一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统及方法与流程

1.本发明属于焦炭塔结构健康监测技术领域，尤其涉及一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统及方法。


背景技术：

2.焦炭塔是延迟焦化装置的核心设备之一，其生焦操作时塔内最高温度可达480℃左右，每个操作周期48h焦炭塔都要从常温加热到最高操作温度再重新冷却至常温，这样剧烈的温度变化会在焦炭塔塔体及附属部件中产生热应力和机械应力。焦炭塔一般为板焊结构的直立圆柱壳压力容器，在役焦炭塔运行多年，随着反复的骤冷骤热，同时塔体还承受着自身重力、操作内压、风载荷以及高压水冲击等苛刻的操作条件，受力情况复杂，普遍出现焦炭塔筒体鼓胀、焊缝开裂、塔体倾斜、材质老化以及壁面减薄等现象，严重威胁焦炭塔的安全生产。
3.鉴于焦炭塔在石油化工行业中的重要作用及其复杂工况，国内对焦炭塔的研究都十分重视，现有研究方向主要集中在焦炭塔失效形式及故障机理、延迟焦化焦炭塔的热损伤机理、焦炭塔变化温度场及其应力分布的计算方法、持续工作过程中的安全可靠性分析、以及剩余寿命的预测等方面，缺乏焦炭塔关键参数的一体化监测手段，导致其实验室模拟及研究理论仍与工程实际有着较大差距。
4.目前常用的焦化塔无损检测方法有磁粉检测、渗透检测、超声检测、射线检测等。但上述方法需要在停机状态下进行，影响设备的正常运行，且检测结果不能对焦炭塔结构的运行情况做到实时掌握，无法及时地为设备维修提供决策依据。
5.美国cia inspection公司生产的cia-inspection焦炭塔监测系统可利用激光扫描技术进行焦炭塔内部的几何变形和相应的摄像视觉图像配合监测确认，同时还生成便于判读的显示焦炭塔外形几何热蠕变的激光伪彩色蠕变图谱和光学视觉监测档案，以便于与以后定期检测图谱的比较判读。该技术主要监测焦炭塔的几何变形，无法实现对焦炭塔多个关键参数进行一体化监测。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术中无法及时地为设备维修提供决策依据、以及无法实现对焦炭塔多个关键参数进行一体化在线监测的不足，提供了一种能够实时采集状态参数在线监测焦炭塔的健康状态，及时预测焦炭塔设备的故障发展趋势的焦炭塔结构健康监测装置，具体为一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统。
7.本发明提供了一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括传感子系统和数据处理传输子系统，传感子系统包括多个传感器，多个传感器安装于焦炭塔上；
8.数据处理传输子系统包括处理模块和传输模块，
9.处理模块包括信息采集模块、前置放大器、滤波器和格式转换模块；
10.信息采集模块采集各传感器的数据信号，前置放大器用于将各传感器的数据信号进行放大，滤波器用于将各传感器放大后的数据信号进行滤波，格式转换模块将各传感器的数据信号转换成统一格式；
11.处理模块将传感子系统的信号处理后传输至传输模块；传输模块用于将处理模块处理后的信号传输至本地服务器；
12.软件系统与本地服务器连接，软件系统用于管理用户信息、系统设置、以及数据显示。
13.优选的，传感子系统包括温度传感器、声发射传感器、倾斜传感器、振动传感器和应变传感器；温度传感器、声发射传感器、倾斜传感器、振动传感器和应变传感器均布设于所述焦炭塔上，且分别与信息采集模块连接。
14.优选的，信息采集模块包括温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块；温度信号采集模块与温度传感器连接，声发射信号采集模块与声发射传感器连接，倾斜信号采集模块与倾斜传感器连接，振动信号采集模块与振动传感器连接，应变信号采集模块与应变传感器连接，温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块均与传输模块连接。
15.优选的，传输模块包括通讯接口装置，通讯接口装置分别与温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块连接，通讯接口装置用于通过pci板卡将传感器信号传输至本地服务器。
