應力應變監(jiān)測系統(tǒng)在機場天然氣管網(wǎng)中的應用

李號渠

上海市安裝工程集團有限公司，上海，200000

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，城市生活節(jié)奏的不斷加快，人們出行方式隨之也發(fā)生了很大的變化，其中一個明顯特征就是大型機場的數(shù)量在不斷地增加。眾所周知，大型機場航站樓為人員密集場所，因此，確保航站樓內各類能源動力系統(tǒng)的安全運行，能為人們的安全出行保駕護航。施航站樓內通常分散設有多個餐廳，而這些餐廳多為天然氣用氣場所，且這些用氣場所的燃氣是通過距離航站樓幾公里外的調壓站將上游市政燃氣調壓后經(jīng)機場埋地敷設的燃氣管網(wǎng)輸送而來。航站樓空側頻繁有飛機起降，它可能會對周邊埋地管網(wǎng)產(chǎn)生一定外力作用。另外大型機場通常也是地鐵線路的站點之一，在有地鐵穿越的航站樓，地鐵運營對其上部埋地天然氣管道可能產(chǎn)生一定的外力作用。另外，埋地管網(wǎng)局部穿越機動車道位置處，在臨時大型搶險救援車輛或大型物資車輛經(jīng)過時，也可能產(chǎn)生較大的荷載。為防止航站樓周邊天然氣埋地管網(wǎng)因受過大外力作用爆破，導致天然氣大量泄漏，釀成火災或發(fā)生爆炸，造成重大安全生產(chǎn)事故，為人們的生命財產(chǎn)帶來重大損失，因而對航站樓周邊天然氣管網(wǎng)的實時應力應變監(jiān)測很有必要。

1 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

應力應變監(jiān)測系統(tǒng)主要由HMI組態(tài)軟件、終端接收器、主控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器五個部分組成（圖1）。每個管道應力監(jiān)測點處均點焊有傳感器，傳感器將采集到的管道振動頻率信號等信號通過RS485鏈路傳至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集器，采集器通過RS485鏈路將數(shù)據(jù)以固定格式傳至主控制器，主控制器用于主動讀取采集器通過RS485鏈路上傳的數(shù)據(jù)，并邏輯計算后得出監(jiān)測點處的應變值、應力值及溫度值，然后將這些數(shù)據(jù)通過GPRS/北斗信號傳至終端接收器，最后，終端接收器通過RS232鏈路傳至監(jiān)控中心，在應力應變HMI組態(tài)軟件上將應力監(jiān)測點處應力、應變、溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出來，并和監(jiān)測系統(tǒng)設置的事預警值對比，若超過了預警值，將以圖像和聲音的形式發(fā)出報警。

應力應變監(jiān)測系統(tǒng)核心部件為傳感器，本項目傳感器采用的是振弦式應變計，它以張緊的振弦作為敏感元件，其弦振動的固有頻率與張緊力有關。當振弦長度確定后，弦的振動頻率變化量即可表示張緊力的大小，其輸入量為力、輸出量為頻率信號[1]。振弦應變計由振弦、磁鐵、振弦夾緊裝置組成，敏感元件振弦是一根張緊的金屬絲，置于直流磁場中，其中一端固定在夾塊上，另一端和感壓膜片或者運動部分相連，張力作用于感壓膜片上，使弦張緊[2]，振弦的固有頻率可由式（1）確定：

式中，f0為振弦的固有頻率Hz；l為振弦的有效長度，m；ρ為振弦的線密度，kg/m；T為張力，N。

弦的應變與張力的關系為：

式中，ε為弦的應變，με；S為弦的截面積，m2；E為弦的彈性模量，m2/N。由（1）（2）兩式可知，若測出振弦的頻率值，則可計算出振弦所受應力的數(shù)值及振弦應變的數(shù)值。

2 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.1 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)應變計的選擇

目前工程上應用的應變計主要有電阻應變片、光纖應變計和振弦式應變計[3]。電阻應變片的缺點是受溫度變化影響大，抗干擾性差；光纖應變計的缺點是壽命短，配套設備價格昂貴。振弦式應變計以其長期的穩(wěn)定性能而著名[4]，振弦傳感器之所以優(yōu)于一般其他類型傳感器，就在于其輸出的不是電壓信號而是頻率信號，而頻率信號可以用電纜遠距離（大于2000米）傳輸，信號的傳輸基本不受導線電阻變化、溫度波動以及絕緣電阻變化的影響。

