CN105352810A - 高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置及方法，包括安装起裂装置和压力传感器，所述压力传感器与信号调理单元连接，信号调理单元依次与信号传输单元和数据采集单元连接，所述压力传感器位于沿金属管截面顶部两侧12°～20°范围内；所述金属管固定在管槽内，管槽的两端安装有锚固器，在金属管的两侧设有若干组摩擦桩，每组摩擦桩包含两个摩擦桩单元，在摩擦桩单元上缠绕固定高压金属输气管的固定柔性钢索。本发明的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，将压力传感器安装在金属管截面顶部两侧12°～20°范围内，可以不影响裂纹扩展的情况下，快速响应的检测到减压波，使得测试结果精度高。

Description

高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置及方法

技术领域

本发明的一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置及方法，属于气体液体高压管道输送工程的技术与安全领域。

背景技术

高压输气管道在运行过程中，因管内压力变化、管道材料疲劳或受损，以及外部作用等原因，导致管道在某处产生管壁裂纹进而出现长距离扩展，不仅会造成严重经济损失和环境污染，还将形成地面人员伤亡、建筑物及设施破坏受损等灾难性事故。因此，为尽量减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管道的裂缝形成及扩展的力学行为研究。研究表明，结构性止裂控制是输气金属管道延性止裂的有效控制方法，而高压金属管爆破试验是研究结构性止裂控制的重要手段。

爆破泄压过程中管内减压波传播特性的测试是金属管爆破试验的重要内容之一。输气管内减压波的形成和传播机理是，管壁裂纹起裂瞬间，管内高压气体即开始泄压，由起裂点产生减压波在管内向两侧传播。当减压波速度低于管道裂纹扩展速度时，将造成裂纹持续扩展而不能止裂，当减压波速度高于裂纹扩展速度时，裂纹将在扩展一定距离后止裂。因此，对高压输气金属管内减压波的测试分析是研究管道止裂特性的重要途径

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置及方法，能够准确有效的测试减压波的速度，精度高。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，包括安装在金属管顶端上的起裂装置和安装在金属管上的若干个压力传感器，所述压力传感器与信号调理单元连接，信号调理单元依次与信号传输单元和数据采集单元连接，所述压力传感器位于沿金属管截面顶部两侧15°～30°范围内，所述金属管固定在管槽内，管槽的两端安装有锚固器，在金属管的两侧设有若干组摩擦桩，每组摩擦桩包含两个摩擦桩单元，在摩擦桩单元上缠绕固定高压金属输气管的固定柔性钢索，在管槽下方设有支撑层，支撑层上设有若干根固定桩，固定桩的顶部与管槽的底端平齐。

作为优选，所述压力传感器相邻之间的初始距离较小，后续距离较大。

作为优选，所述压力传感器距离起裂装置的距离分布为2.5、2.5、5、5，m单位为m，则总得压力传感器个数n＝L/2m+4，L为金属管的总长度，单位为m。

作为优选，所述压力传感器为压阻式压力传感器。

所述支撑层包括碎石层和位于碎石层下方的素混凝土层。

作为优选，所述管槽中高压金属输气管对称中心点的下方均匀分布九根固定桩，九根固定座呈3*3排列，在高压金属输气管环焊缝两侧均设有一根固定桩，在高压金属输气管两端端部的下方设有四根固定桩，四根固定桩呈正方形。

作为优选，所述每组摩擦桩中的两个摩擦桩单元沿高压金属输气管轴线对称分布，摩擦桩单元与竖直方向呈75°夹角，摩擦桩单元插入到固定座的深度不小于1.5倍高压金属输气管的管径，摩擦桩单元在固定座上的插入点距高压金属输气管外缘的距离不大于2倍管径。

作为优选，所述锚固器包含锚杆和编筋，锚杆与地基连接，锚杆露出地基的长度不大于1.5倍管径，编筋安装在锚杆上，编筋分别两层，每层的纵筋为螺纹钢、横筋为圆钢，纵筋和横筋编制成网格，在编筋浇筑混泥土。

