CN111765386B - 一种管道结构分布式实时健康监测***及方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种针对管道结构的分布式实时健康监测***，主要包括监控终端、贴附在连续管段上的多个结构关键区域中结构关键点上的压阻式贴片传感器，以及设置在每个结构关键区域内或结构关键区域所处环境的多个环境参量传感器，本专利形成了一个连续的分布式传感器监测网络；利用压阻贴片传感器对管道结构应力应变响应直接的特性，针对不同位置、不同形制的管道结构，采取特定的贴附及监测方式，实现对管道结构的应力应变的监测；另外，管道结构由于外界影响或由于管内压力突变产生的大应变可以直接反映为传感器电阻率的瞬时大增量并可以被实时监测；最终结合监测的环境参量，实现对长距离连续管段的实时健康监测并及时发出安全隐患警报。

Description

一种管道结构分布式实时健康监测***及方法

技术领域

本公开涉及管道监控技术领域，特别涉及一种管道结构分布式实时健康监测***及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

管道(又称管线、管路)是石油、天然气、化工液/气体的主要输送工具之一，并大量应用于石油化工业。管道通常由钢管、合金管及塑料复合管组成。虽然管道的运量大、密封性好、成本低，但随着管道服役期限的推移，在自然老化和外部环境及输送介质的腐蚀等不利因素的作用下，管道材料的结构和功能会退化，易造成管道结构安全隐患。据统计，截至2020年，我国陆上油气管道总里程已达到16.9万公里。同时，管道泄露、***等事故较为常见，造成巨大的经济损失和无法计量的环境污染。除了人为操作失误，管道破裂由结构的机械失效引起，常常衍生于微观的材料损伤。因此，排查长距离管道的安全隐患对现有基于人力巡检的管道养护工作带来极大挑战。

本公开发明人发现，现有的管道监测的方式分为两种，第一种为抽样检测的方式，即通过人工定期巡检或者移动式检测仪器定期巡检的方式；第二种为采用各种传感器进行实时监测的方式，即通过布设各种传感器对管道的漏气或者漏油情况或者管道周边环境情况进行监测；不管是第一种抽样式的检测还是第二种的实时监测方式，都只能实现管道结构的故障后检测，无法实现有效的故障前检测；而且，现有的漏油漏气传感器对于埋设在地下或者位于高原地区的管道的适用性低、施工困难、监测成本较高；同时现有的方式也无法实现对管道中不同结构件如连续管段或者弯管段或者T型管段的适应性监测，即现有的监测方式无法达到最佳的监测效果。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种管道结构分布式实时健康监测***及方法。利用压阻式面状贴片传感器，针对不同位置、不同形制的管道，采取特定的贴附及监测方式，可以对管道结构的关键区域全面覆盖，实现对连续管道的应力应变的监测；管道结构上由于外界环境影响(如外力、碰撞、地震、洪水泥石流冲击等)和其管内压力突变产生的大应变可以直接反映为传感器电阻率的瞬时大增量并可以被实时监测，结合监测的环境参量，可以有效的辨析管道结构的损伤及位置，及时发出安全隐患警报。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种管道结构分布式实时健康监测***。

一种管道结构分布式实时健康监测***，至少包括监控终端和分布式监测单元(包括设置在管道关键点上的压阻式贴片传感器、用于监测管道所处环境的至少一个环境参量传感器和传感器数据采集装置)；

所述监控终端实时汇总采集到的压阻式贴片传感器和环境参量传感器的信号，对至少一路的贴片传感器信号进行环境参量补偿，得到管道结构的实际应力应变变化，根据其应力应变状态进行管道或管网的结构健康监测与评价。

