開放空間大尺度可燃氣云爆炸測試技術探討

謝 萍，李明智，劉振翼

(1.中石油管道有限責任公司西部分公司，新疆 烏魯木齊 830000;2.北京理工大學，北京 100081)

0 引 言

大量可燃氣體有可能從氣體儲罐或者輸氣管道中泄漏出來，在空氣中擴散混合形成大規模氣云爆炸混合物，一旦氣云被點燃就會發生爆炸，爆炸產生的沖擊波超壓在開放空間依然具有很大的破壞作用。目前關于氣云的爆炸測試研究主要局限于實驗室階段或者小尺度實驗，其中涉及的實驗氣云規模較小，氣云通過肥皂泡、塑料薄膜或乳膠氣球約束生成[1-4]，且實驗均在理想條件進行，實驗裝置及測點相對較少，不能應用于大尺度氣云燃爆實驗。對爆炸測試系統的設計研究，當前國內外測試沖擊波廣泛采用有線式，即將傳感器的輸出信號通過信號電纜傳輸給遠端的信號調理和采集系統。文獻[5]設計了一種用于炸藥爆炸的遠距離多通道數據采集系統，基于美國國家儀器（NI）公司的軟件LabVIEW8.2，實現了數據采集控制、波形顯示和數據的分析處理的功能，為電測方法提供了依據。文獻[6]在虛擬儀器的平臺基礎上設計了分布式網絡通信的沖擊波場超壓測試系統。文獻[7]將壓力傳感器、適配電路、A/D轉換器、觸發控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在堅固的鋼殼內，構成一種可相對獨立工作的便攜式超壓測試儀，解決傳感器長引線帶來的安裝不便、易受干擾的實際測試問題；但人員撤出場地設備無法監控，不能可靠保證數據成功獲取。文獻[8]為解決爆炸場中振動強度有線測量存在的問題，提出一種具有負延遲功能的存儲測試方案。以上測試系統均未應用于大尺度氣云爆炸測試中，且以往測試具有測點少、測試范圍有限、測試傳輸方式單一等局限性。

我國已經建成首座全尺寸天然氣管道爆破試驗場，需要配備相關測試裝備，制定測試方法，進行大尺度氣云爆炸超壓的測試。文獻[9]進行了150 mm直徑管道爆破后產生的氣云爆燃沖擊波的實驗，但其主要是近地面二維場壓力測試，且測點較少，測試系統并未詳細提及。

目前尚無針對開放空間大尺度可燃氣云爆炸高空三維超壓測試的技術解決方案。本文提出基于沖擊波超壓三維測試、多點采集同步聯動觸發控制的數據采集技術：采用高空三維測點布置、同步聯動觸發控制、多點聯動采集、傳感器加裝絕緣及防震材料的防信號干擾的測試方法，克服野外惡劣環境條件的影響，進行了全尺寸天然氣管道爆破后大尺度可燃氣云（擴展后直徑300～400 m）爆炸沖擊波超壓測試。

1 大尺度氣云爆炸測試條件及爆炸特點

1.1 現場測試條件

外徑1 422 mm、壁厚21.4 mm、長度130 m的天然氣管道，管內壓力12 MPa，在管道的正中間處安裝線性聚能切割器，為管道人為引入一條長500 mm、寬10 mm的裂紋。在裂紋開口處，高壓的天然氣沖出管道后通過引燃彈將空中的天然氣引燃（引燃高度范圍50～200 m），測試該條件下天然氣管道破裂氣云爆燃產生的沖擊波和熱輻射，以分析對周邊環境的影響。

測試需滿足的要求：1)獲取天然氣管道爆燃后在空間范圍內衡量沖擊波和熱輻射量的數值；2)搭建的測試系統需安全可靠，保證數據的獲取率；3)數據采集和天然氣云引燃時間必須同步，方能測得影響最大的數據；4)各類測試傳感器的量程選擇需合適，避免采集無效數據；5)測點布置需在天然氣管道爆炸的有效范圍內。

1.2 氣云爆炸特點

2 測試原理

基于本次試驗條件，測試設備主要包括傳感器導線系統、信號調理系統、數據采集系統、同步觸發系統及其他輔助設備，測試原理如圖1所示。爆炸產生的波陣面掃過自由場壓電式壓力傳感器的感應面，壓力傳感器產生電荷信號，并通過信號導線將信號傳輸到信號調理系統，信號調理系統將接收到的電荷信號進行調理，通過通信電纜傳遞給數據采集系統，數據采集系統將電荷信號通過與傳感器的靈敏度換算，最終得到各點超壓值。同時，顯示設備以數據曲線的形式顯示超壓數據。

