量即為：

(4)

則原始信號S的小波包總能量為:

(5)

式中：i為第n層的第i頻帶；j為該頻帶的信號采樣數(shù)。

基于式(1)～(5)，對管道某傳感器第K次監(jiān)測的Sk進(jìn)行n層小波包分解重構(gòu)，并計算出Sk的小波包總能量。并根據(jù)均方根偏差建立判定損傷的損傷指數(shù)I,表示為：

(6)

式中：E1,i為管道健康時傳感器信號S1的能量；Ek,i為損傷管道傳感器信號Sk的能量；損傷指數(shù)I取值反映管道的損傷嚴(yán)重情況。

2 管道損傷識別試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

該試驗(yàn)旨在研究沖擊荷載作用不同服役工況管道，利用粘貼于管道上的壓電陶瓷傳感器采集應(yīng)力波，基于應(yīng)力波的能量變化識別管道損傷。為達(dá)到與工程實(shí)際相一致的試驗(yàn)效果，參考《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(50470-2008)[17]及文獻(xiàn)[18]，在考慮實(shí)際服役管道埋深及尺寸基礎(chǔ)上，按1∶7的相似比來設(shè)計管道縮尺模型。試驗(yàn)管道為鍍鋅無縫鋼管，其力學(xué)性能參數(shù)見表1。管道外徑D為90mm，壁厚t為4mm；管道長度2300mm、埋深300mm；管道服役工況包括空管和充水埋土管道；模擬的裂紋損傷徑向深度2mm，周向長度70mm，損傷程度用改變裂紋的軸向?qū)挾缺磉_(dá)。試驗(yàn)工況見表2，不同服役工況下試驗(yàn)管道如圖1所示。

表1 管道性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of pipes

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

圖1 不同服役工況試驗(yàn)管道Fig.1 Test pipelines under different service conditions

2.2 試驗(yàn)量測

試驗(yàn)選用PZT-5型壓電陶瓷片作為應(yīng)力波信號接收器，壓電陶瓷相關(guān)性能參數(shù)見表3。信號拾取測點(diǎn)、裂紋預(yù)設(shè)位置以及沖擊作用點(diǎn)(P1、P2、P3)如圖2所示，圖2中Sensor代表傳感器。并利用NIUSB-6361采集儀采集應(yīng)力波信號，如圖3(a)所示，管道損傷識別試驗(yàn)工作臺如圖3(b)所示。

表3 PZT-5型壓電陶瓷傳感器的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of PZT-5 piezoelectric ceramic sensor

圖2 管道試件示意圖Fig.2 Drawings of pipeline specimen

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.3 Data acquisition system

圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test loading device

2.3 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)以自制的落球控制裝置對管道進(jìn)行沖擊加載，裝置示意圖如圖4所示。落球控制裝置由底座、豎向控制桿、水平控制桿、鋼球控制閥組成。所用鋼球外徑為25mm，重量為50g，下落高度設(shè)為130mm。分析單損傷工況時，借助加載裝置調(diào)整鋼球沖擊管道P1位置。進(jìn)行管道多損傷識別，必須利用鋼球分別沖擊管道P1、P2和P3等3個沖擊點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空管損傷識別

1)單損傷識別 分別在空管Sensor1-Sensor2之間和Sensor2-Sensor3之間設(shè)置模擬裂紋單損傷D1和D2，損傷寬度工況分別為W1(4mm)、W2(8mm)和W3(12mm)。鋼球沖擊健康管道和單損傷管道P1時，管道軸向分布的壓電傳感器Sensor1、Sensor2、Sensor3及Sensor4的監(jiān)測信號如圖5所示。

圖5 單損傷管道傳感器監(jiān)測信號Fig.5 Monitoring signals of sensors on single damaged pipelines

