近全寿命周期服役管道焊缝薄弱区确定与监测系统及方法与流程

本公开的实施例属于火力发电设备安全监测与寿命管理，具体涉及一种近全寿命周期服役管道焊缝薄弱区确定与监测系统及方法。

背景技术：

1、主蒸汽管道作为火力发电厂高温高压关键部件，长期在高温、高压及频繁调峰导致的交变载荷下运行，其材料易发生蠕变、疲劳损伤，尤其是在焊缝区域因组织不均匀、残余应力集中，往往成为管道安全的最薄弱环节。随着机组服役时间增长，管道逐渐进入全寿命周期阶段，对焊缝区域应力的精准监测与寿命评估显得尤为重要。

2、现有技术中，针对管道焊缝的监测主要存在以下问题：薄弱区定位依赖经验：目前对焊缝应力集中区域的确定多基于人工经验或有限点抽样检测，缺乏系统性的定量化定位方法，难以准确预判整个焊缝区域在复杂载荷下的最大应力点，导致监测点代表性不足，无法真实反映管道最危险状态。传统监测方式局限：现有应变监测多采用有线传输或4g等无线通信方式，布线复杂、抗干扰能力弱，且带宽和时延难以支持多通道、高频率数据实时回传，影响监测实时性。系统集成与可靠性不足：现有监测装置通常由分散的传感器、采集模块及通信设备拼装组成，集成度低、安装维护不便，在高温、振动等恶劣工况下长期可靠性差。数据智能处理缺失：监测系统多侧重于数据采集与上传，缺乏基于力学模型与历史数据的智能分析能力，无法实现温度漂移实时补偿、蠕变应变分离、损伤趋势预测等深度处理，预警准确率有限。

3、因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种近全寿命周期服役管道焊缝薄弱区确定与监测系统及方法。

2、本公开的实施例的第一个方面，提供一种近全寿命周期服役管道焊缝薄弱区确定与监测系统，包括：应变传感模块，包括布置于高温管道薄弱区域的多通道高温应变片；

3、数据采集与调理模块，与所述应变传感模块连接，用于将应变片输出的应变信号进行数字化处理并输出数字应变数据，其中，数字化处理包括对应变信号的调理、放大和模数转换；

4、5g边缘传输模块，与所述数据采集与调理模块通信连接，用于接收数字应变数据并通过5g网络实时上传；

5、云平台服务模块，用于接收并存储来自所述5g边缘传输模块的应变数据，并提供设备管理、数据接口服务；

6、应用服务与预警模块，与所述云平台服务模块交互，用于实现数字应变数据的可视化展示、历史数据查询与分析，并在监测数据超过预设安全阈值时触发预警信息。

7、可选的，所述数据采集与调理模块为集中式应力应变测试分析系统，支持8至64通道的同步采集，采样频率范围为1hz至10khz，应变测量精度大于等于±0.2%。

8、可选的，所述5g边缘传输模块为一体式5g工业计算机，其内部集成有5g通信模块和工业控制计算机，通过rj45以太网口或usb总线与所述数据采集与调理模块连接。

9、可选的，所述监测系统还包括机柜，用于集成容纳所述数据采集与调理模块和所述5g边缘传输模块。

10、可选的，所述应用服务与预警模块采用前后端分离架构，其前端采用vue.js框架结合element ui和echarts库用于实现用户界面与数据可视化，后端采用spring boot框架用于提供restful api接口，并使用mybatis进行数据库持久化设置。

11、可选的，所述监测系统还内置有应变精度补偿模型，用于对所述高温应变片的测量值进行温度和导线长度补偿，所述补偿模型至少包括以下公式：

12、热输出计算公式：

13、，

14、测量值校正公式：

15、

16、，其中，capp为热输出，t为测量温度，mi为导线长度，rt为校准温度，measurement_value为原始测量值，eg为校正后测量值，a、b、c、d、e、f和ck均为通过标定获得的参数。

