气体管道状况监测系统

本案例描述了沿桥梁安装的燃气管道和管道支撑系统的结构测试。这些测试是为安装监测系统做准备的调查的一部分。目标是获得关于振动响应、固有频率和相关模态振型的信息，以优化永久传感器的分布。这些传感器将成为即将安装的状态监测系统的一部分，这将允许及早发现系统退化，并全面防止灾难性故障。

进入需要的结构区域是具有挑战性的，需要在第三方人力的支持下使用两种不同的起重机，以便能够优化移动加速度计方法。

从实测数据中提取了管道的试验模态参数(固有频率、模态阻尼和模态振型)。根据初步计划，该测试使BN了解了作为状态监测系统一部分的永久安装传感器的预期位置。

Bently Nevada (BN)机械诊断服务公司(又称MDS)已受邀对安装在道路交通桥梁下的燃气管道的诱发振动强度进行监测的可能性进行评估。事实上，主要的范围是通过振幅水平来评估与系统结构完整性相关的风险，严格地说，与桥(以及通常锚定管道的结构)可能导致天然气输送连续性中断的条件退化有关的风险。目标是获得有关振动响应、固有频率和相关模态振型的信息，以便优化永久传感器的分布，这些传感器将构成即将安装的状态监测系统。

必须指出的是，Italgas并不拥有这些桥梁，但他们的管道结构对桥梁稳定性有很强的依赖性。

2018年，在8月14日的一场暴雨中，莫兰迪桥210米高的桥段倒塌，43人不幸遇难。

在对结构失效进行了广泛的分析后，坍塌引起了人们对欧洲基础设施总体状况的担忧，意大利、法国和德国的研究表明，由于腐蚀和结构退化，大量桥梁需要翻新或更换。

由于此前没有关于该结构的测试报告，也没有进行过理论计算，因此无法预测预期的管道响应。

因此，在测试之前，必须对方法进行彻底的评估，并进行实地调查，以防止在获取数据期间可能遇到的任何困难。

最后，在动员到现场之前，拟定了以下可能的解决方案:

• 试验方案1:进行全结构试验，最终测量有无车(以便更好地理解激励)。
• 解决方案2用于测试:运动放大(MA)相机做一个初步测试。随后，我们将进行结构测试，但要有目标数量的点(根据运动放大结果建议)。

由于不符合标准的要求，MDS工程师不得不跳出“自己的舒适区”进行思考，此次调查的目的是回答以下问题:

经过全面的调查和详细的讨论，最终决定的解决方案是:

• 完整的模态分析。
• 与分包商一起需要2台起重机(1台用于锤子，1台用于三轴传感器)。
• MDS在桥上监督活动，并使用BN Scout140便携式振动分析仪和数据采集器。
• 传感器的磁铁底座。
• 4根BNC-BNC电缆，100m长。
• 计划1周(考虑到吊车需要重新安置，每个点需要4个平均值，初步分析后最终需要重取几个点)。

因此，所有的前提都在暗示一切都不会出错。

不幸的是，我们大多数人都非常清楚以下规则:

而且，即使我们知道这个“定律”在理论上并不总是适用的，在测试的执行过程中，也有几次对这个定律的实际证明。

墨菲定律-实际演示1:

• 预期:早上7点在桥上与第三方承包商会面
• 事实:12点的时候，第三方承包商仍然没有人在那里，因为起重机租赁的问题。他们迟到了大约5个小时。

墨菲定律-实际演示2:

• 期望:BN需要2台起重机方便地进入桥下的管道，以实现高效的模态数据收集——传感器沿着所需位置“漫游”，同时刺激(撞击)桥上的另一个位置。
• 事实:第三方承包商带来一台起重机。
• 好的，也许这仍然足够....
• 不要太快:起重机没有在桥上进行测试，它无法到达管道!