16.优选的，信息采集模块采用现场可编程门阵列进行数据采集。
17.优选的，软件系统包括用户管理模块、系统设置模块、数据查看模块和数据显示模块，用户管理模块包括查看功能模块、修改功能模块、增加功能模块和删除功能模块；系统设置模块包括参数设置模块、编号设置模块、位置设置模块、阈值设置模块和采集频率设置模块；数据查看模块包括焦炭塔基本参数查看模块、环境数据查看模块、检测数据查看模块和监测数据查看模块；数据显示模块包括监测数据曲线显示模块、预警数据实时显示模块和历史数据查询显示模块；在使用软件系统时，先进行登录，然后选择进入用户管理模块进行用户管理，选择进入系统设置模块针对不同类型的传感器进行系统设置，选择进入数据查看模块查看实时数据，选择进入数据显示模块选择显示实时数据。
18.优选的，监测数据查看模块包括声发射数据查看模块、温度变化数据查看模块、倾斜情况查看模块、塔体应力变化查看模块和塔体震颤情况查看模块。
19.优选的，处理模块布置于防爆防水机柜中，本地服务器布置于防爆防水机柜中，防爆防水机柜布置于焦炭塔的平台上。
20.本发明的另一个目的在于，还提供了一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测方法，应用了上述的一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统，且包括步骤：
21.s1：数据采集，将传感子系统中的传感器布设于焦炭塔上，将传感器与处理模块连通；通过处理模块中的信息采集模块采集传感器的数据信号；
22.s2：数据处理，在处理模块中，通过前置放大器对采集的数据信号进行放大处理；再通过滤波器对采集的数据信号进行滤波处理；然后通过格式转换模块对采集数据信号进行格式转换；
23.s3：将处理模块处理后的数据信号通过传输模块传输至本地服务器；
24.s4：数据分析，将软件系统与本地服务器连接，通过软件系统中的数据查看模块和数据显示模块，实现数据信号的实时监控、以及数据信号的显示；根据实时监控和显示的数据信号，通过多种算法对数据信号进行分析，诊断焦炭塔的健康状况，进而实现焦炭塔的健康实时在线监测。
25.优选的，s1中，焦炭塔包括多个筒节，在每个筒节上均安装温度传感器；焦炭塔上存在焊缝，在距离焊缝100～200mm的位置通过波导杆安装声发射传感器；在焦炭塔塔体上通过支架安装倾斜传感器；在焦炭塔的裙座和筒节上通过支架安装振动传感器；在距离焊缝100～200mm的位置、以及筒节的中央部位安装应变传感器。
26.有益效果：针对焦炭塔筒体鼓胀、焊缝开裂、塔体倾斜等典型的失效模式，基于声发射、高温应力等先进的健康监测技术手段开发一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统，实时采集焦炭塔运行过程中活性缺陷萌生发展、应力状态变化、塔体振动、塔体倾斜等状态参数，在线监测焦炭塔的健康状态，及时预测焦炭塔设备的故障发展趋势，对保障设备的安全健康运行，提高企业经济效益、预防事故发生具有重要的意义。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施中各传感器信号的传输图。
29.图2为本发明实施中各传感器在焦炭塔上的布点图。
30.图3为本发明实施中软件系统的主页界面。
31.图4为本发明实施中软件系统的用户登录界面。
32.图5为本发明实施中软件系统的系统设置模块界面。
33.图6为本发明实施中软件系统的数据查看模块界面。
34.图7为本发明实施中数据查看模块的监测数据查看模块界面。
35.图8为本发明实施中软件系统的数据显示模块界面。
36.图9为本发明实施中声发射监测数据查看模块分析示意图。
37.图10为本发明实施中x方向监测数据查看模块分析示意图。
38.图11为本发明实施中y方向监测数据查看模块分析示意图。
39.图12为本发明实施中温度监测数据查看模块分析示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.如图1、图2所示，该系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括传感子系统、以
及数据处理传输子系统，传感子系统包括多个传感器，多个传感器安装于焦炭塔上；
