黎洪義, 郭 亮, 孫明燁, 李 爽, 王洪建, 周 東, 劉 洋, 趙慶林, 劉平原, 趙 陽, 蘇業(yè)旺

(1.北京燃?xì)鈶讶嵊邢薰?北京101400;2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點實驗室, 北京100190;3.中科攜行科技有限公司,北京101407;4.北京市煤氣熱力工程 設(shè)計院有限公司,北京100032;5.中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京100049; 6.北京東方中恒科技發(fā)展有限公司,北京100043;7.北京諾成新科技有限公司, 北京102299;8.法施達(dá)實業(yè)集團有限公司,遼寧大連116021)

1 概述

管道運輸是目前石油、天然氣的主要運輸方式,PE管道因具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、良好的力學(xué)性能、較長的使用壽命等特點得到了廣泛使用。石油、天然氣輸配系統(tǒng)中,一旦發(fā)生泄漏,可能引發(fā)人員傷亡和環(huán)境污染等災(zāi)難性事故[1]。及時發(fā)現(xiàn)管道安全隱患是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),實時監(jiān)測管道的應(yīng)變,及時發(fā)現(xiàn)并定位處于危險狀態(tài)的管道,對保障管道安全運營和管理具有重要意義。目前針對PE燃?xì)夤艿赖陌踩珕栴}主要采用人工巡檢法,該方法效率低、實時性差、監(jiān)測范圍有限[2]。PE管道在實際工況中的應(yīng)變可達(dá)10%以上,而傳統(tǒng)應(yīng)變片或光纖傳感器可測應(yīng)變普遍在1%以下,因此無法采用傳統(tǒng)應(yīng)變片、光纖作為傳感元件實時測量PE管道的應(yīng)變。

本文針對PE管道應(yīng)變范圍較大、無法實時監(jiān)測的問題,采用基于力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)手段,研發(fā)了基于大應(yīng)變傳感器的PE燃?xì)夤艿腊踩O(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)燃?xì)夤艿赖膶崟r應(yīng)變監(jiān)測,并通過管道應(yīng)變信息分析管道的運行狀態(tài),實現(xiàn)PE燃?xì)夤艿赖膶崟r動態(tài)安全監(jiān)測和預(yù)警。

2 大應(yīng)變傳感器研究

2.1 大應(yīng)變傳感器的研究現(xiàn)狀

目前已研發(fā)出基于不同傳感原理的多類型柔性應(yīng)變傳感器,根據(jù)傳感機理主要分為電阻式[3-5]、電容式[6]、壓電式[7]以及摩擦電式[8]。在這些傳感器中,電阻式應(yīng)變傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強而受到了廣泛關(guān)注。在實際工程應(yīng)用中,大應(yīng)變傳感器應(yīng)滿足以下性能要求:大量程,量程大于待測物可能發(fā)生的最大應(yīng)變;高重復(fù)性[9],高重復(fù)性是保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性的必要指標(biāo);高線性度[9-11],傳感器粘貼于待測物表面后無法保證傳感器無初始變形,高線性度可使得傳感器不受安裝方式與初始應(yīng)變的影響;低溫度靈敏系數(shù)[11],避免傳感器受環(huán)境與待測物溫度的影響。現(xiàn)有關(guān)于電阻式柔性大應(yīng)變傳感器的主流研究大多基于接觸電阻原理,即通過各種傳感材料及相應(yīng)微結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)接觸關(guān)系的變化[5,12],以此決定傳感器的可拉伸性和電阻變化。這些大應(yīng)變傳感器通常具有較大量程和較高靈敏系數(shù),但由于不穩(wěn)定接觸微結(jié)構(gòu)易發(fā)生結(jié)構(gòu)非線性變形或者接觸模式的轉(zhuǎn)換,其重復(fù)性和線性度有待提高。

2.2 無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)與原理

與之前的大量研究不同,本團隊另辟蹊徑,基于力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計,研制了一種無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器[13],結(jié)構(gòu)見圖1。該傳感器主要由外側(cè)鉑金硅膠(Ecoflex)封裝層、聚酰亞胺(PI)基底、康銅傳感層以及康銅傳感層上方的PI覆蓋層構(gòu)成,其中康銅傳感層在蛇形結(jié)構(gòu)圓弧段較窄。在蛇形結(jié)構(gòu)兩側(cè)的焊盤用焊錫接出銀導(dǎo)線,在應(yīng)用時將銀導(dǎo)線接入歐姆表測量電阻變化即可。

該傳感器的傳感原理為拉伸-彎曲-拉伸的變換機制[13](見圖2),當(dāng)傳感器隨被測物變形時,傳感器的主要變形模式為蛇形結(jié)構(gòu)弧形段的彎曲和直線段的旋轉(zhuǎn)。其中最大變形位于弧形段,直線段的變形相對較小?？点~傳感層在弧形段采用了偏軸設(shè)計,使得傳感器整體的拉伸可通過弧形段的彎曲轉(zhuǎn)換為康銅傳感層的拉伸,從而導(dǎo)致傳感器電阻變化。根據(jù)康銅傳感層在弧形段偏軸方向不同,可構(gòu)建拉伸電阻增大與拉伸電阻減小兩種模式,通過搭建惠斯通電橋,使得變形影響增大、溫度影響抵消,實現(xiàn)了傳感器的溫度補償[13],可通過測量電橋的輸出電壓表征傳感器應(yīng)變。

