基于傳感器技術的石油管道實時監測研究

關鍵詞：石油管道；實時監測；壓電傳感器；聚偏氟乙烯；聚對苯二甲酸乙二酯

中圖分類號：TE973；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0120-04

實現準確的石油管道實時監測對保障石油運輸安全，減小石油管道泄漏帶來的損失，具有重要意義。目前，針對管道類的監測方法主要是基于傳感器技術的監測，如通過采用雙環電阻傳感器，實現了X65管道的監測[1]；通過將光纖傳感器部署于管道上，實現了地下原水管道的沉降監測[2]；通過采用碳纖維包裹光纖光柵傳感器，并將傳感器部署于管道壁上的導流槽，實現管道滲漏監測[3]。考慮到石油具有黏度高、凝點高的特點，采用現有傳感器進行管道監測，可能存在檢測靈敏度和精度不滿足需求的問題[4]。因此，本研究利用壓電性能良好、靈敏度高的高分子聚合物PVDF作為傳感敏感材料，采用PET薄膜作為壓力彈性元件，制備了一種壓電傳感器，實現石油管道實時、準確的監測。

1材料與方法

1.1試驗材料與設備

本次用于制備石油管道實時監測壓電傳感器的主要試驗材料：FR530聚對苯二甲酸乙二酯（PET），玖順新材料；DS206聚偏氟乙烯（PVDF），科隆石化設備填料；酒精（純度95%，鑫捷奧化工）；N-N二甲基甲酰胺（DMF）（工業級，濟南創世化工）。主要試驗設備：MHS4pro多聯加熱型磁力攪拌機（捷呈儀器）；HZ-221旋轉涂膠機（鴻展自動化設備）；KT-Z165CVD電子束熱蒸發鍍膜機（科探儀器設備）；SSR320波紋度輪廓儀（中重智能（濟寧）設計研究院）；泰克MSO4示波器（輝科電子實業）；WPISYS-773靜電計（迪燁儀器設備）；威思曼DL高壓電源（威思曼高壓電源）。

1.2試驗方法

本次試驗制備石油管道實時監測用壓電傳感器可分為以下7個步驟：

（1）向試管中倒入適量DMF溶劑，按質量比為9∶1的比例加入適量PVDF粉末，得到PVDF混合液；

（2）設置磁力攪拌機溫度為50℃，并將PVDF溶液置于磁力攪拌機中攪拌8h充分溶解，得到質量分數為10%的PVDF溶液[5-6]；

（3）將脫脂棉簽浸入酒精溶液中1min后取出，擦洗PET薄膜；

（4）設置旋轉涂膠機轉速為2000r/min，并將PVDF溶液旋涂在PET上，然后將薄膜置于真空干燥箱中干燥5min快速成膜[7]；

（5）重復步驟（3），直至得到設定的薄膜厚度后，設置真空干燥箱溫度為100℃，并將退火1.5h；

（6）設置電子束熱蒸發鍍膜機溫度為85℃，將退火后的薄膜放置于鍍膜機中蒸鍍銀電極[8-9]；

（7）將蒸鍍完成的薄膜放置于電暈極化平臺極化。

2結果與分析

2.1電暈極化參數對傳感器壓電性能的影響

電暈極化參數（極化間距、極化時間、極化電壓）的設置對傳感器壓電性能具有一定影響[10-12]。因此，為分析電暈極化參數對傳感器性能的影響，研究設置柵網電壓為3.5V，鎢網與傳感器間距為5cm，并通過控制變量法設置不同電暈極化參數，分析所設計傳感器壓電的性能[13-14]。

2.1.1極化間距對傳感器壓電性能的影響

設置極化電壓為8kV，極化時間為10min，極化間距分別為0.5、1、2cm，并記錄不同極化間距下傳感器的壓電系數，結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著極化間距的增加，傳感器的壓電系數逐漸減小。分析其原因是極化間距增加，傳感器表面帶負電性的氧離子越少，減弱了傳感器兩側的電場，進而降低了傳感器的壓電性能[15-16]。因此，極化間距越小，傳感器的壓電性能越好。但由于極化間距過小會使傳感器電場均勻度受傳感器基底平整度影響，導致傳感器不易控制，影響傳感器的安全性。因此，通過綜合考慮，本次實驗設置極化間距為1cm。

2.1.2極化時間對傳感器壓電性能的影響

設置極化電壓為8kV，極化間距為1cm，極化時間分別為5、10、15min，并記錄不同極化時間下傳感器的壓電系數，結果如圖2所示。

由圖2可知，隨著極化時間的延長，傳感器的壓電系數先增加后保持穩定。分析其原因是，當極化時間較短時，傳感器還未完全極化，故其壓電系數較低[17-18]。隨著極化時間延長，完全極化后，壓電系數幾乎不發生變化。通過試驗結果可以發現，將極化時間為10min時，傳感器的壓電系數基本達到峰值。因此，本次試驗設置極化時間為10min。