2.1 壓力傳感器

傳感器是測試的核心部分，目前爆炸壓力測試主要有3種壓力傳感器，即應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器[9-10]。

針對測試需求，開發設計了以陶瓷和石英為壓電晶體的自由場壓力傳感器，如圖2和圖3所示。壓電式壓力傳感器將敏感材料封裝在保護殼內，有兩個敏感面，為了避免傳感器外殼結構變化引起的信號失真[11]，外形設計為筆式，尖端正對爆炸中心，沖擊波掃過敏感面時產生壓力效應，晶體兩邊產生電荷并通過信號傳輸線傳輸到電荷適配器，上限頻率響應為 50～500 kHz，量程為 0.001～200 MPa。

圖1 測試原理圖

由于可燃氣云是由高壓天然氣管道發生泄漏后射流擴散形成的高空氣云，因此，管道爆破時會產生強烈的震動效應，試驗設計了傳感器延長桿和絕緣減震裝置，基本結構如圖4所示。

2.2 信號調理

信號調理采用電荷式放大器，適用于長電纜布置場合。電荷放大器需能夠對電荷信號進行放大處理，頻帶寬度不小于100 kHz，線性誤差1.5%，要求精度高、噪聲低、穩定可靠。例如：具有3位電荷式調位，最大輸入電荷量105pC，增益可選1、10、100 mV/unit，頻帶0.1～100 kHz，線性誤差1.5%，噪聲（最大增益時）3 mV，可滿足測試需求。電荷放大器結構見圖如圖5所示。

圖2 FPG壓力傳感器

圖3 FPT壓力傳感器

圖4 傳感器延長桿和絕緣減震裝置

2.3 數據采集

對于OD1422 X80天然氣管道全尺寸爆破實驗的條件下，測試各參數需要滿足的技術要求有：

采樣頻率≥200 kHz；存儲容量≥100GB；瞬態記錄延時深度≥1 024 k點；觸發方式為信號觸發、手動觸發、外觸發；觸發條件為輸入電壓＞2 V；工作溫度–10～50 ℃；相對濕度為 20%～90% ；供電方式為交流電源220 V±11 V，50 Hz；能夠滿足以上測試要求的設備經篩選采用NI數據采集儀和VXI數據采集儀。設備型號參數確定后將信號調理器、數據采集儀和其他輔助設備放置于數據采集間內，通過信號導線與傳感器連接，系統連接示意圖如圖6所示。

圖5 電荷放大器結構簡圖

圖6 數據采集測試系統連接示意圖

3 現場測試系統結構設計

3.1 傳感器布置方案設計

由于傳統的近地面測試方法不適用于高空氣云爆炸測試，所以提出空間三維場測試方案，采用分布式壓電傳感器測試系統構建天然氣云爆炸沖擊波壓力測試系統。

在三維的開放空間中，以氣云中心為核心呈放射狀在多個方向設置多組壓力傳感器陣列，在每組的壓力傳感器陣列中都設置有多根安裝桿，在每根安裝桿上縱向分層設置有多個壓力傳感器，形成一個三維、多點的壓力傳感器測試陣列。具體方案：以管道爆心為圓點，分別在東北側（NE）、東南側（SE）、西南側（SW）和西側（W）建立4列傳感器安裝塔桿，其中NE和SE側分別間隔布置6根安裝桿，SW和W側分別間隔布置7根安裝桿，共設立傳感器安裝桿26根，每根安裝桿上有5個傳感器（分別距離地面 10 m、15 m、20 m、25 m、30 m），共130個傳感器，安裝桿高35 m，在試驗場的具體布置方式如圖7所示。

傳感器安裝桿縱向結構簡圖如圖8所示。在安裝桿縱向（總高度35 m）從10 m高度處，每隔5 m布置一個測點，每個測點預先焊接一塊可供直接安裝傳感器的槽鋼，每桿布置5個。

通過周向和豎向布置傳感器獲取全方位數據，采用一定的數據處理方法獲取爆炸沖擊波的壓力場，現場布置圖如圖9所示。

3.2 線纜布設方法設計

測試系統中的通信線纜包括：電荷放大器與傳感器連接的信號導線、連接總觸發器并經1/2/3/4號數采間中的同步觸發器的觸發線以及電荷放大器與采集儀之間的數據傳輸線。試驗現場線路布置如圖10所示，通信線纜連接構成網，包括觸發線路網和信號傳輸線路網。

