CN105466759B - 传感器安装座和安装方法及模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器安装座和安装方法及模型试验装置，该传感器安装座的纵截面为T形状，传感器安装座包含连接面和沿连接面延伸的用于安装传感器的圆柱凸台，所述连接面为圆面，圆面的直径不小于金属管安装孔直径的1.5倍，所述连接面的厚度为金属管壁厚的1/10～1/9，所述圆柱凸台的长度为金属管安装孔孔深的1.1～1.2倍。本发明的传感器安装座，将传感器安装座设计为T形状，连接面直径大于金属管安装孔直径的1.5倍，而连接面厚度为金属管壁厚的1/10～1/9，便于连接面与各种半径的高压输气管的相适配，而且焊接方便；本发明的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，通过传感器安装座连接各种传感器，各传感器的密封效果良好，爆破试验后的数据采集率达95％以上。

Description

传感器安装座和安装方法及模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种传感器安装座和安装方法及模型试验装置，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。

高压输气金属管气压爆破试验过程中，传感器安装与密封是确保试验成功的重要环节之一。通常试验采用的高压输气金属管尺寸较大、试验目标压力值较高，因此在金属管管壁上开孔安装传感器难以保证密封性。本发明提出的针对高压输气金属管气压爆破试验的传感器基座安装和密封方法，能确保金属管在充压及泄压的试验全过程中传感器安装部位的密封可靠性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种传感器安装座和安装方法及模型试验装置，通过涉及合适的传感器安装座，确保传感器在使用过程中密封可靠。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种用于安装在高压输气管上的传感器安装座，所述传感器安装座的纵截面为T形状，传感器安装座包含连接面和沿连接面延伸的用于安装传感器的圆柱凸台，所述连接面为圆面，圆面的直径不小于金属管安装孔直径的1.5倍，所述连接面的厚度为金属管壁厚的1/10～1/9，圆柱凸台的外直径比金属管安装孔直径小1～2mm，所述圆柱凸台的长度为金属管安装孔孔深的1.1～1.2倍，所述圆柱凸台内设有用于安装传感器的螺纹孔，螺纹孔的深度与传感器的螺纹长度相适配。

一种使用上述用于安装在高压输气管上的传感器安装座安装传感器的方法，包括以下步骤：

(1)确定合适的传感器螺纹长度：传感器螺纹长度为L，L＝z×B， 式中：F_w—最大轴向载荷，为管内目标压力值的130％～140％，N；D—外螺纹大径，mm；d₁-外螺纹小径，mm；d₂-外螺纹中径，mm；b—螺纹压根部宽度，mm；k_z—载荷不均系数；h—螺纹牙工作高度，为螺纹原始三角形高度H的5/8；B—螺距，mm；L—螺纹长度，mm；z—螺纹牙数；[τ]-螺纹牙型的剪切许用应力，MPa；[σ]-螺纹牙型的抗弯许用应力，MPa；[σ_p]-许用挤压应力，MPa；P为管内目标压力，MPa；

(2)加工合适大小的传感器安装座，在金属管上开设安装孔，安装孔开孔直径为传感器外径的2.5～3.5倍，将传感器安装座焊接在金属管上；

(3)传感器安装在传感器安装座上：用自动螺纹测试机对安装孔内螺纹的尺寸进行检测；用毛刷清理螺纹、纱布擦拭，然后用酒精清洗内外螺纹；将O型硅质橡胶密封圈置于传感器螺纹底部；在传感器和传感器安装座上的螺纹表面均匀涂抹一层620螺纹密封胶；待2分钟后，在处理后的传感器和传感器安装座上的螺纹表面涂抹一层620螺纹密封胶；待1分钟后，采用开口扳手将传感器旋入传感器安装座上，紧握住开口扳手用臂力旋转，拧紧；用3M双面胶充填在传感器与传感器安装座连接部位处，再用2层塑料薄膜将该部位包覆并扎紧，并用胶带缠绕塑料薄膜。

一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，包括压力传感器、金属管、时间探针单元和将动态信号采集系统，所述金属管的两端安装有封闭金属管的堵头，在金属管管壁上安装有若干个时间探针单元，在金属管的中心安装有初始裂缝引入装置，在金属管一端安装有压力传感器，在金属管另一端安装有温度传感器，金属管还与加压系统连接；在支撑金属管的支撑面上设有若干个自由场压力传感器和地面振动传感器，在垂直金属管轴线方向上安装有高速摄影机，所述压力传感器和温度传感器通过螺纹安装在如上述的传感器安装座上，若干个时间探针单元、温度传感器、压力传感器和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接，若干个自由场压力传感器通过低噪声同轴电缆与动态信号采集系统连接，动态信号采集系统输出端与计算机连接。

作为优选，所述压力传感器和温度传感器的螺纹长度分别为L，L＝z×B，

式中：F_w—最大轴向载荷，为金属管内目标压力值的130％～140％，N；D—外螺纹大径，mm；d₁-外螺纹小径，mm；d₂-外螺纹中径，mm；b—螺纹压根部宽度，mm；k_z—载荷不均系数；h—螺纹牙工作高度，为螺纹原始三角形高度H的5/8；B—螺距，mm；L—螺纹长度，mm；z—螺纹牙数；[τ]-螺纹牙型的剪切许用应力，MPa；[σ]-螺纹牙型的抗弯许用应力，MPa；[σ_p]-许用挤压应力，MPa；P为管内目标压力，MPa。

作为优选，所述金属管位于固定台的管槽内，管槽通过两端的钢筋混泥土锚固器将金属管固定，在固定台上设有两组摩擦桩，柔性索缠绕金属管，柔性索的两端分别固定在金属管两侧的摩擦桩上。

