基于压电阻抗技术的管道裂纹损伤监测技术研究

李继承1，杨宁祥1，云晗2，陈九龙2，周衍荣2，容志斌2

（1.广东省特种设备检测研究院珠海检测院，珠海 519002； 2.海南省检验检测研究院，海口 570100）

摘要：基于压电阻抗技术对铝合金管道上模拟裂纹损伤的产生和发展过程进行监测。对粘贴于裂纹位置附近的压电传感器，利用阻抗分析仪在不同频段进行电阻抗信号测量。提取裂纹不同损伤状态对应电阻抗信号特征峰频率偏移量△f和均方根偏差RMSD作为损伤定量表征参数，分析了损伤表征参数与裂纹发展状况之间的变化关系。结果表明：管道出现裂纹后，电阻抗特征峰向低频方向偏移，△f和RMSD的数值均随着裂纹深度的增大而增大。

关键词：压电阻抗技术；压电传感器；管道；裂纹损伤；结构健康监测

1. 引言

压力管道通常由金属、塑料、玻璃钢等高强度材料制成，作为各种不同介质的输送媒介，压力管道广泛应用于石油、化工、冶金等工业领域，是这些行业中不可或缺的重要基础设施。裂纹是一种严重影响压力管道安全运行的危险性缺陷，其形成原因包括机械疲劳、蠕变、环境因素和材料因素等多个方面。裂纹损伤会导致管道的承载能力和强度下降，贯穿型裂纹会导致管道内部介质泄露，如果处理不当，易引发爆炸事故。同时，裂纹是一类不稳定缺陷，在裂纹尖端存在比较明显的应力集中，随着使用时间的延长或者管道内部压力的变化，裂纹长度不断增大最终导致管道失效。

对于管道裂纹的检测，目前常用手段是在管道停运期间，采用超声、射线、磁粉、渗透等无损检测方法确定出裂纹位置和形状。常规无损检测技术只能在设备停运期间实施，不能实时提供管道的裂纹状态信息。对于埋地管道、架空管道、带包覆层管道等典型应用场景，需要提前完成开挖、搭建脚手架、拆除包覆层等准备工作，才能保证无损检测的顺利开展，检测效率低，同时造成较大的人力物力浪费。针对于这一现状，有必要将结构健康监测技术引入在用压力管道系统的裂纹损伤监测。

结构健康监测技术是一种新兴的在线监测及状态评估方法，利用智能传感器对被监测结构进行实时监测、动态管理和趋势研判，进而实现对其损伤破坏、性能退化、运行状况等健康状况的智能评估和决策。该技术涉及到材料、测控、力学、机械、信息通信等多个学科的前沿研究领域。结构健康监测技术的开展意义在于保障被监测结构的安全使用和维护管养，以及预测其寿命。这项技术能够实时、在线监测结构的状态，及时发现并处理潜在的安全隐患，有效避免重大事故的发生。同时，结构健康监测技术还可以提高被监测结构的运行效率和维护管理水平，延长结构的使用寿命，降低维护成本。

2. 压电阻抗监测技术

压电阻抗法结构健康监测技术利用具有正逆压电效应的压电传感器作为被监测结构的信息采集元件，将压电传感器粘贴于被监测结构表面或内嵌入被监测结构内部。当被测结构内部出现损伤时，压电传感器的电阻抗信号会发生变化。通过对比被监测结构出现损伤前后压电传感器电阻抗信号的变化，可以对损伤的出现与否、发展情况及大致位置进行判断。

对于压电传感器电阻抗信号的测量通常使用阻抗分析仪完成。在设定起止频率、步进频率和测量点数后，阻抗分析仪对压电传感器依次施加各个频率的单频正弦交变电压信号。通过测量压电传感器两端电压和流经其内部的电流，阻抗分析仪最终计算出压电传感器的电阻抗信号。由于具有检测灵敏度高、主动传感、监测费用低、响应速度快的技术优势，压电阻抗技术已经在航空航天、土木建筑、长输管道等领域得到了初步应用。如鄢灵龙等[1]基于压电阻抗技术对碳纤维复合材料的孔洞损伤进行了监测研究，黄飞新等[2]对钢-超韧性混凝土组合结构界面的脱粘损伤进行了监测，杜国锋等[3]对管道结构的多裂纹损伤进行了识别研究。

3.试验研究

图1所示为本研究监测现场，所用铝合金管道的外径为100mm，壁厚10mm，长度100mm，压电传感器为圆形PZT片，直径20mm，厚度2mm。采用钢锯在铝合金管道表面制作模拟裂纹，裂纹的宽度为0.5mm，初始深度为1mm，之后逐步加深到2mm、3mm、 5mm和7mm。PZT片的粘贴位置距离铝合金管道端部20mm，裂纹与PZT片之间的距离为20mm。利用阻抗分析仪在被监测管道出现裂纹损伤前和裂纹损伤的不同扩展阶段，分别对PZT片进行电阻抗信号测量，测量频段分别为60-68kHz、70-78kHz、80-88kHz、104-112kHz、112-120 kHz、120-128 kHz、130-138 kHz、140-148kHz，测量点数均为801，频率间隔均为10Hz。图2所示为管道原始状态和不同长度裂纹状态下所测得的PZT传感器电阻抗模值。