圖1 大應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)[13]

3 大應(yīng)變傳感器性能測試與可行性驗證

3.1 傳感器性能測試

針對PE管道應(yīng)變監(jiān)測需求,設(shè)計并制造量程大于25%的大應(yīng)變傳感器,并進行傳感器各項性能(線性度、分辨率、溫度系數(shù))測試。

將傳感器置于拉伸機上,進行應(yīng)變25%的循環(huán)加卸載試驗,5次循環(huán)試驗結(jié)果見圖2。隨著傳感器拉伸,其輸出電壓變化量線性增大,當(dāng)傳感器拉伸至應(yīng)變25%時,電壓變化量約為2.75 mV,卸載時電壓線性減小且能歸零。試驗結(jié)果表明傳感器量程大于25%,量程內(nèi)線性度超過0.999,靈敏系數(shù)為1.1×10-2V。

圖2 循環(huán)加卸載試驗結(jié)果

對于傳感器的分辨率測量,對傳感器以應(yīng)變0.05%逐級加載,試驗結(jié)果見圖3,圖中藍(lán)色數(shù)據(jù)為加載的應(yīng)變。傳感器的電壓變化量表現(xiàn)出階梯狀,每0.05%的應(yīng)變使得電壓變化量增加0.003 2 mV,表明傳感器的分辨率達(dá)到了0.05%。

為測算傳感器的溫度系數(shù),將傳感器置于智能溫控箱內(nèi),對傳感器施加20～40 ℃的溫度載荷,試驗結(jié)果見圖4,曲線上方數(shù)據(jù)為溫控箱內(nèi)溫度。傳感器在從40 ℃降至20 ℃的溫度載荷下,電壓變化量穩(wěn)定,電壓變化量變化幅度約0.003 mV,相當(dāng)于應(yīng)變0.05%,再升溫至40 ℃,電壓變化量恢復(fù)初值,由此可知該傳感器溫度靈敏系數(shù)較低,輸出信號受溫度影響較弱。

圖3 分辨率測量結(jié)果

圖4 電壓變化量隨溫度的變化

3.2 傳感器測量PE管道應(yīng)變的可行性驗證

為驗證傳感器測量PE管道應(yīng)變的可行性,制備PE啞鈴形拉伸試件,將傳感器粘貼于試件上,采用拉伸試驗機逐漸施加應(yīng)變,分析拉伸試驗機的施加應(yīng)變與傳感器監(jiān)測應(yīng)變的關(guān)系,檢驗傳感器測量PE管道應(yīng)變的準(zhǔn)確性。試驗臺見圖5,試驗結(jié)果見圖6。從結(jié)果可以看出,監(jiān)測應(yīng)變與施加應(yīng)變基本一致,當(dāng)施加應(yīng)變?yōu)?5%時,監(jiān)測應(yīng)變?yōu)?4.6%,證實了該傳感器用于PE管道應(yīng)變監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

圖5 PE啞鈴形試件拉伸應(yīng)變試驗臺

圖6 PE啞鈴形試件拉伸應(yīng)變試驗結(jié)果

4 管道安全監(jiān)測系統(tǒng)框架、測試與應(yīng)用

4.1 管道安全監(jiān)測系統(tǒng)框架

本團隊設(shè)計了具備應(yīng)變監(jiān)測、定位、預(yù)警、數(shù)據(jù)分析管理等功能的管道安全監(jiān)測系統(tǒng)(見圖7)。該系統(tǒng)可分為供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、PE管道安全監(jiān)測云平臺。供電模塊由太陽能電池與化學(xué)電池構(gòu)成,當(dāng)太陽能充足時,由太陽能電池為系統(tǒng)供電并向化學(xué)電池充電,累計充電10 d可充滿化學(xué)電池。當(dāng)太陽能不充足時,化學(xué)電池可為系統(tǒng)持續(xù)供電7 d。數(shù)據(jù)采集模塊主要由大應(yīng)變傳感器與電壓采集模塊構(gòu)成。大應(yīng)變傳感器粘貼于管道表面,可有效監(jiān)測管道變形大小與方向。電壓采集模塊通過連接件固定于管道上,采用本團隊設(shè)計的集成電路板,以485串口協(xié)議實現(xiàn)大應(yīng)變傳感器輸出電壓的實時采集。集成電路板外部設(shè)有防護外殼,可滿足地下復(fù)雜環(huán)境的工作要求。數(shù)據(jù)傳輸模塊可將數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號轉(zhuǎn)化為IP信號,借助4G通信實時地將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到PE管道安全監(jiān)測云平臺。

