专利名称：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�。ü谒苄郧姆植继氐惴治鏊宄て谑褂煤蠓⑸耐贡湫渭八逵牒阜炝哟Σ盐频脑颍环治鼋固妓母鞲龉ぷ鹘锥蔚淖畲笥αΨ⑸Γ醋钜壮鱿制＠推苹岛腿浔涞牟课唬涠ㄎ鹕思嗖獾�。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^。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
权利要求
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:
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n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。
全文摘要
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。
文档编号G01N19/08GK102539325SQ201010578128
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者朱冬生, 朱明亮, 涂善东, 王宁, 王琼琦, 胡明慧, 轩福贞 申请人:华东理工大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