2.1.3極化電壓對傳感器壓電性能的影響

設置極化間距為1cm，極化時間為10min，設置極化電壓為5、8、11kV，并記錄不同極化電壓下傳感器的壓電系數，結果如圖3所示。

由圖3可知，隨著極化電壓的增加，傳感器壓電系數快速增大后趨于穩定。分析其原因是極化電壓較小時，傳感器表面的電荷未飽和，因此其壓電系數較小。而隨著極化電壓增大，傳感器表面的電荷逐漸飽和，當極化電壓過大，由于傳感器表面電荷不再增加，故其壓電系數變化較小[19]。因此，本次實驗設置極化電壓為8kV。

基于上述試驗結果，最終確定本次試驗電暈極化的參數為極化間距1cm，極化時間為10min，極化電壓為8kV。該參數設置下，所設計的壓電傳感器壓電性能最高，壓電系數為18.25pC/N。

2.2傳感器靈敏性分析

基于上述電暈極化參數，制備得到壓電傳感器。為分析該壓電傳感器的靈敏性，將傳感器與直線電機進行連接，并在計算機上通過設置直線電機參數控制直線電機運動，產生不同大小的沖擊力擠壓傳感器。然后采用靜電計采集傳感器兩側的電位差，得到不同大小的沖擊力擠壓下所設計的壓電傳感器輸出電壓、電流、靈敏度如圖4所示。

由圖4可知，不同大小的沖擊力擠壓下，所設計的壓電傳感器輸出電壓、電流和靈敏度不同；隨沖擊力增大，壓電傳感器的輸出電壓、電流和靈敏度均逐漸增加，當沖擊力大小為120N時，所設計的壓電傳感器輸出電壓為4.9V，對應的輸出電流為4.6nA，靈敏度為5V。由此可知，所設計的壓電傳感器能有效檢測到信號變化，且具有較高的靈敏度。

2.3傳感器復用性分析

為分析所設計的壓電傳感器是否能長期重復使用，研究對所設計的壓電傳感器進行了100次彎曲試驗，每次彎曲時間為5s，間隔10s彎曲1次。然后采用示波器記錄傳感器每次彎曲前后的電壓響應信號，結果如圖5所示。

由圖5可知，所設計的壓電傳感器彎曲前后的電壓響應變化基本一致，說明所設計的壓電傳感器通過多次反復彎曲仍具備良好的響應性能，具有較強的復用性。

3基于傳感器的石油管道實時監測

通過上述試驗可知，所設計的壓電傳感器具有較高的靈敏度，因此本研究將所設計的傳感器應用于石油管道實時監測中，以提高石油管道監測靈敏度。考慮到實際石油管道在日常生活中難以接觸，故本研究以長為0.6m的?160×4的PVC管作為研究對象，模擬石油管道。PVC管兩端使用密封圈密封，并在距離首端0.2m處安裝泄漏閥門，模擬石油管道泄漏情況。

將所設計的傳感器部署于PVC管兩端，并先后通過DHF-6A電荷放大器、USB7360數據采集卡與計算機連接，實現石油管道實時監測。

將石油充滿管道并保持穩定，打開電荷放大器和計算機，在10s后打開泄漏閥，并基于計算機MAT?LAB軟件記錄傳感器監測的信號，結果如圖6所示。

對管道兩端的壓力信號進行濾波處理后，使用二進小波變換計算不同連續尺度下信號的模極大值，然后根據Lipschitz指數求解小波變換后的奇異性大小和位置，可得到管道首端傳輸到末端監測點的時間差為-0.0001s。

最后根據負壓波法計算公式[20]，可計算得到泄漏點距離首端的距離為0.22m。由于設置的管道泄漏點位于距離首端0.2m位置，因此可計算得到定位誤差為0.03%。

4結語

（1）電暈極化間距、極化時間、極化電壓對傳感器壓電性能具有一定影響。隨著極化間距的增加，傳感器的壓電系數逐漸減小；隨著極化時間和極化電壓的增加，傳感器壓電系數先增大后趨于平穩；

（2）當極化間距為1cm，極化時間為10min，極化電壓為8kV時，所設計的傳感器壓電性能最好，壓電系數為18.25pC/N；

（3）所設計的傳感器可靈敏地監測不同大小沖擊力的電壓、電流信號，且隨著沖擊力的增加，傳感器的電壓、電流信號強度越強。當沖擊力為120N時，所設計的壓電傳感器輸出電壓為4.9V，輸出電流為63nA，靈敏度為5V，具有較高的靈敏度；

（4）所設計的壓電傳感器通過100次反復彎曲后，仍具備良好的響應性能，具有較強的復用性；

（5）將所設計的壓電傳感器應用于石油管道實時監測中，其監測時間差為-0.0001s，對管道泄漏點的定位誤差為0.03%，可實現準確地石油管道實時監測，有效提高了石油管道實時監測的靈敏度和精度。