一种上述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试方法，包括以下步骤：

(1)选择合适的压力传感器，确定压力传感器的安装位置和压力传感器的间距；

(2)将压力传感器与信号调理单元、信号传输单元和数据采集单元连接；

(3)启动起裂装置，压力传感器所采集的信号经过信号调理单元和信号传输单元传输到数据采集单元中；

(4)初始裂缝尖端位置N₀为0，金属管各压力传感器位置依次为N₁、N₂、N₃……N_i，通过分析数据采集单元中的压力-时间曲线和裂纹扩展速度曲线，得到减压波传播至各测点的时间，依次记为t₁、t₂、t₃……t_i，其中N_i表示测点到初始裂缝尖端的距离，t_i表示减压波传播到测点的时间；则减压波的平均速度为V_i＝(N_i-N_i-1)/(t_i-t_i-1)。

在本发明中，压力传感器的选型主要考虑因素是高压输气管爆破泄压产生的管内减压波特性和测试环境。压力传感器应具有较高的固有频率、极短的上升时间和宽广优良的响应频段，以保证足够的动态测试精度，且压力传感器芯片防光抗干扰性强。压力传感器主要包括压电式和压阻式压力传感器两类，前者由于阻抗高、输出电荷信号抗干扰能力差及后续电路复杂等缺点，故选择压阻式压力传感器。

在本发明中，根据金属管爆破泄压特征和减压波特性，确定各测点的设置间距、测点数量和测点间的空间位置关系。由于高压金属输气管气压爆破试验需测量应变、裂纹扩展速度、温度等多项参数，因此用于减压波测量的压力传感器测点位置需综合考虑各种因素，既要确保减压波数据的有效采集，又不能影响其它试验数据的获取。

测点空间位置：由于爆破试验的裂纹是沿管道顶部扩展的，要得到理想的测试效果，测点位置既不能位于裂纹扩展线上，又不能距裂纹扩展线太远，应选择距裂纹扩展线的一定距离r位置处。假设裂纹扩展轴向驱动力为q，压力传感器安装孔半径为a，压力传感器安装孔中心到裂纹扩展线距离为r，根据弹塑性力学圣维南原理，压力传感器安装孔附近的应力分布如下：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{q}{2}(1-\frac{a^2}{r^2})+\frac{q}{2}(1+\frac{3a^4}{r^4}-\frac{4a^2}{r^2})cos2\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{q}{2}(1+\frac{a^2}{r^2})-\frac{q}{2}(1+\frac{3a^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

${\mathrm{\τ}}_{r\mathrm{\θ}}=-\frac{q}{2}(1-\frac{3a^4}{r^4}+\frac{2a^2}{r^2})sin2\mathrm{\θ}---\left(3\right)$

由上式可知，当r＝10a时，σ_θ＝1.00515q，此时应力集中的影响范围可以忽略不计。由此确定测点位置距裂纹扩展线10～15倍压力传感器安装孔半径、沿金属管截面顶部两侧各θ(12°～20°)的范围内选择。

在本发明中，基于高压金属输气管内减压波的传播特性，提出减压波的传播速度估算式为：

$v_d=\frac{v_a}{\mathrm{\γ}-1}\[(\mathrm{\γ}+1){\left(\frac{p_d}{p_i}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{2\mathrm{\γ}}}-2\]---\left(4\right)$

式中：γ为初始比热比；p_d为减压波前沿经历各点减压波的压力；p_i为断裂前气体的起始压力；v_d为减压波速度，且v_d＝v_a-v₀；v_a为声波在该介质中的速度；v₀为气体的流速。

通过估算式(4)得知，不同位置处的减压波速度随压力的降低而减小，在试验初始阶段，管内气体压力高，减压波传播速度快；随着裂纹的快速扩展，管内压力逐渐减小，减压波速度逐渐降低。为了得到准确的减压波曲线，其初始测点间距较小，后续间距逐渐变大。

在本发明中，信号捕捉单元为压力传感器，信号调理单元由电源电路、补偿电路、放大电路等组成。由于压阻式压力传感器输出为mV级差分弱信号，且存在零位温漂等误差，因此需要对原始信号进行补偿、放大。放大处理差分信号时，先用仪表放大器对动态小信号进行放大，再利用运算放大器对动态信号进一步放大。数据传输单元由电缆、网线等数据传输介质组成，其功能是将压力传感器捕捉到的信号传输到数据采集单元。数据采集单元作用是采集、存储及整理分析数据。

有益效果：本发明的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，将压力传感器安装在金属管截面顶部两侧12°～20°范围内，可以不影响裂纹扩展的情况下，快速响应的检测到减压波，使得测试结果精度高；而且由于金属管固定在管槽内，金属管的两端通过锚固器固定，金属管在起裂装置工作时，金属管不会移动，影响传感器的工作；本发明的方法通过采集减压波的压力-时间曲线和裂纹扩展速度曲线，准确的得出减压波传播至各测点的时间，测得的减压波波速准确，精度高。