42.数据处理传输子系统包括处理模块和传输模块，
43.处理模块包括信息采集模块、前置放大器、滤波器和格式转换模块；
44.信息采集模块采集各传感器的数据信号，前置放大器用于将各传感器的数据信号进行放大，滤波器用于将各传感器放大后的数据信号进行滤波，格式转换模块将各传感器的数据信号转换成统一格式；
45.处理模块将传感子系统的信号处理后传输至传输模块；传输模块用于将处理模块处理后的信号传输至本地服务器。
46.其中，传感子系统包括温度传感器、声发射传感器、倾斜传感器、振动传感器和应变传感器；
47.焦炭塔包括多个筒节，每个筒节上均安装有温度传感器。
48.在本实施例中，为全面了解焦炭塔塔体在运行过程中整体的温度分布情况，采用接触式热电偶温度传感器监测焦炭塔各个筒节的温度变化情况，在每个筒节的合适位置布置温度传感器，初步策划布置9至10个温度传感器，全面的监测焦炭塔塔体运行过程中的温度分布状况，同时为声发射监测、振动监测以及应变监测分析提供数据支持。
49.针对焦炭塔48h常温至480℃最高操作温度再到常温的工作循环特点，采用热电偶型温度传感器进行焦炭塔温度在线监测，热电偶指由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流；如果热电偶的工作端与参照端存有温差时，监测装置将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值，热电偶由热电极、绝缘套保护管和接线盒组成，输出连接至数据处理传输子系统；温度传感器的主要性能参数为：分辨率：0.1℃；精度：1℃；热响应时间：0.05s；测温范围：-40～600℃。
50.焦炭塔上存在焊缝，声发射传感器安装于距离焊缝100～200mm的位置。
51.在本实施例中，在焦炭塔上选取3条焊缝，分别为裙座与筒体连接角焊缝、筒体由下向上第一、第二焊缝，根据筒体直径及单个声发射传感器信号的覆盖范围，初步按照6个、6个、6个针对三条焊缝的情况布置全天候室外型声发射传感器，声发射传感器采用波导杆辅助安装可使用与焦炭塔高温环境下的监测需要，波导杆长度以波导杆非焊接端的温度降至60度以下为准则，且波导杆最短长度需大于保温层厚度。
52.针对焦炭塔焊缝开裂的突出问题，选用对裂纹活性缺陷敏感的声发射传感器进行监测；常用的声发射传感器是基于晶体元件的压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电信号；声发射传感器的主要性能参数为：谐振频率：150khz；工作频率：50khz～200khz；工作温度：-65℃～175℃；安装方式：波导杆辅助安装。
53.倾斜传感器安装于焦炭塔塔体上。
54.在本实施例中，倾斜传感器为盒式固定测斜仪，采用盒式固定测斜仪监测焦炭塔的倾斜状态，由于塔体整体较高，在焦炭塔塔体上、中、下三个不同高度选取3至5个位置安装盒式固定测斜仪，盒式固定测斜仪采用支架辅助安装。
55.针对焦炭塔塔体倾斜的典型问题，采用盒式固定测斜仪对其进行监测；测量角度核心部件为一个基于mems技术开发生产的高精度双轴倾角传感器，器件内部包含了硅敏感微电容传感器以及asic集成电路；合适固定测斜仪通过内部倾斜传感器测量地球的重力加速度在x、y轴上分量来对倾角进行测量；倾斜传感器的主要性能参数为：测量量程：
±
15℃；
输出方式：4～20ma；分辨率：0.005
°
；响应时间：0.1s；防水(尘)等级：ip67。
56.振动传感器安装于焦炭塔的裙座和筒节上。
57.在本实施里中，振动传感器为压电振动传感器，采用压电振动传感器监测焦炭塔振动状态，在焦炭塔裙座、中部筒节以及上部筒节上布置3至5个压电振动传感器，来监测焦炭塔可能受到的各类冲撞击而引起的振动，进而根据监测结果对焦炭塔振动状况进行全面的评估，压电振动传感器采用支架辅助安装。
58.焦炭塔振动监测主要目的是监控焦炭塔运行时的振动特性及动态响应特性，采用压电式振动传感器监测焦炭塔振动状态；压电式振动传感器是利用晶体的压电效应来完成振动测量的，当被测物体的振动对压电式振动传感器形成压力后，晶体元件就会产生相应的电荷，电荷数即可换算为振动参数；振动传感器的主要性能参数为：隔离抗干扰：差动输出；耐高温：-54～482℃；灵敏度：50pc/g；量程：100g；频率：2-3khz。