圖7 壓力傳感器安裝桿平面布置圖（水平方向）

3.3 觸發方法設計

由于試驗場需要采集的數據較多，四列傳感器陣列的采集儀需要聯動觸發進行數據采集，因此需要開發適用于爆破試驗場測試儀器的同步觸發技術，以使所有采集系統同時進行數據采集。測試主要采用手動聯動觸發方式觸發，共5臺同步觸發器進行聯動，如圖11所示。

圖9 壓力測試桿及傳感器現場布置

圖10 測試線路布置

觸發器之間采用同軸電纜作為觸發線進行連接，觸發線接于同步觸發器的手動觸發檔位。總觸發器處于距離試驗場2 km處的操作間，其他觸發器分別位于4個數據采集間之中，并與數據采集儀進行連接，爆破時觸發總觸發器就可以實現采集儀的聯動觸發。同步觸發系統布置如圖11所示。

測試采用5臺同步觸發器，實現了壓力數據采集儀，比色測溫儀以及高速攝影的聯動同步觸發。系統通過多次聯動調試證明可靠性高，操作方便。

3.4 系統操作流程

1）將裝有絕緣套和延長桿的壓力傳感器安裝到測試桿上的測點位置，并連接信號導線，最終接于防爆測試間中電荷放大器的輸入端。

2）將防爆測試間中的設備及各個防爆測試間的設備按照圖11進行連接，連接完畢后進行系統觸發及采集調試。

3）爆破之前設置數據采集系統參數，設置4臺數據采集儀和5臺同步觸發器至待觸發狀態。

4）高壓輸氣管道人為破壞后失效破裂，高壓氣體向上噴出形成射流，快速與空氣混合擴散在高空，形成直徑百米以上的可燃氣云。

圖11 同步觸發、采集測試系統連接示意圖

5）當可燃氣云擴散一定時間后，在1.8公里外啟動點火系統，當點火彈接收到信號后進行電點火并升空，升高到預定高度后自動引爆，產生的爆炸火球點燃附近的可燃氣體。

6）當爆炸波陣面傳播到三維布置陣列中的壓力傳感器的測點位置后，壓力傳感器感應到超壓作用產生電荷信號，電荷放大器對電荷信號進行調理分析，輸出電信號到防爆測試間中的數據采集儀，并通過顯示器將記錄的數據以壓力-時間曲線的形式呈現出來。

7）爆燃過程大約持續10s，爆炸過程完畢并做安全處理后，人員進入試驗現場進行后續現場整理、測試數據收集、測試元器件完好情況確認等工作。

8）數據結果分析，編寫測試報告。

4 測試結果

在哈密管道斷裂控制試驗場開展的天然氣管道全尺寸爆破試驗時，共開展了3次測試。每次測試均在4個不同方位設置4組傳感器陣列，共130個壓力測點進行現場測試。采用了4套壓力測試儀采集系統進行數據采集，3次試驗分別獲得103、112、116個有效壓力數據，數據獲取率分別為79.2%、86.1%、89.2%，數據獲取率平均值為84.8%。

3次試驗條件下測試得到的天然氣管道在開放空間爆炸后產生的沖擊波超壓峰值變化范圍為0.002～0.432 MPa，試驗得到的典型的實測壓力曲線如圖12所示。壓力曲線共出現3次峰值，包括管道爆破物理爆炸沖擊波超壓，氣云爆炸前驅沖擊波超壓以及爆燃產生的超壓效應。東北側和東南側測試桿測得的沖擊波超壓峰值和距離起爆中心點的距離之間的變化如圖13和圖14所示，由測試數據可見：隨著距離的增大，產生的沖擊波超壓峰值逐漸降低，趨勢接近冪指數衰減，相應擬合公式見圖13和圖14。

圖12 實測時間-壓力曲線

5 結束語

結合爆破試驗場實際條件和埋地天然氣管道爆破泄漏之后產生的可燃氣云爆炸的特點，設計了開放空間大尺度可燃氣云爆炸三維測試方法，包括傳感器、信號調理器、采集儀的選擇，傳感器防干擾方法，三維測點布置方法，數據采集系統連接方法，以及同步觸發系統方法等，為我國首座爆破試驗場配備了合理有效的試驗系統，得到了清晰的時間-壓力曲線，數據獲取率平均值為84.8%，驗證了測試系統的有效性。

圖13 東北側沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線

圖14 東南側沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線