本項目傳感器采用的是美國基康的4100型點焊式振弦應變計，該設備檢測程序遵從和依照ANSI/NCSL Z540-1檢測實驗室以及測量測試儀器一般規(guī)定。此外，主要檢測標準依據(jù)NIST相關法則制定，并按照ISO/IEC 17025鑒定標準在實驗室通過校核，完全滿足GB/T13823.20-2008規(guī)范要求。它在每個監(jiān)測節(jié)點布置3個傳感器，且傳感器帶有溫度檢測功能。另外，基康又在傳感器內部及外型方面采用了精致而堅固的設計，使儀器顯示出極佳的長期穩(wěn)定性，特別適用于在惡劣的環(huán)境中進行長期測量。

4100型點焊式振弦應變計硬件參數(shù)為：（1）長度51mm；（2）量程3000με；（3）靈敏度為0.4με；（4）精度為0.5 %F.S.；（5）非線性為＜0.5%F.S.；（6）溫度范圍為-20℃～+80℃。

2.2 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)主控制器的選擇

本項目選用的是DRAC系列控制器，其主要應用在靜態(tài)微應力應變檢測與分析系統(tǒng)中，控制器集傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)有線/無線傳輸?shù)裙δ転橐惑w。

DRAC系列控制器硬件參數(shù)為：（1）32位ARM處理器；（2）工作溫度范圍-40℃—75℃；（3）可擴展的無線通信模塊，通信協(xié)議為MODBUS；（4）9V—16VDC供電；（5）控制器功耗約為1W； （6）5個振弦式傳感器采集接口，測量精度0.1Hz；（7）3個環(huán)境傳感器采集接口（4-20mA）；（8）3個RS485接口，支持標準Modbus RTU協(xié)議，支持自定義協(xié)議，用于與第三方設備通訊；（9）1個USB接口（用于控制器參數(shù)配置及固件升級）；（10）高精度RTC實時時鐘模塊，內置鋰電池，保持時間2年以上；（11）控制器防爆、防塵、防水等認證。

2.3 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)通信組網(wǎng)結構

因機場占地面積較大，應力應變監(jiān)測點到應力應變系統(tǒng)監(jiān)控中心的距離過遠，應力應變監(jiān)測系統(tǒng)若采用有線電纜傳輸，則傳輸電纜在前期施工階段的埋設及后期機場投產(chǎn)運營階段的故障檢修都會面臨較大的難題。一是航站樓周圍多家施工單位的室外埋地管線錯綜復雜，在施工階段各家施工單位進度很難統(tǒng)一，難以避免出現(xiàn)二次開挖現(xiàn)象，而二次開挖很容易對已埋傳輸線纜造成破壞；二是在投產(chǎn)運營期檢修困難，以現(xiàn)有技術水平，出現(xiàn)通信故障時傳輸電纜斷點位置難以確定，很可能會出現(xiàn)大面積二次開挖現(xiàn)象，檢修成本高。因此，我們現(xiàn)場選用了太陽能電池板自發(fā)電供電，5G物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式，該通信方式配套設備安裝方便，便于檢修，且數(shù)據(jù)傳輸速率高，安全可靠，能保證24小時全天候數(shù)據(jù)傳輸，可將監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸給監(jiān)控中心，確保監(jiān)控中心對監(jiān)測點管網(wǎng)應力、應變、溫度等參數(shù)的實時掌握。

對于天然氣管道工程，它們都有個共同的特點，就是結構龐大。要全面地掌握天然氣管道形變情況，在實際應用中，都要求系統(tǒng)的測點多，分布范圍廣，能涵蓋整個結構最重要的節(jié)點。

在分布式采集方式中，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器一起分散地就近布置在整個工程各個關鍵檢測節(jié)點，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對某一個檢測節(jié)點的所有傳感器進行數(shù)據(jù)采集、信號處理、與上位機通信。這樣避免傳感器經(jīng)過很長的距離向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送信號，減少了模擬量的傳輸距離，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，每個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是獨立工作的，當某一采集系統(tǒng)不能工作時，并不影響整個系統(tǒng)和整體的檢測結果，這有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。應力應變監(jiān)測系統(tǒng)由HMI組態(tài)軟件、終端接收器、主控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器五個部分組成。一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以掛接多路振弦式傳感器，而整個主控系統(tǒng)又可以連接多個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。工作時， 當主控制器發(fā)出讀取數(shù)據(jù)信號時，每個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對傳感器逐個巡檢，將采集的信號進行處理，通過RS485上傳至主控制器。主控制器再將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳至終端接收器，并顯示在上位機上。另外，上位機若需要知道某一路傳感器的信號，可以向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送一個主動呼叫數(shù)據(jù)信號。