圖7 管道安全監(jiān)測系統(tǒng)框架

PE管道安全監(jiān)測云平臺是本團隊設(shè)計的多功能展示平臺(簡稱云平臺),可在任意移動端通過網(wǎng)址登錄,其接收數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)男盘?與GIS集成,以圖、表格等形式實時顯示各測點的變形狀態(tài)和應(yīng)變分布情況。同時,云平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理與分析,超過預(yù)警值系統(tǒng)自動報警,直接在GIS中定位顯示,并給相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息,為事故應(yīng)急處置提供技術(shù)支持。其功能界面包括在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心、系統(tǒng)設(shè)置3部分(見圖8)。在線監(jiān)控界面可以顯示管道各測點的位置、實時應(yīng)變數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心對收到的數(shù)據(jù)進行存儲與管理,可以進行歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)下載等操作。系統(tǒng)設(shè)置界面可對測點進行管理,并可設(shè)定預(yù)警值與管道安全負(fù)責(zé)人員,在監(jiān)測應(yīng)變大于預(yù)警值時,系統(tǒng)會給相關(guān)人員發(fā)送預(yù)警信息。

圖8 PE管道安全監(jiān)測云平臺功能界面

4.2 系統(tǒng)測試

為檢驗管道安全監(jiān)測系統(tǒng)性能,搭建了測試平臺(見圖9)。測試管道為長5 m的兩端簡支的PE管道,在管道中間截面上間隔120°共設(shè)置3個大應(yīng)變傳感器,1個位于管道正下方(稱為1點位),其余2個在側(cè)上方(分別稱為2、3點位),連接數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊,將應(yīng)變信號上傳云平臺。大應(yīng)變傳感器安裝位置見圖10。

圖9 管道安全監(jiān)測系統(tǒng)性能測試平臺

圖10 大應(yīng)變傳感器安裝位置

將管道視為5 m長薄壁圓環(huán)截面的簡支梁,在管道的中間位置添加質(zhì)量為140 kg的砝碼,即向下施加了1 400 N的集中力,間斷加載4次。該管道外直徑200 mm、內(nèi)直徑190 mm,PE材料彈性模量約為1 GPa,泊松比為0.48,取拉伸應(yīng)變?yōu)檎?壓縮應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。通過材料力學(xué)知識計算可得,1點位的理論應(yīng)變峰值為2.644%,2、3點位的理論應(yīng)變峰值均為-1.322%。1～3點位的監(jiān)測應(yīng)變見圖11,理論應(yīng)變峰值與監(jiān)測應(yīng)變峰值的相對誤差絕對值均小于3%,結(jié)果表明系統(tǒng)可準(zhǔn)確監(jiān)測PE管道變形,充分驗證了該系統(tǒng)的有效性與準(zhǔn)確性。

圖11 1～3點位的監(jiān)測應(yīng)變

4.3 示范工程應(yīng)用

為對系統(tǒng)整體性能及其實際工程應(yīng)用可行性進行驗證,對PE燃?xì)夤艿腊惭b了管道安全監(jiān)測系統(tǒng),進行應(yīng)變監(jiān)測示范工程應(yīng)用試驗,試驗方案見圖12。該PE燃?xì)夤艿篱L300 m,每隔12 m設(shè)置1個測點,共設(shè)置25個測點。每個測點按照圖10設(shè)置3個大應(yīng)變傳感器與1個電壓采集模塊,電壓采集模塊之間串聯(lián)并與地面上的基站相連接?；局饕O(shè)有太陽能供電模塊與數(shù)據(jù)傳輸模塊,可以實現(xiàn)有效供電并將管道應(yīng)變數(shù)據(jù)實時上傳云平臺。示范工程應(yīng)用試驗安裝現(xiàn)場見圖13。持續(xù)關(guān)注各測點監(jiān)測應(yīng)變,結(jié)果見圖14。觀察發(fā)現(xiàn),施工結(jié)束后監(jiān)測應(yīng)變無明顯變化,表明管道未發(fā)生沉降等現(xiàn)象。

圖12 對PE燃?xì)夤艿赖膽?yīng)變監(jiān)測試驗方案

圖13 示范工程應(yīng)用試驗安裝現(xiàn)場

圖14 地下PE燃?xì)夤艿辣O(jiān)測應(yīng)變

5 結(jié)論

針對PE管道應(yīng)變范圍較大、無法實時監(jiān)測的問題,設(shè)計并制造了基于力學(xué)結(jié)構(gòu)的無接觸電阻式大應(yīng)變傳感器,進行了性能測試與PE啞鈴形試件拉伸應(yīng)變監(jiān)測試驗,驗證了該傳感器用于PE管道應(yīng)變監(jiān)測的準(zhǔn)確性。集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS研發(fā)了基于大應(yīng)變傳感器的管道安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了對PE管道應(yīng)變的實時動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。開展了示范應(yīng)用,充分驗證了該系統(tǒng)的有效性與穩(wěn)定性,為PE燃?xì)夤艿赖陌踩O(jiān)測提供了技術(shù)方案與支持。