59.应变传感器安装于距离焊缝100～200mm的位置、以及筒节的中央部位。
60.在本实施例中，应变传感器为高温应力传感器，采用在塔体表面焊接应力片的方法测量应变，根据以前的塔壁的变形情况在塔体与裙座焊缝、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布置16个高温应变片，实时监测塔体局部应力变化情况，通过数据分析计算进行计算，进而分析影响焦炭塔鼓凸变形的因素。
61.针对焦炭塔常温至480℃的高温运行环境，采用高温应变片对其应力状态变换进行实时监测；应变片是在较薄的树脂材料的电绝缘体上，将金属箔蚀刻制成栅格形状，然后再安装引出导线的结构；安装时使用专用粘合剂把应变片粘贴到测量部位，测量部位产生的应变通过粘合剂和应变片的基底传递给敏感栅；应变传感器的主要性能参数为：电阻元素：耐热特殊合金丝；使用温度范围：-196～650℃；线性膨胀系统：11/13/16
×
10-6
℃；相对室温疲劳寿命(次数)：1
×
106(650℃)。
62.在本实施例中，
63.温度传感器、声发射传感器、倾斜传感器、振动传感器和应变传感器均与信息采集模块连接，且温度传感器、声发射传感器、倾斜传感器、振动传感器和应变传感器的信号均传输至信息采集模块。
64.信息采集模块包括温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块；温度信号采集模块与温度传感器连接，声发射信号采集模块与声发射传感器连接，倾斜信号采集模块与倾斜传感器连接，振动信号采集模块与振动传感器连接，应变信号采集模块与应变传感器连接，温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块均与传输模块连接。
65.传输模块包括通讯接口装置，通讯接口装置分别与温度信号采集模块、声发射信号采集模块、倾斜信号采集模块、振动信号采集模块和应变信号采集模块连接，通讯接口装置用于通过pci板卡将传感器信号传输至本地服务器。
66.处理模块布置于防爆防水机柜中，本地服务器布置于防爆防水机柜中，防爆防水机柜布置于焦炭塔的平台上。
67.在本实施例中，采集模块采用现场可编程门阵列(fpga)进行数据采集，根据焦炭塔的地理位置及传感器布设情况，设置采集模块及服务器，数据处理传输子系统用于对焦
炭塔结构关键位置的温度、声发射、振动、应力和倾斜的实时采集，并将该信号进行本地存储和远程传输操作；由于上述五种传感器输出的信号不一致，所以首先将各传感器的信号进行放大、滤波，并转换格式成统一的类型后，传输至结构信号采集单元中的其他信号采集模块；在信号采集与传输单元中，将上述五种传感器的信号通过pci板卡传输至本地服务器，实现本地数据存储、远程无线传输等功能。防爆防水机柜置于焦炭塔平台上，需提供220v电源。
68.相比于传统的控制芯片单片机或dsp，现场可编程门阵列(fpga)具有始终频率高、内部延时小、速度快、效率高等优点。该数据处理传输子系统基于(fpga)控制高速数据采集，完成多路数据选择、存储及外围电路的控制功能，不仅减小电路板的设计体积，而且最大限度地提高系统的信号采集和处理能力。数据处理传输子系统的采集电路包括高性能数字采集(18位，20兆采样点/每秒)、滤波器、前置放大器等，实现声发射、温度、振动、应力和倾斜的高速采集。
69.软件系统与本地服务器连接，软件系统用于管理用户信息、系统设置、以及数据显示。
70.软件系统有以下设计要求：
71.1.数据交互实时性好、安全、可靠，数据传送高效；
72.2.系统永远在线，即使断线能实现系统掉线后自动重连；
73.3.通信协议尽量简洁，协议中无效字符在保证通信正常的情况下尽可能少，以降低运营成本；
74.4.数据传输误码率应不大于10-4
；
75.5.具有同时处理多个焦炭塔现场采集子系统数据传输的功能。
76.基于上述要求，软件系统包括用户管理模块、系统设置模块、数据查看模块和数据显示模块，其中软件系统主页有系统设置、数据查看、数据显示、健康诊断及预测功能，如图3所示。
77.为保障监测系统的安全运行，对不同管理者提供不同的权限，对用户身份进行验证，用户管理模块包括查看功能模块、修改功能模块、增加功能模块和删除功能模块，如图4所示。
