張行 李振林 啜廣山 王路路 段志文

摘要：敷設(shè)在海床的油氣管道可能會(huì)在洋流沖刷、地質(zhì)運(yùn)移等多種因素的影響下出現(xiàn)管道局部懸空現(xiàn)象，海底管道懸空會(huì)嚴(yán)重威脅油氣輸送安全。為有效檢測(cè)管道懸空狀態(tài)，提出了一種基于錘擊檢測(cè)法的海底管道懸空內(nèi)檢測(cè)器設(shè)計(jì)方案；結(jié)合MSC/Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件，采集經(jīng)內(nèi)檢測(cè)器主動(dòng)錘擊激勵(lì)管道內(nèi)壁后不同敷設(shè)狀況管段的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分別進(jìn)行基于短時(shí)傅里葉變換（STFT）、頻率切片小波變換（FSWT）和改進(jìn)希爾伯特黃變換（HHT）時(shí)頻分析，結(jié)合3種時(shí)頻分析結(jié)果建立了管道懸空內(nèi)檢測(cè)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究結(jié)果表明：經(jīng)力錘激勵(lì)后，管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)整體幅值主要集中在50～120 Hz范圍內(nèi)，峰值頻率主要集中在80 Hz左右；不同懸空狀態(tài)下的管段振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)幅值存在明顯差別，越接近懸空管段中心位置，振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)峰值頻率對(duì)應(yīng)的幅值越大；基于錘擊法的管道懸空內(nèi)檢測(cè)器在仿真模擬環(huán)境中可有效辨別管道懸空狀態(tài)。研究結(jié)果可為錘擊內(nèi)檢測(cè)法應(yīng)用于海底管道懸空狀態(tài)內(nèi)檢測(cè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：海底管道懸空；錘擊法；短時(shí)傅里葉變換；頻率切片小波變換；希爾伯特黃變換

0 引 言

在多種因素的影響下，敷設(shè)于海床上的海底管道可能會(huì)出現(xiàn)局部懸空現(xiàn)象。管道懸空會(huì)導(dǎo)致其局部應(yīng)力集中、保溫層破壞、泄漏等各類安全事故，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行。定期巡檢海底管道，及時(shí)掌握其敷設(shè)狀態(tài)，是海洋油氣生產(chǎn)的重要保障措施［1-5］。國(guó)內(nèi)外針對(duì)海底管道懸空現(xiàn)象的檢測(cè)研究主要分為管外檢測(cè)與管內(nèi)檢測(cè)。相較于管外檢測(cè)，管道內(nèi)部環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，因此管內(nèi)檢測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì)。U.G.KPKE等［6-7］基于激振檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)了管道懸空內(nèi)檢測(cè)裝置，通過(guò)采集分析管道產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)頻譜特征來(lái)辨識(shí)埋管懸空信息。廖寧生等［8-11］提出了一種基于管內(nèi)主動(dòng)激勵(lì)載荷作用下的埋管懸空內(nèi)檢測(cè)方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。瞬態(tài)錘擊檢測(cè)技術(shù)是管內(nèi)主動(dòng)激勵(lì)作用下的懸空內(nèi)檢測(cè)方法之一，該方法具有準(zhǔn)確、快速、操作簡(jiǎn)單和信息量豐富等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，如檢測(cè)道路橋梁領(lǐng)域［12］中路面板板底脫空問(wèn)題，油氣管道檢測(cè)領(lǐng)域中管道裂紋無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題［13］，隧道領(lǐng)域中襯砌背后空洞問(wèn)題［14］，軌道交通領(lǐng)域中鋼軌扣件失效問(wèn)題［15］，航空航天領(lǐng)域中復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題［16］。海底管道懸空問(wèn)題與鋼軌扣件失效、隧道襯砌空洞等問(wèn)題存在一定的相似性，因此開展基于瞬態(tài)錘擊檢測(cè)技術(shù)的海底管道懸空內(nèi)檢測(cè)研究具有理論可行性。

基于瞬態(tài)錘擊檢測(cè)技術(shù)的管道懸空內(nèi)檢測(cè)器通過(guò)力錘敲擊裝置可使管道產(chǎn)生非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)，采集振動(dòng)響應(yīng)分析信號(hào)，處理分析采集的信號(hào)時(shí)采用時(shí)頻分析法。信號(hào)時(shí)頻分析法主要包括短時(shí)傅里葉變換（Short-time Fourier Transform，STFT）、頻率切片小波變換（Frequency Slice Wavelet Transform，F(xiàn)SWT）、希爾伯特黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）時(shí)頻分析法等［17-18］。筆者通過(guò)開展海底管道懸空內(nèi)檢測(cè)仿真試驗(yàn)，利用MSC/Adams后處理模塊，采集經(jīng)內(nèi)檢測(cè)器力錘敲擊裝置激勵(lì)后不同懸空狀態(tài)管段的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)采集的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分別基于STFT、FSWT和改進(jìn)的HHT時(shí)頻分析法進(jìn)行分析，結(jié)合3種時(shí)頻分析結(jié)果建立管道懸空內(nèi)檢測(cè)效果評(píng)價(jià)方法。分析結(jié)果表明，基于錘擊內(nèi)檢測(cè)法的管道懸空內(nèi)檢測(cè)器在仿真環(huán)境中可有效辨別管道懸空狀態(tài)。