作为可能的一些实现方式，所述监控终端通过传感器数据采集装置分别与压阻式贴片传感器和环境参量传感器通信。

所述通信通过无线或有线数据传输网络实现。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括连续管段，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将压阻式贴片传感器贴附在连续管段的外表面，至少对连续管段进行弯矩应变、轴向应变、扭转应变和环向应变监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括连续管与连续管的对接点区域，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将压阻式贴片传感器贴附在两根连续管段靠近对接位置的外表面，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括管-管T型连接点区域，T型连接点的三个方向的管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括管-管斜T型连接点区域，斜T型连接点的三个方向的管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括管-管L型直角连接点区域，L型直角连接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括管-管L型斜接点区域，L型斜接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

作为可能的一些实现方式，所述结构关键点至少包括U型管段，在弯管和连接的两个直管的外表面分别采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行直管段轴向应变、直管段环向应变、弯管段环向应变、弯管段外曲面应变、弯管段内曲面应变监测。

本公开第二方面提供了一种管道结构分布式实时健康监测方法。

一种管道结构分布式实时健康监测方法，包括以下步骤：

确定被监测管道的位置、长度和结构设计参数；

将整个管道划分为连续的多个结构关键区域；

确定每个管道结构区域中所包含的多个结构关键点；

根据结构关键点的结构属性，在关键点的位置布设至少一个压阻式贴片传感器；

实时采集各个压阻式贴片传感器的数据，与每个压阻式贴片传感器的预设阈值进行对比，结合采集到的关键点所在的结构关键区域的环境数据，进行管道结构的实时健康监测。

作为可能的一些实现方式，管道结构的实时健康监测，至少包括：

标记和定位监测到的管道的瞬时突变响应，结合实时的环境参量变化，确定瞬时突变信号产生的原因，判定管段是否产生大尺度形变；

对比管道的时域数据与其弹性应变阈值的大小，分析被监测管段是否产生塑性应变；

根据分布的贴片传感器的弹性响应阈值及损伤极限，确定被监测管道结构在不同方向的应力应变状态，判断是否产生机械损伤，并对管道结构异常区域定位；

对比管道的阶段性监测数据与预设参数(如弹性位移量、震动频率等)，分析被监测管段是否产生结构蠕变、疲劳应变及损伤，评价管道结构的周期性状态。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的***及方法，利用压阻式面状贴片传感器，针对不同位置、不同形制的管道，采取特定的贴附及监测方式，实现对连续管道的应力应变的监测。管道结构上由于外界环境影响(如外力、碰撞、地震、洪水泥石流冲击等)和其管内压力突变产生的大应变可以直接反映为传感器电阻率的瞬时大增量并可以被实时监测，结合监测的环境参量，可以有效的辨析管道结构的损伤及位置，及时发出安全隐患警报。

2、本公开所述的***及方法，基于管道长、管道结构关键点分散的特点，一系列的压阻式贴片传感器被分布在管道结构的关键点上形成一个分布式传感网络，在连续管段、管-管对接部位、管-管T型连接部位、管-管斜接部位、管-管L型直角连接部位、管-管L型斜接部位和U型管段分别进行了特定的贴片传感器的贴附形式设置和监测形式设置，使得在长距离管道结构上的所有关键区域和关键点均可全部由分布式压阻贴片传感器覆盖，实现对整体结构进行监测并可对单一隐患节点定位，极大的提高了对管道结构的实时监测能力。

3、本公开所述的***及方法，对多个结构关键点上布设多个压阻式贴片传感器，不仅通过单个压阻式贴片传感器实现实时的应变监测，还通过贴片传感器之间的预设点位上的对比监测分析，从而更精准的实现了管道结构的实时监测，能够更精准的管道异常识别。

4、本公开所述的***及方法，对不同类型的管道结构关键点进行特征性监测，尤其的，长距离管道上的所有关键区域均可全部由分布式监测单元覆盖，其中，关键区域内的关键点均被传感器节点覆盖，从而实现整体与局部结构监测，提高了监测***对结构局部损伤的敏感性和结构整体性评估的准确性；利用无线网络传输技术，云平台对来自多个监测单元的实时数据进行汇总、展示与分析，对异常信号发出及时警告，并对整体管道结构的潜在结构安全隐患发出预警；另外，云平台与监测任务管理方和客户端建立双向通信连接；其覆盖面广、结构针对性强、可扩展度高、施工方便、应用前景广阔。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的压阻式贴片传感器示意图及其监测方式。