圖6 單損傷空管損傷指數(shù)矩陣Fig.6 Damage index matrix of single damaged hollow pipelines

圖7 多損傷空管損傷指數(shù)矩陣Fig.7 Damage index matrix of multi-damaged hollow pipelines

先以小波包能量公式分別計算健康與損傷管道上各傳感器監(jiān)測信號的能量，再以式(6)計算損傷指數(shù)?？展軆H存D1時，計算得到損傷指數(shù)矩陣見圖6(a)。由圖6(a)可知，當(dāng)D1自工況W1增至W3時，Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均隨之增加，說明損傷指數(shù)隨損傷寬度的增大而增大。Sensor2、Sensor3和Sensor4與損傷的軸向距離分別為350mm、1050mm和1850mm，盡管D1寬度增加，但由于應(yīng)力波能量有損耗，所以Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)絕對值隨傳感器至損傷的軸向距離的增加而依次減小?？展軆HD2時，計算所得的損傷指數(shù)矩陣見圖6(b)，由圖6(b)可知，D2自W4增至W6，Sensor2的損傷指數(shù)始終趨近于0，說明Sensor1-Sensor2之間無損傷，但Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均增大；改變損傷寬度，距離損傷較近的Sensor3的損傷指數(shù)始終大于較遠(yuǎn)處的Sensor4。試驗(yàn)結(jié)果表明，即使改變管道裂紋位置，損傷指數(shù)仍隨裂紋寬度的增大而增加；裂紋損傷寬度變化，損傷指數(shù)仍隨傳感器至損傷的軸向距離增大而依次減小，說明損傷指數(shù)能有效識別空管的損傷程度，根據(jù)損傷指數(shù)與傳感器至裂紋的軸向距離關(guān)系，可定位裂紋的存在位置。

2)多損傷識別 在空管Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4區(qū)段依次設(shè)寬度相同的D1、D2和D3。檢測Sensor1-Sensor2段，分別對損傷前后的空管P1加載，僅采集Sensor2的信號，通過小波包能量法計算Sensor2的損傷指數(shù)，以此評估Sensor1-Sensor2段健康狀況；檢測Sensor2-Sensor3段時，分別對損傷前后空管P2加載，僅采集Sensor3信號，以Sensor3的損傷指數(shù)來評估Sensor2-Sensor3段；檢測Sensor3-Sensor4段，分別對空管P3加載，僅采集Sensor4的信號，計算Sensor4的損傷指數(shù),從而可將管道多損傷識別轉(zhuǎn)化為區(qū)段內(nèi)的單損傷識別。計算所得不同損傷寬度空管的多損傷損傷指數(shù)矩陣如圖7所示，由圖7(a)可知，Sensor1-Sensor2段由健康變?yōu)楣rW1時，Sensor2的損傷指數(shù)明顯增加，因此時不存在D2和D3，故Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均趨于0；在D1的基礎(chǔ)上，于Sensor2-Sensor3段加設(shè)4mm的D2，因D1的存在，Sensor2的損傷指數(shù)仍較大。而Sensor2-Sensor3由健康變?yōu)楣rW4，所以Sensor3的損傷指數(shù)明顯增加；在D1和D2的基礎(chǔ)上，于Sensor3-Sensor4段加設(shè)4mm的D3，因此時3段均存在相同的損傷，所以Sensor1、Sensor2和Sensor3的損傷指數(shù)均較大。由圖7 可知，D1、D2和D3同時由4mm增至12mm，空管各傳感器的損傷指數(shù)均隨損傷寬度的增大而增加。上述結(jié)果表明，根據(jù)損傷指數(shù)矩陣中區(qū)段內(nèi)損傷指數(shù)的突變能實(shí)現(xiàn)管道多損傷定位，以損傷指數(shù)為指標(biāo)能有效識別空管多個損傷的嚴(yán)重程度。

3.2 不同服役工況管道損傷識別

1)充水埋土管道單損傷識別 管道的實(shí)際服役環(huán)境復(fù)雜，為研究利用損傷指數(shù)識別不同服役工況管道單損傷的可行性，以Sensor1-Sensor2之間存在D1的單損傷充水埋土管道為例開展分析。健康及單損傷充水埋土管道損傷寬度工況分別為W1、W2和W3時，各壓電傳感器監(jiān)測信號如圖8所示。