附图说明

图1为本发明中压力传感器安装孔周边应力分布；

图2为本发明压力传感器空间位置示意图；

图3是本发明的压力传感器布设示意图；

图4是本发明的系统组成图；

图5为1号压力传感器的压力与时间图；

图6为2号压力传感器的压力与时间图；

图7为本发明中固定桩设置位置示意图；

图8为本发明中支撑层和锚固器结构示意图；

图9为本发明中摩擦桩-固定柔性钢索结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图9所示，本发明的一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，包括安装在金属管顶端上的起裂装置和安装在金属管上的若干个压力传感器，所述压力传感器为压阻式压力传感器，所述压力传感器与信号调理单元连接，信号调理单元依次与信号传输单元和数据采集单元连接，所述压力传感器位于沿金属管截面顶部两侧12°～20°范围内，即如图2所示，压力传感器与圆心的直线与竖直距离的夹角θ，12°≤θ≤20°，θ优选为20°。

所述压力传感器相邻之间的初始距离较小，后续距离较大，优选为压力传感器距离起裂装置的距离分布为m、m、2m、2m、...、2m，m单位为m，则总得压力传感器个数n＝L/2m+4，L为金属管的总长度，单位为m。

在本发明中，高压金属输气管1位于管槽内，管槽的两端安装有锚固器3，在固定台上设有若干组摩擦桩，每组摩擦桩包含两个摩擦桩单元6，在摩擦桩单元6上缠绕固定高压金属输气管1的固定柔性钢索7，在管槽下方设有支撑层，支撑层上设有若干根固定桩2，固定桩2的顶部与管槽的底端平齐。

如图7所示，在高压金属输气管1起裂点下方地基2×2米的区域内均匀分布植入9根固定桩2，固定桩2为钢管或钢筋混凝土桩，长度一般为2～3米、断面尺寸分别为φ20和0.3×0.3米；在高压金属输气管1环焊缝两侧各植入一根固定桩2，间距为0.4米；在高压金属输气管1端部下方边长0.4米正方形的每个直角处各植入1根固定桩2；上述固定桩2的顶部应与管槽底部平齐，固定桩2植入后在管槽底部先浇筑厚度为0.2米的素混凝土层4，待混凝土初凝后再敷设粒径0.02米、厚0.2米的碎石层5，如图8所示。

在本发明中，锚固器3为钢筋混凝土浇筑而成的构筑物。锚固器3通过8根锚杆与地基连接，锚杆长度一般为3米，露出管槽地面的长度为管径的1.5倍，锚固器3的编筋分为上下两层，采用φ16(纵筋)螺纹钢和φ10(横筋)圆钢，按间距为0.2×0.16米的网格编制，网格节点采用焊接方法固定。锚固器3内部与试验金属管端部浇筑接触，锚固器3底部深入管槽基础0.4米，其外部尺寸为：长度为2.5倍管径，宽度和高度均为2倍管径。

如图3所示，所述每组摩擦桩中的两个摩擦桩单元6沿高压金属输气管1轴线对称分布，摩擦桩单元6与竖直方向呈75°夹角，摩擦桩单元6插入到固定座的深度不小于1.5倍高压金属输气管1的管径，摩擦桩单元6在固定座上的插入点距高压金属输气管1外缘的距离不大于2倍管径。

在本发明中，管槽采用半开挖或全开挖方式。管槽尺寸为：宽度为1.5～2倍管径；长度为金属高压金属输气管1长度加两端锚固器3沿管槽轴向的长度；深度视试验要求而定，一般为0.8～3倍管径，本发明选用2倍管径。

本发明设置步骤应按照以下步骤进行：管槽开挖：根据管体尺寸、按照试验要求开挖管槽；地基处理；端部锚固器3底座浇筑；摩擦桩-柔性索设置：待地基和端部锚固器3混凝土初凝后设置摩擦桩，柔性钢锁与管体缠裹；管体放置：管体与柔性钢索7一起放入管槽；端部锚固器3上部浇筑；回填：填充管体以外的管槽空隙处。

一种上述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试方法，包括以下步骤：

(1)选择压阻式压力传感器，压力传感器参数为：压力量程：0～50MPa；固有频率：大于等于320kHz；上升时间：小于0.5us；非线性：±0.2％～±1％；测量介质温度：-50～120℃，压力传感器的θ为15°，压力传感器的间距为2.5、2.5、5、5、5和金属管管端位置，共12个压力传感器；