1 管道懸空內(nèi)檢測(cè)器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

管道懸空內(nèi)檢測(cè)器以輪式機(jī)器人為載體，主要由驅(qū)動(dòng)與變徑裝置、力錘敲擊裝置、數(shù)據(jù)采集裝置組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

檢測(cè)器外部設(shè)有圓筒形密封保護(hù)艙。驅(qū)動(dòng)與變徑裝置保障檢測(cè)器具有足夠的摩擦力，以驅(qū)動(dòng)檢測(cè)器行走，并使其具有一定的過(guò)彎能力、避障能力與一定范圍內(nèi)管徑變化的自適應(yīng)能力。力錘敲擊裝置主要由盤形凸輪、拉伸彈簧、擺桿與力錘組成，敲擊動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，通過(guò)蝸輪蝸桿將動(dòng)力傳遞至盤形凸輪。盤形凸輪通過(guò)與拉伸彈簧配合使擺桿前端力錘快速敲擊管道，完成單次管道激振，通過(guò)絲桿電機(jī)與滾珠螺母配合將采集裝置貼管壁下放以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2 建模與仿真模擬

2.1 模型參數(shù)設(shè)置

基于MSC/Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件建立海底管道模型，采用四面體單元將管道離散成若干個(gè)有限單元并做柔性化處理，以便于測(cè)試管道在力錘敲擊下的瞬態(tài)響應(yīng)。管道模型外壁軸向間隔500 mm、周向間隔90°設(shè)置彈簧阻尼器，用于模擬管道與外部環(huán)境的相互作用。設(shè)有2種顏色的彈簧阻尼模擬器，其中紅色彈簧阻尼器模擬管道與土壤間的相互作用，與之連接的管道為非懸空管道；黃色彈簧阻尼器模擬管道與海水間的相互作用，與之連接的管道為懸空管道，建立的仿真模型如圖2所示。設(shè)置管土相互作用的彈簧阻尼器彈簧剛度為598 kN/m，阻尼為18.10 kN·s/m；檢測(cè)器車輪剛度為2 855 N/mm，阻尼為0.57 N·s/mm，車輪與管道內(nèi)壁設(shè)置為實(shí)體對(duì)實(shí)體接觸，靜摩擦因數(shù)為0.30，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25；設(shè)置檢測(cè)器靜平移速度為0.10 mm/s，動(dòng)摩擦速度為10 mm/s；設(shè)置檢測(cè)器力錘剛度為1.0×105 N/mm，阻尼為50 N·s/mm，力指數(shù)為1.5。

2.2 仿真試驗(yàn)

基于MSC/Adams動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，對(duì)仿真分析做如下假設(shè)：管道材質(zhì)均勻，在線性彈性范圍內(nèi)；支撐段支撐介質(zhì)具有各向同性；忽略管內(nèi)壓力對(duì)管道剛性影響；忽略環(huán)境噪聲和管內(nèi)流體引起的噪聲影響。仿真試驗(yàn)概況如下：設(shè)定檢測(cè)管段總距離為6 m，中間5 m為懸空段，左右兩端各0.5 m為非懸空管段，管道模型相鄰彈簧阻尼器間隔0.5 m，如圖3所示。檢測(cè)管段共設(shè)置7個(gè)等距檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)控制檢測(cè)器敲擊裝置凸輪的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，使檢測(cè)器每次通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行1次力錘敲擊，同時(shí)利用Adams Post Processor獲取力錘對(duì)管道的沖擊信號(hào)和經(jīng)力錘激勵(lì)后管道的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。

3 結(jié)果與分析

瞬態(tài)錘擊檢測(cè)法的試驗(yàn)結(jié)果分析通常需同時(shí)考慮力錘的沖擊力信號(hào)和被檢測(cè)物體的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在理想環(huán)境下力錘每次敲擊管道的沖擊力信號(hào)幅值幾乎無(wú)異，因此筆者對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果的信號(hào)時(shí)頻分析均采用管道的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。仿真試驗(yàn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)如圖4所示。

為避免因單一信號(hào)分析結(jié)果的偶然性影響管段懸空狀態(tài)判別，分別基于STFT、FSWT和改進(jìn)HHT時(shí)頻分析法對(duì)所采集的管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合3種時(shí)頻分析指標(biāo)，建立管道懸空檢測(cè)效果評(píng)價(jià)方法。