图3为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对连续管段的传感器分布及监测形式一。

图4为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对连续管段的传感器分布及监测形式二。

图5为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对管-管对接点区域的传感器分布及监测形式三。

图6为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对管-管T型连接区域的传感器分布及监测形式四。

图7为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对管-管斜接区域的传感器分布及监测形式五。

图8为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对管-管L型连接区域的传感器分布及监测形式六。

图9为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对管-管L型斜连区域的传感器分布及监测形式七。

图10为本公开实施例1提供的管道结构健康监测***的针对U型管段的传感器分布及监测形式八。

图11为本公开实施例1提供的管道结构健康监测方法的流程示意图。

图1中，①，②，③，④，⑤，⑥，⑦，⑧，

表示连续管道上的结构关键区域。

图2至图10中，E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7，E8，E9，E10，E11和E12表示安置在贴片传感器上的电极。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，包括云数据处理平台(监控终端)、设置在管道的多个结构关键区域中结构关键点上的压阻式贴片传感器和信号采集装置(即分布式监测单元)，以及设置在每个结构关键区域内或结构关键区域所处环境的多个环境参量传感器及其信号采集装置；

所述监控终端与分布式监测单元(包括压阻式贴片传感器、环境参量传感器和信号采集装置)通过无线数据传输网络通信，根据实时采集到的管道结构的应力变化与环境参量变化实现对管道的结构健康监测与评价。

本实施例中，所述云数据处理平台与监测任务管理方和客户端通信，实现数据和指令的上传下达。

如图2所示，本实施例提供的压阻式贴片传感器(后面均称为贴片传感器)为矩形薄片结构，包括多个分布式设置的电极，如设置在矩形结构的四条边的中心位置，通过将相对的两个电极连接在一起实现电阻信号检测。

可以理解的，在其他的实施例中，所述贴片传感器的结构可以是任意形状，可以是圆形、梯形或者五角形等任意形状，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

可以理解的，在其他的实施例中，所述矩形结构上可以设置多个、不同位置的电极对，通过将任意电极对连接起来实现在同一监测区域内不同位置或者不同功能的检测，本领域技术人员可以根据具体工况自行设置，在此不作详述。

本实施例所述的结构关键点至少包括连续管段、管-管对接部位、管-管T型连接部位、管-管斜接部位、管-管L型直接部位、管-管L型斜接部位和U型管段，当然也可以有其他连接方式，本实施例不再一一赘述。

如图3和图4所示，当结构关键点为连续管段时，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将贴片传感器贴附在连续管段的外表面，对连续管段进行弯矩应变、轴向应变、扭转应变和环向应变监测。

如图3所示，完全覆盖指的是采用一个矩形的贴片传感器将连续管段进行包覆，贴片传感器的两个相对的平行边之间的距离为2毫米，两个相对的平行边指的是与连续管段轴向平行的两条边。

如图3所示，贴片传感器上设有12个电极，分别为设置在贴片传感器的四个角上的E9、E10、E11和E12，设置在与管道轴向同向的两条边上的E7和E8，E7、E8、E9、E10、E11和E12均设置在管道的一侧(背面)，管道的另一侧(正面)设有E1、E2，E3、E4、E5和E6，E1、E2，E3分别设置在与管道轴向垂直的一条边上，E4、E5和E6设置在与管道轴向垂直的另一条边上，其中，E1与E6的连线、E2与E5的连线、E3与E4的连线相互平行，且均平行于管道轴线；E2和E5的连线为贴片传感器的中心线。