78.针对不同类型的传感器，系统设置模块包括参数设置模块、编号设置模块、位置设置模块、阈值设置模块和采集频率设置模块，如图5所示。
79.数据查看模块包括焦炭塔基本参数查看模块、环境数据查看模块、检测数据查看模块和监测数据查看模块，如图6所示。
80.监测数据查看模块包括声发射数据查看模块、温度变化数据查看模块、倾斜情况查看模块、塔体应力变化查看模块和塔体震颤情况查看模块，如图7所示。
81.数据显示模块包括监测数据曲线显示模块、预警数据实时显示模块和历史数据查询显示模块，如图8所示；通过数据查看模块和数据显示模块，可以显示实时监控的数据、预警数据，也可将历史数据调出进行显示，还可以云图、矢量图、应变图等可视化工具显示结果，使得软件系统可以查看所有现有数据和各种历史数据。
82.在使用软件系统时，先进行登录，然后选择进入用户管理模块进行用户管理，选择进入系统设置模块针对不同类型的传感器进行系统设置，选择进入数据查看模块查看实时
数据，选择进入数据显示模块选择显示实时数据。
83.现场线缆敷设步骤：
84.1.装置及电缆运到施工现场后，要首先检查作业环境的安全状况，然后对装置及电缆进行外观检查，以防运输过程中受损；
85.2.先安装好传感器(含安装支架)、敷设穿线管和电缆；信号传输电缆接头处用安接线盒连接好；
86.3.组装机柜，将机柜安装到焦炭塔平台上合适的位置；
87.4.将采集设备安装到机柜中，并进行紧固件连接固定；
88.5.将传感器信号线与采集设备连接；
89.6.接线完成后，检查接线是否正确走线是否美观，是否符合电气技术要求，接地线是否正确连接，用毛刷清理干净开关内的铜丝等杂物，用万用表监测是否有短路现象，之后方可送电，接通ups电源，打开仪器开关对传感器供电。
90.从图9可以看出，a、b、c区域附近声发射传感器接收的信号较多，其中c区域处在疲劳裂纹区域，a、b区域为新发现的声发射源区，需要进行重点关注，疑似缺陷源区。
91.根据图10、图11、图12所示，对倾斜情况和温度变化数据进行分析，倾斜和温度变化具有很强的规律性，以24小时为一周期，周期性出现，与实际焦炭塔的工作流程一致，不同周期内的信号值浮动不明显。
92.本实施例还提供了一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测方法，应用了上述的一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统，且包括步骤：
93.s1：数据采集，将传感子系统中的传感器布设于焦炭塔上，如：焦炭塔包括多个筒节，在每个筒节上均安装温度传感器；焦炭塔上存在焊缝，在距离焊缝100～200mm的位置通过波导杆安装声发射传感器；在焦炭塔塔体上通过支架安装倾斜传感器；在焦炭塔的裙座和筒节上通过支架安装振动传感器；在距离焊缝100～200mm的位置、以及筒节的中央部位安装应变传感器，将各传感器与处理模块连通；通过处理模块中的信息采集模块采集传感器的数据信号；
94.s2：数据处理，在处理模块中，通过前置放大器对采集的数据信号进行放大处理；再通过滤波器对采集的数据信号进行滤波处理；然后通过格式转换模块对采集数据信号进行格式转换；
95.s3：将处理模块处理后的数据信号通过传输模块传输至本地服务器；
96.s4：数据分析，将软件系统与本地服务器连接，通过软件系统中的数据查看模块和数据显示模块，实现数据信号的实时监控、以及数据信号的显示；根据实时监控和显示的数据信号，通过双参数雨流计数法、经历图分析法、关联分析方法等多种算法对数据信号进行分析，诊断焦炭塔的健康状况，进而实现焦炭塔的健康实时在线监测。
97.本实施例提供的这种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统及方法具有以下有益效果：针对焦炭塔筒体鼓胀、焊缝开裂、塔体倾斜等典型的失效模式，基于声发射、高温应力等先进的健康监测技术手段开发一种基于多失效模式的焦炭塔结构健康监测系统，实时采集焦炭塔运行过程中活性缺陷萌生发展、应力状态变化、塔体振动、塔体倾斜等状态参数，在线监测焦炭塔的健康状态，及时预测焦炭塔设备的故障发展趋势，对保障设备的安全健康运行，提高企业经济效益、预防事故发生具有重要的意义。
98.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。