(2)将压力传感器安装在高压金属管上，将高压金属管固定在管槽中；

(3)将压力传感器与信号调理单元、信号传输单元和数据采集单元连接；

(4)启动起裂装置，压力传感器所采集的信号经过信号调理单元和信号传输单元传输到数据采集单元中；

(5)1号压力传感器距离起裂装置的距离为2.5m，2号压力传感器距离起裂装置的距离为5m，如图5和图6所示，1号压力测点的压力从4.7ms开始泄压，到14.0ms左右时压力从最初的12.3MPa降到0MPa，整个截面泄压历时9.3ms。2号压力测点的压力从11.2ms左右开始泄压，到31.0ms左右时压力从12.1MPa降到0MPa，整个截面泄压历时约20.7ms，则减压波在1号压力传感器与2号压力传感器之间的传播平均速度为384m/s。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，其特征在于：包括安装在金属管顶端上的起裂装置和安装在金属管上的若干个压力传感器，所述压力传感器与信号调理单元连接，信号调理单元依次与信号传输单元和数据采集单元连接，所述压力传感器位于沿金属管截面顶部两侧12°～20°范围内；所述金属管固定在管槽内，管槽的两端安装有锚固器，在金属管的两侧设有若干组摩擦桩，每组摩擦桩包含两个摩擦桩单元，在摩擦桩单元上缠绕固定高压金属输气管的固定柔性钢索，在管槽下方设有支撑层，支撑层上设有若干根固定桩，固定桩的顶部与管槽的底端平齐。

2.根据权利要求1所述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，其特征在于：所述压力传感器相邻之间的初始距离较小，后续距离较大。

3.根据权利要求2所述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，其特征在于：所述压力传感器距离起裂装置的距离分布为m、m、2m、2m、...、2m，m单位为m，则总得压力传感器个数n＝L/2m+4，L为金属管的总长度，单位为m。

4.根据权利要求3所述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试装置，其特征在于：所述压力传感器为压阻式压力传感器。

5.根据权利要求4所述的高压金属输气管气压爆破试验泄压中管体约束装置，其特征在于：所述支撑层包括碎石层和位于碎石层下方的素混凝土层。

6.根据权利要求5所述的高压金属输气管气压爆破试验泄压中管体约束装置，其特征在于：所述管槽中高压金属输气管对称中心点的下方均匀分布九根固定桩，九根固定座呈3*3排列，在高压金属输气管环焊缝两侧均设有一根固定桩，在高压金属输气管两端端部的下方设有四根固定桩，四根固定桩呈正方形。

7.根据权利要求6所述的高压金属输气管气压爆破试验泄压中管体约束装置，其特征在于：所述每组摩擦桩中的两个摩擦桩单元沿高压金属输气管轴线对称分布，摩擦桩单元与竖直方向呈75°夹角，摩擦桩单元插入到固定座的深度不小于1.5倍高压金属输气管的管径，摩擦桩单元在固定座上的插入点距高压金属输气管外缘的距离不大于2倍管径。

8.根据权利要求7所述的高压金属输气管气压爆破试验泄压中管体约束装置，其特征在于：所述锚固器包含锚杆和编筋，锚杆与地基连接，锚杆露出地基的长度不大于1.5倍管径，编筋安装在锚杆上，编筋分别两层，每层的纵筋为螺纹钢、横筋为圆钢，纵筋和横筋编制成网格，在编筋浇筑混泥土。

9.一种如权利要求4或8所述的高压输气金属管气压爆破试验管内减压波测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选择合适的压力传感器，确定压力传感器的安装位置和压力传感器的间距；

(2)将压力传感器与信号调理单元、信号传输单元和数据采集单元连接；

(3)启动起裂装置，压力传感器所采集的信号经过信号调理单元和信号传输单元传输到数据采集单元中；

(4)初始裂缝尖端位置N₀为0，金属管各压力传感器位置依次为N₁、N₂、N₃……N_i，通过分析数据采集单元中的压力-时间曲线和裂纹扩展速度曲线，得到减压波传播至各测点的时间，依次记为t₁、t₂、t₃……t_i，其中N_i表示测点到初始裂缝尖端的距离，t_i表示减压波传播到测点的时间；则减压波的平均速度为V_i＝(N_i-N_i-1)/(t_i-t_i-1)。