如图3所示，通过E1和E6的连接，检测管道的轴线，实现弯矩应变的监测；通过E2和E5的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的轴线，实现弯矩应变的监测；通过E1和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E7和E8的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E9和E12的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E10和E11的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测。

如图3所示，通过对连续管段上的包覆的贴片传感器进行12个电极的分布式设计，实现了对连续管段的全方位监测，能够实现对各种应力变化的实时在线监控，保证了管道的安全。

如图4所示，采用半包覆的方式指的是采用一个矩形的贴片传感器将连续管段的一半进行包覆，所述贴片传感器的两条与管道轴线平行的边之间的距离与管道的直径相同。

具体的包括8个电极，分别为E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7和E8，其中E7和E8分别设置在两条与管道轴线平行的边的中点位置，E1、E3、E4、E6分别设置在贴片传感器的四个角上，E5和E6分别设置在两条与管道轴线垂直的边的中点位置。

如图4所示，通过E1和E6的连接，检测管道的轴线，实现弯矩应变的监测；通过E2和E5的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的轴线，实现弯矩应变的监测；通过E1和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E7和E8的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测。

采用半包覆的方式能够在节省传感器及耗材成本的条件下，实现对轴向应变、弯矩应变、螺旋应变和扭转应变的实时监测。

如图5所示，当结构关键点为管-管对接部位时，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将贴片传感器贴附在两根连续管段靠近对接位置的外表面，进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

管道连接点表示管段与管段的连接区域；这里的连接方式包括螺纹连接、法兰连接、焊接连接、承插链接、卡压式连接、沟槽连接、黏合连接、热熔和电熔连接方式。

具体的，每根管道上的贴片传感器的位置相同，且电极点的位置相同，分别为E1、E2、E3、E4、E5和E6；E5、E1和E6依次设置在贴片传感器靠近连接点的垂直于轴线的一条边上，贴片传感器上垂直于轴线的另一条边上设有E3，且E1与E3的连线与管道轴线平行，所述贴片传感器上还设有E2和E4，且E5与E2的连线、E4与E6的连线、E1与E3的连线相互平行。

如图5所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E2的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E5的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E5和E6的连接，检测管道与连接装置的接触区域，实现管道连接状态的监测。

通过对每个贴片传感器的电极对的监测，能够实时的对每根管道的连接状态进行监测，同时，通过对两根管道上相同位置的电极监测的对比，能够实现对连接状态的实时监控，极大的提高了对连接点异常结构状况的监控能力。

如图6所示，当结构关键点为管-管T型连接时，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将贴片传感器贴附在两根连续管段靠近对接位置的外表面，进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

如图6所示，第一连续管的端部垂直连接到第二连续管的管壁上，利用一个贴片传感器将第一连续管的端部进行全包覆或者半包覆，第一连续管上的贴片传感器的电极分别为E1、E2、E3、E4、E5和E6；E5、E1和E6依次设置在贴片传感器靠近连接点的垂直于轴线的一条边上，贴片传感器上垂直于轴线的另一条边上设有E3，且E1与E3的连线与管道轴线平行，所述贴片传感器上还设有E2和E4，且E5与E2的连线、E4与E6的连线、E1与E3的连线相互平行。

如图6所示，第二连续管靠近连接点的两侧分别采用全包覆或者半包覆的方式设有一个贴片传感器，每个贴片传感器包括四个电极，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片传感器边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图6所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E2的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E5的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E5和E6的连接，检测管道与管道的接触区域，实现管道连接状态的监测。

如图6所示，通过对三个贴片传感器的各个电极对的实时检测，能够实现对每个贴片传感器所在位置的应变监测，同时结合三个贴片传感器的各个电极对的交叉检验，能够实现对此连接点位置的连接状态以及工作状态的实时监控，极大的提高了监控能力。

如图7所示，当结构关键点为管-管斜T型连接时，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将贴片传感器贴附在两根连续管段靠近对接位置的外表面，进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