2.4 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)HMI組態(tài)軟件

監(jiān)控中心系統(tǒng)組態(tài)軟件是一款人機交互軟件，將監(jiān)測點測量出的頻率值、應變值、應力值顯示出來，并能進行多類報警值的設置。

圖2為應力應變監(jiān)測系統(tǒng)HMI組態(tài)軟件，它主要為錄入項和讀取項，下面對其功能

進行介紹：

（1）錄入項

管道參數(shù)中的管道外徑、管道壁厚、管材最低屈服強度，三項可以根據(jù)現(xiàn)場管道情況來錄入。

（2）讀取項

管道上焊有三個應變采集器，水平面為0°傳感器和180°傳感器，垂直面為90°傳感器，它們的頻率值和溫度值都是現(xiàn)場實時采集值，若此處畫面出現(xiàn)紅框或數(shù)值為0代表當現(xiàn)場傳感器出現(xiàn)異常或故障。管道應力參數(shù)的最大軸向應力、最小軸向應力、環(huán)向應力三個數(shù)值是根據(jù)傳感器測得的頻率值經(jīng)邏輯計算得出的，其數(shù)值隨頻率值的變化而變化。應力占比是最為關鍵的數(shù)據(jù)，是指管道所受應力與管道屈服強度的比值，當數(shù)值為100%時，表明管道所受應力已達屈服強度。系統(tǒng)可預先設置一個管道受力危險狀態(tài)報警值，當應力占比大于此設置值時，應力監(jiān)測系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。

3 應力應變監(jiān)測系統(tǒng)的應用

3.1 監(jiān)測點布置圖

因飛機降落時可能會對周邊埋地管線產(chǎn)生應力作用，且地鐵在航站樓下方橫穿，故在航站樓附近的管線設置應力應變檢測點；管線拐彎的地方的應力變化相對直管來說更大，故在管線拐彎的地方單獨設點，航站區(qū)段管道上共放置應力應變監(jiān)測設備（每組包括：振弦應變計+采集器+主控器）5套。具體設點如下：分別位于北垂滑右側、北垂滑左側、T1航站樓、T2航站樓、五星級酒店南側，如下圖3紅圈位置所示。

3.2 運行情況分析

該系統(tǒng)投入運行后，監(jiān)控中心制定有燃氣管網(wǎng)安全運行管理體系[5]，并有運營工程師二十四小時值班看守。由最近三個月的據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，五個監(jiān)測點處應力值、應變值曲線都是接近水平狀態(tài)，偶有輕微的波動，但均位于報警值以下。這說明五個監(jiān)測點處的埋地供氣管道，在受到附近飛機起降、下方地鐵運行、路面大型重車過路等外力作用時，所受應力、應變雖然有些變化，但目前仍在安全范圍內。假如在將來某個時間段，應力應變監(jiān)測曲線出現(xiàn)連續(xù)的超過報警值狀態(tài)，則表明管道很可能已處于危險狀態(tài)，值班人員應立即遠程切斷監(jiān)測點上下游調壓柜閥門，并帶上燃氣泄漏檢測設備趕赴現(xiàn)場查看原因，如確實發(fā)生泄漏事故應立即制定燃氣泄漏現(xiàn)場處置方案并實施有力的處置措施[6]。

4 結論

（1）本文系統(tǒng)地闡述了應力應變監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理，應變計、主控制器的選型，通信組網(wǎng)結構，以及HMI組態(tài)軟件的功能和監(jiān)測系統(tǒng)的實際應用。

（2）通過對應力應變監(jiān)測系統(tǒng)實際觀測數(shù)據(jù)的分析，及與現(xiàn)場實際情況的對比，表明該套系統(tǒng)確實可以起到天然氣供氣管道應力、應變的監(jiān)測功能，為將來管道發(fā)生變形和破裂現(xiàn)象提供了預警功能，具有很強的現(xiàn)實意義。