圖8 不同寬度D1的充水埋地管道監(jiān)測信號Fig.8 Monitoring signals of water-filled buried pipelines with different widths of D1

以小波包能量法對單損傷充水埋土管道進(jìn)行損傷指數(shù)計算，其損傷指數(shù)矩陣如圖9所示。由圖9(a)可知，充水埋土管道具有和空管相同的規(guī)律，D1自W1變?yōu)閃3，傳感器Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)均隨損傷寬度的增大而增加；當(dāng)改變D1的軸向?qū)挾葧r，Sensor2、Sensor3和Sensor4的損傷指數(shù)始終隨傳感器至損傷的軸向距離的增加而依次減小，損傷識別的靈敏度也隨之降低。由圖9(b)可知，改變單損傷的存在區(qū)間，也會得到相似的規(guī)律，說明以該方法來識別充水埋土管道單損傷的存在位置與損傷程度是可行的。

圖9 單損傷充水埋土管道損傷指數(shù)矩陣Fig.9 Damage index matrix of single damaged water-filled buried pipelines

2)充水埋土管道多損傷識別 為探究該方法對充水埋土管道多損傷識別的適用性，以D1、D2和D3損傷寬度均為4mm的多損傷充水埋土管道為例，采用與空管多損傷識別相同的加載方法對其展開研究。對3次沖擊試驗(yàn)的監(jiān)測信號進(jìn)行小波包能量分析，得到多損傷充水埋土管道的損傷指數(shù)如圖10所示。由圖10(a)可知，依次在Sensor1-Sensor2、Sensor2-Sensor3和Sensor3-Sensor4間加設(shè)D1、D2和D3，Sensor2、Sensor3及Sensor4的損傷指數(shù)均出現(xiàn)明顯增加。根據(jù)損傷指數(shù)矩陣中相鄰傳感器區(qū)段的損傷指數(shù)值的激增，可定位管道損傷D1、D2和D3的存在位置。據(jù)圖10(b)可知，3個損傷的寬度同時由4mm增至12mm，損傷指數(shù)也會隨損傷程度的增大而增大。

上述結(jié)果表明，利用壓電陶瓷傳感器監(jiān)測管道應(yīng)力波，并以小波包能量法對不同服役工況管道進(jìn)行損傷指數(shù)計算。利用損傷指數(shù)不僅能識別空管與充水埋土管道單損傷的存在位置和損傷嚴(yán)重程度，還能對不同服役工況管道的多損傷存在位置及損傷嚴(yán)重程度進(jìn)行有效識別，證明以該方法來對管道進(jìn)行損傷識別是具有普遍性的。

圖10 多損傷充水埋土管道損傷指數(shù)矩陣Fig.10 Damage index matrix of multi-damaged water-filled buried pipelines

4 結(jié)論

1) 空管損傷指數(shù)隨著傳感器至損傷距離的增大而減小，同時損傷識別的靈敏度也隨之降低，根據(jù)損傷指數(shù)的變化可以有效識別空管單損傷與多損傷的存在和存在的位置。

2) 空管的損傷指數(shù)隨著損傷軸向?qū)挾鹊脑龃蠖黾樱該p傷指數(shù)為損傷判定指標(biāo)，可以有效識別空管損傷的嚴(yán)重程度。

3) 改變管道的服役工況，根據(jù)損傷指數(shù)的變化仍然能有效識別不同服役工況管道單損傷與多損傷的存在位置和損傷嚴(yán)重程度。說明基于壓電陶瓷監(jiān)測管道應(yīng)力波，并通過小波包能量法進(jìn)行管道損傷計算獲取損傷指數(shù)，以損傷指數(shù)為指標(biāo)來對管道進(jìn)行損傷評估的方法是可行性和普遍性的。