如图7所示，第一连续管的端部以预设倾角连接到第二连续管的管壁上，利用一个矩形的贴片传感器将第一连续管的端部进行全包覆或者半包覆，第一连续管上的贴片传感器的电极电位分别为E1、E2、E3、E4、E5和E6；E5、E1和E6依次设置在贴片传感器靠近连接点的垂直于轴线的一条边上，贴片传感器上垂直于轴线的另一条边上设有E3，且E1与E3的连线与管道轴线平行，所述贴片传感器上还设有E2和E4，且E5与E2的连线、E4与E6的连线、E1与E3的连线相互平行。

如图7所示，第二连续管靠近连接点的两侧分别采用全包覆或者半包覆的方式设有一个矩形的贴片传感器，每个矩形压阻式贴片传感器包括四个电极点，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片传感器边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图7所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E2的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E5的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E5和E6的连接，检测管道与管道的接触区域，实现管道连接状态的监测。

如图7所示，通过对三个贴片传感器的各个点位的实时检测，能够实现对每个贴片传感器所在位置的应变检测，同时结合三个贴片传感器的各个电极对的交叉检验，能够实现对此连接点位置的连接状态以及工作状态的实时监控，极大的提高了监控能力。

具体的，位于三个贴片传感器内具有相同监测方位的电极对提供了相互关联的针对同一结构状态参量的多组实时数据；基于对这些关联数据组的相似性分析，可以综合判断管道材料在这一方位的结构状态，明确应力集中情况。

如图8所示，当结构关键点为管-管L型直角连接时，L型直角连接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有贴片传感器，进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

如图8所示，第一连续管的端部垂直与第二连续管的靠近管封位置的管壁连通，第一连续管靠近连接点的两侧分别采用全包覆或者半包覆的方式设有一个矩形的贴片传感器，每个贴片传感器包括四个电极，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片传感器边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图8所示，第二连续管上设有7个电极，分别为E1、E2、E3、E4、E5、E6和E7，其中E1、E5和E6依次设置在贴片传感器靠近管封的边沿上，E3与E1的连线、E5与E2的连线、E6、E4和E7的连线以及第二连续管的轴线相互平行。

如图8所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E2的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E5的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E5和E6的连接，检测管道与管封的接触区域，实现管道与管封的连接状态监测；通过E6和E7的连接，检测管道与管道的接触区域，实现管道与管道的连接状态监测。

如图9所示，当结构关键点为管-管L型斜角连接时，L型斜接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有贴片传感器，进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

如图9所示，第一连续管的端部垂直与第二连续管的靠近管封位置的管壁连通，第一连续管靠近连接点的两侧分别采用全包覆或者半包覆的方式设有一个贴片传感器，为第一贴片传感器，第一贴片传感器包括四个电极，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片传感器边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图9所示，第二连续管上的第二贴片传感器设有6个电极，分别为E1、E2、E3、E4、E5、E6，其中E1、E5和E6依次设置在贴片传感器靠近管封的边沿上，E3与E1的连线、E5与E2的连线、E6、E4的连线以及第二连续管的轴线相互平行，E2和E4分别设置在与管道轴线平行的两条边的中点位置。

如图9所示，第二贴片传感器与两个管道的连接处之间还设有第三贴片传感器，所述第三贴片传感器窄带形状，其上下两条边与第一连续管的轴线平行，左右两条边与第二连续管的轴线平行，在左右两条边的中点位置分别设有一个电极点，分别为E7和E8。

如图9所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E3和E4的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E2的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E5的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E3和E6的连接，检测管道的螺旋线，实现扭转应变的监测；通过E5和E6的连接，检测管道与管封的接触区域，实现管道与管封的连接状态监测；通过E7和E8的连接，检测管道与管道的接触区域，实现管道与管道的连接状态监测。

如图10所示，当结构关键点为U型管段时，在弯管和连接的两个直管的外表面分别采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有贴片传感器，进行直管段轴向应变、直管段环向应变、弯管段环向应变、弯管段外曲面应变、弯管段内曲面应变监测。