17、可选的，所述应用服务与预警模块触发的预警信息通过电子邮件方式发送至维护人员。

18、本公开的实施例的第二个方面，提供近全寿命周期服役管道焊缝薄弱区监测方法，所述方法根据上述所述的监测系统实现，包括：

19、通过布置在高温管道上的多通道高温应变片采集高温管道薄弱区域的应变信号；

20、通过数据采集与调理模块将应变信号转换为数字应变数据；

21、通过5g边缘传输模块将数字应变数据打包并传输至云平台服务模块；

22、云平台服务模块对接收到的数字应变数据进行存储和管理；

23、应用服务与预警模块从云平台服务模块获取数字应变数据进行可视化展示，并基于预设的安全阈值进行实时判断，若超限则触发预警机制。

24、本公开的实施例的第三个方面，提供一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定方法，所述方法根据上述所述的监测系统实现，包括：

25、基于实际管道几何尺寸、焊缝结构和坡口形式建立三维管道模型；

26、输入管道材料在高温下的应力-应变曲线、弹性模量、泊松比、热膨胀系数，以定义材料的非线性本构关系；

27、施加工况载荷与边界条件；

28、执行静力学或热-力耦合分析；

29、根据分析结果识别最大应力点并输出坐标。

30、可选的，所述载荷与边界条件包括内压、温度梯度、重力、外部支撑/吊架约束或热循环载荷；

31、所述执行静力学或热-力耦合分析，包括：使用有限元求解器进行应力场计算和分析，并输出焊缝区域的等效应力云图；

32、所述根据分析结果识别最大应力点并输出坐标，包括：通过后处理模块提取等效应力云图中最大等效应力值及其三维坐标，并对应生成用于布设应变片的最大应力点位置。

33、本公开的实施例的有益效果，包括：

34、本发明公开了一种近全寿命周期服役主蒸汽管道焊缝薄弱区确定与监测系统及方法，核心在于将有限元仿真分析与物理监测系统深度融合，首先通过建立精细化管道三维模型，施加工况载荷并进行热-力耦合有限元分析，精准定位焊缝区域的最大应力点；随后依据此定位结果，在最大应力点及邻近薄弱区布设多通道高温应变片组，实现测点的科学部署。采集的应变数据经调理转换后，由5g边缘传输模块低延迟上传至云平台，并通过web应用服务进行可视化展示与智能预警。系统内置高精度应变补偿模型，以校正温度和导线长度的影响。本发明克服了传统监测方法依赖经验、布点盲目的缺陷，形成了“模型预判、精准布点、实测验证”的闭环，显著提升了高温管道应力监测的准确性、前瞻性与安全管控水平。

1.一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述数据采集与调理模块为集中式应力应变测试分析系统，支持8至64通道的同步采集，采样频率范围为1hz至10khz，应变测量精度大于等于±0.2%。

3.根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述5g边缘传输模块为一体式5g工业计算机，其内部集成有5g通信模块和工业控制计算机，通过rj45以太网口或usb总线与所述数据采集与调理模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述监测系统还包括机柜，用于集成容纳所述数据采集与调理模块和所述5g边缘传输模块。

5. 根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述应用服务与预警模块采用前后端分离架构，其前端采用vue.js框架结合elementui和echarts库用于实现用户界面与数据可视化，后端采用spring boot框架用于提供restful api接口，并使用mybatis进行数据库持久化设置。

6.根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述监测系统还内置有应变精度补偿模型，用于对所述高温应变片的测量值进行温度和导线长度补偿，所述补偿模型至少包括以下公式：

7.根据权利要求1所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定与监测系统，其特征在于，所述应用服务与预警模块触发的预警信息通过电子邮件方式发送至维护人员。

8.一种近寿命周期管道焊缝薄弱区监测方法，所述方法根据权利要求1-7任一项所述的监测系统实现，其特征在于，包括：

9.一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定方法，所述方法根据权利要求1-7任一项所述的监测系统实现，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的一种近寿命周期管道焊缝薄弱区确定方法，其特征在于，所述载荷与边界条件包括内压、温度梯度、重力、外部支撑/吊架约束或热循环载荷；