3.1 STFT信號(hào)時(shí)頻分析

STFT對(duì)信號(hào)添加窗函數(shù)后做傅里葉變換，其實(shí)質(zhì)是一種加窗后的移動(dòng)傅里葉變換，可以將信號(hào)從一維時(shí)域表示分解為時(shí)域和頻域的二維聯(lián)合表示［19-20］。信號(hào)zt的STFT定義為：

對(duì)管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行STFT時(shí)頻分析，選擇窗口長(zhǎng)度為256個(gè)形狀參數(shù)的Kaiser函數(shù)，窗口重疊長(zhǎng)度為220個(gè)采樣點(diǎn)，離散傅里葉變換長(zhǎng)度為512個(gè)點(diǎn)，分析結(jié)果如圖5所示。圖5a為振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)STFT后的時(shí)頻幅值譜，圖5b為振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)STFT后峰值頻率處對(duì)應(yīng)幅值隨測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律。

分析圖5a可知，力錘敲擊后的管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)STFT分析后，幅值主要集中在50～120 Hz范圍內(nèi)，峰值頻率主要集中在80 Hz附近。分析圖5b可知，不同懸空狀態(tài)管段的幅值存在明顯差異，距懸空管段中間位置越近幅值越大，懸空管段初始位置（測(cè)點(diǎn)2）到懸空管段中心位置（測(cè)點(diǎn)4）過(guò)程中幅值呈上升趨勢(shì)，且測(cè)點(diǎn)2到測(cè)點(diǎn)3過(guò)程中增幅最高可達(dá)76%，懸空管段中心位置之后的幅值呈下降趨勢(shì)。

3.2 FSWT信號(hào)時(shí)頻分析

FSWT時(shí)頻分析法是基于頻率切片函數(shù)柔性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，將時(shí)域內(nèi)信號(hào)STFT和小波變換（Wavelet Transform，WT）應(yīng)用到頻域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域細(xì)化分析和特征分量提?。?1-22］。FSWT正變換時(shí)信號(hào)ft∈L2R，頻率切片函數(shù)pt其傅里葉變換p∧w存在。ft的FSWT時(shí)域定義為：

對(duì)管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行FSWT時(shí)頻分析，頻率切片函數(shù)參數(shù)中設(shè)ξ=0.5，η=0.025，k=28.2843。對(duì)仿真試驗(yàn)懸空管段的5個(gè)測(cè)點(diǎn)做細(xì)化分析，以進(jìn)一步分析能量幅值集中區(qū)域信號(hào)的時(shí)頻特性。FSWT時(shí)頻能量幅值譜與細(xì)化分析后的懸空管段FSWT時(shí)頻能量幅值譜如圖6所示。

圖6中細(xì)化分析的時(shí)間區(qū)域?yàn)椴煌瑴y(cè)點(diǎn)管段受到激勵(lì)的時(shí)間，頻率區(qū)域?yàn)椴煌瑴y(cè)點(diǎn)管段振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)主要瞬時(shí)能量區(qū)域。

分析圖6可知，力錘敲擊后的管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)FSWT時(shí)頻分析法分析后，不同狀態(tài)管段的能量幅值存在明顯差異，懸空管段能量幅值明顯高于非懸空管段；對(duì)懸空管段各測(cè)點(diǎn)能量幅值細(xì)化分析，位于懸空管段中心位置的測(cè)點(diǎn)4能量幅值為各測(cè)點(diǎn)峰值，且能量幅值由測(cè)點(diǎn)4向兩側(cè)測(cè)點(diǎn)遞減。由此可知，懸空管段能量幅值大小與距非懸空管段距離呈正相關(guān)。

3.3 改進(jìn)HHT信號(hào)時(shí)頻分析

2014年Colominas等人提出改進(jìn)自適應(yīng)噪聲的完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓↖mproved complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise，ICEEMDAN）的信號(hào)分解方法，可有效避免假模態(tài)現(xiàn)象，減少模態(tài)中包含的噪聲量［23-28］?；诟倪M(jìn)HHT信號(hào)時(shí)頻分析，采用ICEEMDAN分解方法對(duì)所采集的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分解。圖7為經(jīng)力錘敲擊后，懸空管段中心位置振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)ICEEMDAN分解后的信號(hào)分量與對(duì)應(yīng)頻譜。其中ICEEMDAN分解圖縱坐標(biāo)為不同本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）分量信號(hào)的真實(shí)幅值，對(duì)應(yīng)圖譜縱坐標(biāo)為不同IMF分量信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后的幅值，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)ICEEMDAN分解后，其IMF分量的能量百分比如表1所示。分析圖7和表1數(shù)據(jù)可知，非懸空管段（測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)7）振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)ICEEMDAN首次分解出來(lái)的IMF 1高頻且高能量百分比；懸空管段（測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)6）振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)ICEEMDAN首次分解出的IMF 1頻率高但能量百分比遠(yuǎn)低于IMF 2，且越接近懸空管段中心位置，振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)ICEEMDAN首次分解出的IMF 1能量占比越低，IMF 2能量占比越高。