图1 管道裂纹监测实验系统

观察图2可以发现，在不同的监测频段范围内，电阻抗模值在特定的频率点会出现峰值和谷值。相对于原始未出现裂纹时的电阻抗谱，当被监测管道出现1mm裂纹损伤时，电阻抗谱中峰值和谷值对应频率向低频方向偏移。当裂纹长度从1mm逐渐增大到7mm时，频率的偏移量逐渐增大。统计整个监测频段内11个特征频率点对应的电阻抗峰值，随着裂纹长度变化而出现的频率偏移量△f，见图3所示。

（a）                               （b）

（c）                               （d）

（e）                               （f）

（g）                               （h）

图2 不同长度裂纹电阻抗测试结果：

（a）60-68kHz；（b）70-78kHz；（c）80-88kHz；（d）104-112kHz；（e）112-120 kHz；（f）120-128 kHz；（g）130-138 kHz；（h）140-148kHz

观察图3可以发现，随着裂纹长度的增大，频率偏移量△f呈现出不断增大的变化趋势，但在个别点也会出现频率偏移量异常减小的情况。如120.43kHz和135.77kHz的特征峰，当裂纹尺寸增大到5mm时出现的异常减小。对比图2可以发现，当裂纹长度增大到5mm和7mm时，裂纹尺寸已经很大，在PZT的电阻抗谱中波形出现了明显的畸变，与之前一系列的特征峰不再适合作为同一组比较。除了上述2个比较明显的异常点外，其他特征峰对应的频率偏移量均随着裂纹长度的增大而增大，其中83.42kHz处特征频率的一致性最好。同时，当观察点的频率增大到73.26kHz时，频率偏移量开始明显高于62.27kHz和65.96kHz的低频段，并且在更高的频段内，频率偏移量均明显高于低频段。

图3 频率偏移量随裂纹长度的变化

为进一步定量表征管道处于不同损伤状态和不同监测频段下电阻抗信号之间的差异程度，本文引入均方差作为损伤评价指数，其定义见公式（1）所示。式中xi和yi分别为同一监测频段，管道处于原始无裂纹状态和不同裂纹长度状态下对应的电阻抗数据。

均方差                        (1)

图4所示为不同监测频段内，计算出的RMSD值随裂纹长度的变化关系。观察发现，随着裂纹长度的增大，不同监测频段内RMSD值整体上均呈现出不断增大的变化趋势，只有少数位置的数据点出现与上述规律不一致的偏差。如112-120kHz和130-138kHz频段在裂纹长度增大到5mm时出现的异常减小。104-112kHz和120-128kHz频段在裂纹长度增大到7mm时出现的异常减小。除上述个别数据点外，其他监测频段内RMSD值与裂纹长度之间均保持较好的一致增大特性，其中80-88kHz和140-148kHz频段的一致增大特性符合最好。在图4给出的结果中同样可以发现，高频段RMSD值更大，对于裂纹损伤的增长具有更高的灵敏度。当监测频段增大到80-88kHz时，RMSD值对于裂纹的增长开始具有较高的监测灵敏度。

图4 RMSD值随裂纹长度的变化

观察图3和图4的结果还可以发现，无论是采用频率偏移量△f还是均方差RMSD值作为损伤识别指数，压电阻抗技术对于初始的1mm裂纹均具有非常高的辨识度。当被监测管道保持健康状态即无裂纹损伤出现时，理想情况下频率偏移量△f和均方差RMSD的数值均应为0。在出现1mm裂纹后，△f的数值达到50Hz以上，RMSD的数值达到10%以上，表明压电阻抗技术对于管道结构的初始裂纹损伤具有很高的灵敏度。

4.结论

采用压电阻抗技术对压力管道的裂纹损伤进行监测研究。在60-148kHz频率范围内选取8个监测频段，对压电传感器进行电阻抗信号测量。分别提取电阻抗谱中谐振峰的频率偏移量和均方差作为裂纹损伤的表证指数。研究结果表明，当被监测管道出现裂纹损伤后，谐振峰对应频率向低频方向偏移，频率偏移量和均方差都随着裂纹长度的增大而增大。当管道出现长度为1mm的初始裂纹时，压电阻抗技术具有足够的监测灵敏度识别到该微小缺陷。

参考文献：

[1] 鄢灵龙,俞跃,王强等.基于PCA-ED的压电阻抗损伤指标提取方法[J].压电与声光,2023,45(04):635-639.

[2] 黄飞新,邹祺祺.基于压电阻抗法的钢-STC组合结构脱粘损伤识别研究[J].公路交通技术,2019,35(05):87-94.

[3] 杜国锋,张志忠,张东山.基于压电阻抗技术的管道多裂纹损伤识别研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(10):101-105.

基金项目：广东省特种设备检测研究院科技项目（2023CY-2-02）基于压电阻抗技术的压力管道分布式监测系统研制。

作者简介：李继承（1981~），男，博士，高级工程师，从事特种设备检验及无损检测仪器研发工作。

通讯作者：李继承，E-mail：[e-mail]。

基金项目：广东省特种设备检测研究院科技项目（基于压电阻抗技术的压力管道分布式监测系统研制，编号：2023CY-2-02）。

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