如图10所示，第一连续管和第二连续管的端部分别与U型管段的两个端部连接，第一连续管的外表面靠近连接点的位置全包覆或半包覆有第一贴片传感器，第一贴片传感器包括四个电极，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图10所示，第二连续管的外表面靠近连接点的位置全包覆或半包覆有第二贴片传感器，第二贴片传感器包括四个电极，E1和E3分别设置在于第二连续管轴线垂直的贴片传感器边缘位置，E2和E4设置在E1、E3的两侧，且E2和E4的连线与E1和E3的连线垂直。

如图10所示，所述U型管段的外表面全包覆或半包覆有第三贴片传感器，所述第三贴片传感器的两条平行线分别与U型管段的轴线平行，第三贴片传感器的四个角上分别设有E7、E8、E9和E10四个电极，且与U型管段轴线平行的两条边上分别设有E5和E6两个电极。

如图10所示，通过E1和E3的连接，检测管道的轴线，实现轴向应变的监测；通过E2和E4的连接，检测管道的环向，实现环向应变的监测；通过E5和E6的连接，检测U型管段的环向，实现U型管段的环向的监测；通过E7和E10的连接，检测U型管段外曲面，实现U型管段外曲面应变的监测；通过E8和E9的连接，检测U型管段内曲面，实现U型管段内曲面应变的监测；通过E7和E8的连接，检测弯-直连接区域的环向，实现弯-直区域连接状态的监测；通过E9和E10的连接，检测弯-直连接区域的环向，实现弯-直区域连接状态的监测。

本实施例通过对每个结构关键点的单个贴片传感器的电极对检测实现了对特定位置及方向的应力应变监测，通过对每个关键点的多个贴片传感器响应的综合分析，实现了对相应的关键点的结构状态的综合分析；通过对各个结构关键点的时域数据的相似性分析及特征值提取，结合结构关键点所处的环境参量变化，判断不同的环境下的同类型关键点的应力变化趋势；同时联合分布在连续管道(网)上所有传感器的阶段性数据的差值比较，确定发生异常应力应变变化的管道关键点，进而实现对管道(网)的整体健康监测。

实施例2：

如图11所示，本公开实施例2提供了一种管道结构分布式实时健康监测方法，包括以下步骤：

确定被监测管道的位置、长度和结构设计参数；

将整个管道划分为连续的多个结构关键区域；

确定每个管道结构区域中所包含的多个结构关键点；

根据结构关键点的结构属性，在关键点的位置布设至少一个压阻式贴片传感器；

实时采集各个压阻式贴片传感器的数据，与每个压阻式贴片传感器的预设阈值进行对比，结合采集到的关键点所在的结构关键区域的环境数据，进行管道结构的实时健康监测。

管道结构的实时健康监测，至少包括：

(1)标记、定位监测到的管道的瞬时突变响应，结合实时的环境参量变化，确定瞬时突变信号产生的原因，判定管段是否产生大尺度形变；

(2)对比管道的时域数据与其弹性应变阈值的大小，分析被监测管段是否产生塑性应变；

(3)根据分布的贴片传感器的弹性响应阈值及损伤极限，确定被监测管道结构在不同方向的应力应变状态，判断是否产生机械损伤，并对管道结构异常区域定位；

(4)对比管道的阶段性监测数据与预设参数(如弹性位移量、震动频率等)，分析被监测管段是否产生结构蠕变、疲劳应变及损伤，评价管道结构的周期性状态。

分布在连续管道上的监测单元将管道结构关键区域的监测数据通过无线数据传输网络打包上传至云数据处理平台；

所述云数据处理平台还提供数据的展示和分析、危险信号报警以及历史数据的查询功能。

在本实施例中，所述环境数据采集用的传感器至少包括风速传感器、风压传感器、加速度传感器、温湿度传感器、红外照(摄)相机。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，包括监控终端和分布式监测单元；