對(duì)原始信號(hào)中去除高頻低能量百分比IMF分量后的重構(gòu)信號(hào)做希爾伯特變換，基于改進(jìn)HHT時(shí)頻分析的結(jié)果見圖8。

分析圖8可知，振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)瞬時(shí)能量集中在50～120 Hz范圍內(nèi)，峰值頻率集中在80 Hz左右。相比于非懸空管段，懸空管段整體瞬時(shí)能量較大，懸空管段各測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)能量隨距非懸空管段的距離增加而增大，在懸空管段中心位置達(dá)到瞬時(shí)能量峰值，在測(cè)點(diǎn)2到測(cè)點(diǎn)3過(guò)程中增幅最大可達(dá)75%；非懸空管段測(cè)點(diǎn)1與測(cè)點(diǎn)7整體幅值較小，測(cè)點(diǎn)1略高于測(cè)點(diǎn)7。

3.4 懸空內(nèi)檢測(cè)效果評(píng)價(jià)方法

將STFT幅值增幅、FSWT能量幅值增幅和改進(jìn)HHT瞬時(shí)能量增幅作為懸空檢測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合這3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立管道懸空內(nèi)檢測(cè)效果評(píng)價(jià)方法，所建評(píng)價(jià)方法中增幅為末期值和基期值的差與基期值的比值?；趹铱諜z測(cè)效果評(píng)價(jià)方法建立的流程如圖9所示。

對(duì)真實(shí)增幅矩陣中的數(shù)據(jù)處理后得到增幅隨測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律，如圖10所示。由所建評(píng)價(jià)方法與仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)點(diǎn)2～測(cè)點(diǎn)6的STFT幅值、FSWT能量幅值和改進(jìn)HHT瞬時(shí)能量值均大于兩端測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)7，判定該范圍測(cè)點(diǎn)為懸空管段測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)4幅值為所有測(cè)點(diǎn)中的峰值，測(cè)點(diǎn)2到測(cè)點(diǎn)4呈遞增趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)6呈遞減趨勢(shì)。因此可得結(jié)論為：測(cè)點(diǎn)4為懸空管段中心位置；懸空管段各測(cè)點(diǎn)STFT幅值、FSWT能量幅值和改進(jìn)HHT瞬時(shí)能量值變化規(guī)律與距非懸空管段距離呈正比。基于所建評(píng)價(jià)方法對(duì)比分析3種時(shí)頻分析法，管道振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)經(jīng)3種方法分析均能有效辨別管道懸空狀態(tài)，由基于STFT與FSWT時(shí)頻分析可知，在通過(guò)懸空管段后進(jìn)入非懸空管段的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)仍存有幅值現(xiàn)象。而基于改進(jìn)HHT時(shí)頻分析可知，在通過(guò)懸空管段后的第一個(gè)非懸空管段測(cè)點(diǎn)能量幅值變化明顯，能夠較好地區(qū)分懸空管段與非懸空管段。對(duì)比3種時(shí)頻分析懸空管段中心位置幅值、峰值，相較于其他2種分析方法，基于FSWT時(shí)頻分析的峰值幅值最大，對(duì)懸空特征敏感性最強(qiáng)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)提出的管道懸空內(nèi)檢測(cè)原理方案中錘擊檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，分析了管道懸空內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管道模型產(chǎn)生有效激振力，驗(yàn)證了管道模型能夠產(chǎn)生有效振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的內(nèi)檢測(cè)方法的可行性。對(duì)所采集振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)分別基于STFT、FSWT和改進(jìn)HHT時(shí)頻分析后可知：

（1）基于改進(jìn)HHT時(shí)頻分析相較于STFT和FSWT時(shí)頻分析對(duì)懸空管段與非懸空管段區(qū)分更明顯，非懸空管段幅值受懸空管段幅值影響較小。

（2）基于FSWT時(shí)頻分析相較于STFT和改進(jìn)HHT時(shí)頻分析在懸空管段中心位置幅值、峰值最大，對(duì)管段懸空特征敏感性更強(qiáng)。

（3）基于錘擊檢測(cè)法的管道懸空內(nèi)檢測(cè)器在仿真模擬環(huán)境中能夠有效檢測(cè)出不同敷設(shè)狀態(tài)的海底管道，仿真研究結(jié)果可為錘擊內(nèi)檢測(cè)法應(yīng)用于海底管道懸空內(nèi)檢測(cè)提供理論指導(dǎo)。

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