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基于移动平均滤波的高水头水电站压力钢管应力测试研究
摘要：压力钢管作为水电站关键设备之一，其应力状态的准确检测对保障结构安全至关重要。而实际应力测试中，受噪声干扰会影响测试数据的准确度，进而影响对压力钢管的安全评估。为解决该问题，提出一种基于移动滤波技术的数据分析方法，对原始应力测试数据进行分析处理，并用于计算某水电站1号机甩50%负荷、甩100%负荷工况下压力钢管的应力变化。结果表明：该方法具备很好的适用性，能有效减少由噪声引起的波动，恢复了信号的真实特性并保持峰值部分，计算得出的钢管静态应力和动态应力减小，安全裕度提升，对提高压力钢管安全评估准确性具有重要的应用价值。图4幅，表1个。
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压力钢管是水电站引水系统的重要承压受力部件，属于重大安全隐患源。高水头水电站压力钢管在运行过程中受到复杂水力作用，钢管内部应力产生变化，特别是在突发情况下，阀门动作形成的水锤效应会导致管道应力急剧增加，严重的会引发振动、管道变形、破裂爆管等事故，直接关系到水电站的运行安全。四川省关州水电站透水事故就是在强压力作用下，制造工艺不符合标准的钢管堵头发生爆裂造成的[1]。因此，开展高水头水电站压力钢管应力测试分析研究，准确测量压力钢管的受力情况，结合钢管的承压能力进行评价，对保证高水头水电站压力钢管的安全运行有着重要意义。
目前，水电站压力钢管应力测试结果大多直接用于评估其安全性能，往往受工况、环境和设备等因素影响，存在较大干扰和噪声现象，影响了定量分析和安全评估的准确度和可靠性[2]。因此，开展应力测试数据噪声干扰研究，提高安全评估准确性，已成为压力钢管安全评估中亟待解决的问题。当前，已有多种方法应用于数据处理中，包括移动平均滤波法[3]、Fourier变换[4]、Kalman滤波[5]和小波分析[6]等；但每种方法对数据处理都各具局限性，如移动平均滤波法窗口选择需要预设；Fourier变换是针对线性的，计算复杂度高；Kalman滤波受线性系统限制和噪声假设限制；小波分析基函数选择具有主观性。因此，针对实测数据特性，本文选用移动平均滤波方法来验证去噪的适用性，并应用于压力钢管的数据分析、可视化和安全评估。
1、基本理论方法
1.1 移动平均滤波法
在高水头水电站压力钢管应力试验中，面临多种复杂的工况和条件，采集的数据受环境噪声、设备噪声和随机噪声等影响。通过信号处理技术(如滤波、去噪等)和数据分析方法，可有效提高准确性和可靠性。移动平均滤波法是在数据处理中常用的数字信号处理技术，核心是利用窗口内多个样本的平均值来代表当前样本的值，从而减小随机噪声或高频成分对信号的影响，其数学表达式为[7]:
式中：y(k)为滤波后的输出值；x(k)为输入信号中的当前样本值；M为窗口大小；k为当前窗口的位置索引。
移动平均滤波法主要降低信号中的噪声或去除高频成分，有效地减少信号中的周期性波动，平滑信号，改善信号质量，适合应用于压力钢管应力测试中高频振荡的信号处理场景。通过调整窗口大小，移动平均滤波可以适应不同程度的噪声去除需求，同时保留信号的整体趋势，具有算法结构简单，计算效率高等优点。
1.2 压力钢管应力测量
选取压力钢管主阀上游钢管截面作为检测断面，采用动态应变测试系统，检测工况按甩50%额定负荷和甩100%额定负荷进行。对于三向应变片应力与应变的关系如下[8]:
式中：σ1,2为主应力(MPa);εx、εy、εxy为3个方向的应变量；η为测试应变仪的灵敏度系数，取2.18;η1为应变计的灵敏系数，取2.08;E为弹性模量，取2.06×105N/mm2;μ为泊松比，取0.3 v。
1.3 压力钢管承压能力计算
三向测点折算应力按第四强度理论计算[9_10]:
按承载能力极限状态设计原则，各计算点的折算应力应满足[11]:
确定压力钢管材质后，依据下式确定钢管结构抗力[12]:
式中：σ为当量应力(MPa);σR为钢管结构构件抗力限值(N/mm2);σθ、σx为轴向、环向正应力(MPa);τθx为剪应力；γ0为结构重要系数，取1.0;Ψ为设计状况系数，取1.0;γd为结构系数，主厂房内明管增加10%～20%,取1.56;f为钢材强度值。
2、现场测试
2.1 测试方法
压力钢管投入运行后，对甩负荷极端工况下实际受到的应力进行测试和分析，并验证压力钢管的强度，以保证电站的本质安全[8]。应力检测分为静态应力检测和动态应力检测；静态应力是在静水压力作用下检测钢管管壁的结构应力；动态应力是静水压力和机组甩负荷产生水锤压力时检测钢管管壁的结构应力。测试方法有电阻应变测量法、光纤光栅法等[13],本文采用电阻应变测量法，试验桥路为三线制1/4桥，应变片为三向应变片，详见图1。测试过程中构件测点处的应变转换为电阻应变计的电阻变化，便可确定测点处的应变，进而按胡克定律得到其应力[14]。
图1三向应变片结构图
2.2 测试工况和测点布置