所述分布式监测单元包括设置在管道结构关键点上的压阻式贴片传感器、用于监测管道所处环境的至少一个环境参量传感器和传感器数据采集装置；

所述压阻式贴片传感器为矩形薄片结构，所述矩形薄片结构上设置多个、不同位置的电极对，通过将任意电极对连接起来实现在同一监测区域内不同位置或者不同功能的检测；

所述环境参量传感器至少包括风速传感器、风压传感器、加速度传感器、温湿度传感器、红外照相机；

所述监控终端通过传感器数据采集装置实时汇总采集到的压阻式贴片传感器和环境参量传感器的信号，对至少一路的贴片传感器信号进行环境参量补偿，得到管道的实际应力变化，根据其应力应变状态进行管道或管网的整体性健康监测与评价；

所述结构关键点至少包括连续管与连续管的对接点区域，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将压阻式贴片传感器贴附在两根连续管段靠近对接位置的外表面，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测；

所述结构关键点至少包括U型管段，在弯管和连接的两个直管的外表面分别采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行直管段轴向应变、直管段环向应变、弯管段环向应变、弯管段外曲面应变、弯管段内曲面应变监测、弯-直区域连接状态监测；

压阻式贴片传感器被分布在管道结构的关键点上形成一个分布式传感网络，在连续管段、管-管对接部位、管-管T型连接部位、管-管斜接部位、管-管L型直角连接部位、管-管L型斜接部位和U型管段分别进行特定的贴片传感器的贴附形式设置和监测形式设置，在长距离管道结构上的所有关键区域和关键点全部由分布式压阻贴片传感器覆盖。

2.如权利要求1所述的管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，所述结构关键点至少包括连续管段，采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式将压阻式贴片传感器贴附在连续管段的外表面，至少对连续管段进行弯矩应变、轴向应变、扭转应变和环向应变监测。

3.如权利要求1所述的管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，所述结构关键点至少包括管-管T型连接点区域，T型连接点的三个方向的管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

4.如权利要求1所述的管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，所述结构关键点至少包括管-管斜T型连接点区域，斜T型连接点的三个方向的管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变和管道连接状态监测。

5.如权利要求1所述的管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，所述结构关键点至少包括管-管L型直角连接点区域，L型直角连接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

6.如权利要求1所述的管道结构分布式实时健康监测***，其特征在于，所述结构关键点至少包括管-管L型斜接点区域，L型斜接点的两个管壁外表面靠近连接点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式贴附有压阻式贴片传感器，至少进行轴向应变、扭转应变、环向应变、管道与管道连接状态、管道与管封连接状态监测。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的管道结构分布式实时健康监测***的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定被监测管道的位置、长度和结构设计参数；

将整个管道划分为连续的多个结构关键区域；

确定每个管道结构区域中所包含的多个结构关键点；

根据结构关键点的结构属性，在关键点的位置采用完全覆盖或者不完全覆盖的方式布设至少一个压阻式贴片传感器；

实时采集各个压阻式贴片传感器的数据，与每个压阻式贴片传感器的预设阈值进行对比，结合采集到的关键点所在的结构关键区域的环境数据，进行管道结构的实时健康监测。

8.如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，管道结构的实时健康监测，至少包括：

标记和定位监测到的管道的瞬时突变响应，结合实时的环境参量变化，确定瞬时突变信号产生的原因，判定管段是否产生大尺度形变；

对比管道的时域数据与其弹性应变阈值的大小，分析被监测管段是否产生塑性应变；

根据分布的贴片传感器的弹性响应阈值及损伤极限，确定被监测管道结构在不同方向的应力应变状态，判断是否产生机械损伤，并对管道结构异常区域定位；

对比管道的阶段性监测数据与预设参数，分析被监测管段是否产生结构蠕变、疲劳应变及损伤，评价管道结构的周期性状态。

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