墨菲定律-实际演示3:

• 期望:最后，在第二天，正确的起重机出现在现场。不幸的是，只有一台起重机而不是两台，但也许MDS工程师在数据采集过程中提高了速度，仍然可以让它按时完成!
• 事实:第二天10:00有大雨(图9)，这导致MDS工程师的脸上出现了“不太晴朗”的反应(图10)。

墨菲定律-实际演示4:

• 预期:收集到的数据在下午早些时候没有任何临界
• 事实:在16:00的时候，数据开始显示有一些噪音，在一次环路检查之后，有证据表明三轴电缆被破坏了

图像

然而，轴向振动显然不是振动的主要贡献者。

由于活动计划充分，MDS工程师利用备份单轴传感器继续收集数据。

此外，现在第二台起重机已经出现，因此活动大大加快，测试仍然在第三天按时完成。

下面是实验模态测量的后处理提取的模态参数。后期处理由ME'scope (Vibrant Technology)软件完成。在0到500hz范围内的自动插值发现的固有频率如下图所示。对于上述固有频率，也表示为相应的模态阻尼，以占临界阻尼的百分比表示:

桥上和/或直接在管道上的震源是不完全知道和可重复的，这主要是由于汽车/卡车通过桥和其他现象，如地震。这些震源通常会激发低频范围，因此，显然没有必要将频率范围扩展到500Hz以上。

当然，在激振源不确定的情况下，无法计算激振与固有频率之间的分离裕度。其他可能的模态，在较低的频率范围内，由于缺乏冲击锤的激振力，或者是高度阻尼，都不明显，所以在对管道响应进行整体插值时，看不到明确的响应。因此，我们进行了一些局部插值，如图16至图19所示:

图20显示了通过整体插值得到的与上述一个固有频率相关的模态振型。

通过对各固有频率得到的所有模态振型的比较，明确了永久探头安装的分布。利用这种方法将避免传感器被放置在节点上，从它们的定义来看，这些节点对相关模式没有响应——因此，在这些位置上的传感器将无法检索到有效的信息。

图21给出了传感器安装的详细说明示例，计划在管道上总共安装12个传感器:

• 传感器N°1:在第2个支架后约2.5m的9号点上，从顶部垂直安装。
• 方向的选择也考虑到安装的简易性和完整性，考虑到传感器在水平方向时容易暴露在大气环境中。

为了提供有效的状态监测和整体最大限度地减少资本支出，BN System1 Evo监测和诊断平台通过“Bently Connect”托管解决方案部署(图24)。现场探头连接到VB Online Pro，它通过安全的互联网连接到BN远程监测中心(RMC)提供振动数据。所有数据都存储在托管的环境中，并可以访问以便进行远程分析。

在系统设置和数据收集开始之后，已经获得了第一个月的数据。

根据收集到的数据，配置了一些光谱波段，以优化监测，进一步了解管道正常状态下的变化。

由第一原理可知，固有频率为:KM，其中K为系统刚度，M为系统质量。刚度的变化——由于结构松动或疲劳削弱材料，并可能破坏系统)将改变其固有频率。激励的变化-目前，如前所述，是未知的-可能会增加或减少系统的响应，以不同的振幅激励其固有频率。

下面是一个直接来自系统1配置的示例:

在创建频带之后，使用以下参数的平均值和标准差计算了一些统计告警(针对每个频带):

• 整体振动水平(每个传感器测量的整体振动幅度)，以捕捉系统的整体健康水平。
• 固有频率的谱带振动水平，以捕捉系统响应的增加(激励的增加或阻尼的减少)。
• “带外”振动水平，以捕捉固有频率的可能偏移(因为刚度变化的条件)。

实施阶段结束后，在System1中对活动第一个月的振动数据进行分析(图27、28中示例较少)，可以得出以下考虑:

• 无论是在正常情况下还是在异常振动事件中，目前似乎都没有激发临界频率。
• 探头的行为是可重复的(在频率成分方面)，也可以作为整体振幅的日常演变，验证监测系统的健康状况。
• 正如预期的那样，安装在支架附近的传感器显示出较低的整体振幅。
• 激发频率似乎主要在2.5Hz之间，在12.5 - 15Hz之间，在22.5 - 25Hz之间，最后在45 - 50Hz之间。
• 在振动事件，振幅似乎是增加对应这些已知的频率，没有不同的光谱模式可以看到。
• 目前正在进行一项旨在将振动内容与激励源联系起来的研究。特别是，预计这些主要与桥梁特性和/或由于汽车/卡车在桥梁上的通道，但也包括其他随机激励源，如天气和动物

• 这是这种类型在意大利的首次应用。
• 如果在测试阶段结束时，该应用证明了其价值，客户正在考虑将该应用扩展到其配电网内支持天然气管道的其他桥梁(这是一项重大成就，也是BN未来的应用范围)。
• BN MDS在叶轮机械转子动态分析的“传统”领域之外，展示了其先进的振动和状态监测能力，一如既往地为客户提供一流的解决方案。
• 良好的计划和灵活的心态可以让我们克服工作执行过程中任何无法预见的挑战。