查阅相关资料，某水电站装机容量2×6 600 kW,压力钢管牌号为Q345B,主管管径为1 400 mm,厂房支管管径为700 mm,设计水头337 m。1号机组钢管测点实测壁厚为24.86 mm。对该水电站引水压力钢管静态和动态应力进行检测，将三向应变片布置在主阀上游钢管截面的正上方位置布置测点，测点截面距离主阀中心约1.2 m,布置图如图2所示(图中编号1为0°方向，编号2为45°角方向，编号3为90°方向)。
图2应力测点布置示意图
2.3 试验过程
完成前期准备工作和测点布置后，开始试验。主要分以下部分：
(1)关闭主阀，主阀上游钢管内水已排空。
(2)仪器开机调零开始采集，钢管充满水，静水试验完成。
(3)打开机组导叶，1号机组开机并网带50%负荷(3 300 kW),运行平稳后进行甩负荷试验。
(4)机组再次并网带100%负荷(6 600 kW),运行平稳后进行甩负荷试验。
3、试验结果分析
3.1 应力测试数据移动平均滤波
采用移动平均滤波法，以实现在复杂测试工况下原始数据噪声和干扰的滤除，还原数据真实状态，达到安全评估准确性为目的，按照下列步骤进行采样信号的滤波：
(1)在Matlab中加载数据和初始化。分别将1号机0°方向、45°方向和90°方向3组数据导入并生成为列向量。
(2)定义WindowSize参数。窗口大小的选择依赖于噪声的特性以及信号的频率成分。
(3)应用移动平均滤波。使用Movmean函数对3组数据向量分别进行滤波。
(4)可视化。使用Subplot函数对3组数据进行可视化对比。
(5)局部可视化分析。使用Zoom功能对第(4)步中机组甩50%和甩100%负荷处局部处理结果对比。
滤波结果如图3所示。
由图3可以看出，1号机在应力测试中，原始数据是存在复杂频率和干扰的。经过移动平均滤波处理后，3组数据曲线更加平滑，并且短期随机噪声和波动减少或消除，而长期趋势或周期性信号则相对保持不变或更加清晰。选取1号机0°方向在机组甩50%和100%负荷下，通过局部放大可以看出，既滤除了噪声干扰，还保留了甩负荷工况下的峰值。
为了进一步验证以上结论，再将1号机45°和90°方向甩50%和甩100%负荷应力数据分别进行局部放大对比，详见图4。
由图4(a)、(b)、(c)、(d)进一步验证，经移动平均滤波处理后甩负荷工况下的峰值得到保留，并且滤除了粗大误差，这一点在图4(b)和图4(d)中得到良好的体现。
3.2 试验结果分析
根据《水电站压力钢管设计规范》(NB/T 35056—2015)和查阅相关资料，本项目钢管材料为Q345B,钢管壁厚为25 mm,取σR=189 MPa。计算原始数据和移动平均滤波后数据静态应力值、动态应力值和压力钢管应力安全裕度，详见表1。
图3 1号机三向应力测点数据滤波前后对比示意图
表1原始数据和移动平均滤波处理后压力钢管应力计算对比
图4 1号机45°和90°方向甩负荷滤波处理局部放大示意图
由表1可知，移动平均滤波后数据的应力值较实测数据相比，静态应力值、动态应力值降低，滤波去除了应力信号中的波动成分，使得实际应力水平更接近真实且稳定的值。相反，压力钢管的安全裕度得到提高。因为极限承载能力保持不变的情况下，实际工作应力降低，安全裕度将相对增加。
4、结 论
本文结合工程实例，测试高水头水电站压力钢管在复杂受力特性情况下的应力，并针对实测数据的非线性和非周期性特征，构建基于移动平均的滤波处理方法，最后用于应力计算和安全评估。得出以下结论：
(1)利用三向应力测点数据移动平均滤波，再结合甩50%和100%负荷局部放大图对比分析，该方法使测试曲线更加平滑、数据信号更加清晰，并且能够保留应力峰值，滤除了粗大误差。
(2)高频噪声是原始数据中应力计算的主要干扰源，滤波后计算出的应力值会更接近真实值，且通常比直接使用原始数据计算得到的应力值要小，因为去除了噪声引起的波动。
(3)安全裕度通常基于钢管的极限承载能力和实际工作应力来计算。滤波后应力值的降低，意味着钢管在相同工作压力下所承受的应力水平更低。因此，如果极限承载能力保持不变，而实际工作应力降低，那么安全裕度(即极限承载能力与实际工作应力之差)将相对增加。
(4)安全裕度的增加不仅仅取决于应力值的降低，还受到其他多种因素的影响，如材料的疲劳性能、腐蚀情况、环境温度和压力波动等。因此，未来的研究方向还应考虑这些因素来综合评估钢管的安全性能。
参考文献:
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基金资助:南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(青年基金)(Y923012);
文章来源:关键,文俊,王军强,等.基于移动平均滤波的高水头水电站压力钢管应力测试研究[J].小水电,2024,(06):64-68+78.
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2024-12-08
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