作为优选，在安装压力传感器的金属管截面外壁布置8个应变片，8个应变片分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统连接。

作为优选，所述8个应变片沿金属管截面的0°、45°、67.5°、112.5°、135°、180°、225°、315°分布，其中正对金属管的中心为0°，顺时针增大。

作为优选，所述自由场压力传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置。

作为优选，所述地面振动传感器有六个，分别在垂直金属管轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置。

作为优选，所述温度传感器位于金属管长度1/3处，压力传感器位于金属管长度1/4处，压力传感器安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。

有益效果：本发明的用于安装在高压输气管上的传感器安装座，将传感器安装座设计为T形状，连接面直径大于金属管安装孔直径的1.5倍，而连接面厚度为金属管壁厚的1/10～1/9，便于连接面与各种半径的高压输气管的相适配，而且焊接方便；本发明的安装传感器的方法，通过在传感器和传感器安装座上的螺纹分别涂上两次螺纹密封胶，使得传感器与传感器安装座密封性好，而且连接强度高；本发明的用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，通过传感器安装座连接各种传感器，各传感器的密封效果良好，爆破试验后的数据采集率达95％以上。

附图说明

图1为本发明的传感器安装座的结构示意图；

图2是本发明的模型试验装置的结构示意图；

图3是本发明金属管端部封堵方式示意图；

图4是本发明应变片安装截面位置示意图；

图5是本发明金属管约束固定示意图；

图6是本发明金属管管壁应变时程曲线；

图7是本发明金属管泄压过程压力时程曲线。

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7所示，本发明的一种用于安装在高压输气管上的传感器安装座，所述传感器安装座22的纵截面为T形状，传感器安装座22包含连接面和沿连接面延伸的用于安装传感器的圆柱凸台，所述连接面为圆面，圆面的直径不小于金属管1安装孔直径的1.5倍，所述连接面的厚度为金属管1壁厚的1/10～1/9，圆柱凸台的外直径比金属管1安装孔直径小1～2mm，所述圆柱凸台的长度为金属管1安装孔孔深的1.1～1.2倍，所述圆柱凸台内设有用于安装传感器的螺纹孔，螺纹孔的深度与传感器的螺纹长度相适配。

如图2至图5所示，一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验装置，包括压力传感器2、金属管1、时间探针单元18和将动态信号采集系统19，所述金属管1的两端安装有封闭金属管1的堵头5，并在堵头5的外侧焊接井字型的加强筋6，在金属管1管壁上安装有若干个时间探针单元18，在金属管1的中心安装有初始裂缝引入装置，在金属管1一端安装有压力传感器2，在金属管1另一端安装有温度传感器3，金属管1还与加压系统连接；在支撑金属管1的支撑面上设有若干个自由场压力传感器8和地面振动传感器，在垂直金属管1轴线方向上安装有高速摄影机10，所述压力传感器2和温度传感器3通过螺纹安装在如上述的传感器安装座22上，若干个时间探针单元18、温度传感器3、压力传感器2、若干个自由场压力传感器8和地面振动传感器分别通过信号屏蔽电缆与动态信号采集系统19连接，若干个自由场压力传感器8通过低噪声同轴电缆与动态信号采集系统19连接，动态信号采集系统19输出端与计算机20连接。

在本发明中，所述压力传感器2和温度传感器3的螺纹长度分别为L，L＝z×B，式中：F_w—最大轴向载荷，为金属管1内目标压力值的130％～140％，N；D—外螺纹大径，mm；d₁-外螺纹小径，mm；d₂-外螺纹中径，mm；b—螺纹压根部宽度，mm；k_z—载荷不均系数；h—螺纹牙工作高度，为螺纹原始三角形高度H的5/8；B—螺距，mm；L—螺纹长度，mm；z—螺纹牙数；[τ]-螺纹牙型的剪切许用应力，MPa；[σ]-螺纹牙型的抗弯许用应力，MPa；[σ_p]-许用挤压应力，MPa；P为管内目标压力，MPa。

如图4所示，所述金属管1位于固定台的管槽11内，管槽11通过两端的钢筋混泥土锚固器12将金属管1固定，在固定台上设有两组摩擦桩13，柔性索缠绕金属管1，柔性索的两端分别固定在金属管1两侧的摩擦桩13上。

如图3所示，在安装压力传感器22的金属管1截面外壁布置8个应变片7，8个应变片7分别通过信号屏蔽电缆17与动态信号采集系统19连接，所述8个应变片7沿金属管1截面的0°、45°、67.5°、112.5°、135°、180°、225°、315°分布，其中正对金属管1的中心为0°，顺时针增大。

在本发明中，所述自由场压力传感器8有六个，分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置，所述地面振动传感器9有六个，分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置。所述温度传感器33位于金属管1长度1/3处，压力传感器22位于金属管1长度1/4处，压力传感器22安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置。

在本发明中，选择的金属管1为无缝钢管，其长度为3m、直径为0.4m、壁厚为10mm，材质为Q235、杨氏模量E为210GPa、屈服强度σ_s为235MPa、抗拉强度为380MPa。管内目标压力设计系数取0.7，即金属管1的环向应力σ_h＝0.7σ_s，通过止裂韧性理论预测公式C_v＝k×σ_h ²(Rt)^1/3，式中C_v为金属管1夏比冲击吸收功，单位J；σ_h为金属管1环向应力，单位MPa；R为金属管1半径，单位mm；t为金属管1壁厚，单位mm；k为常数，k＝3.57×10^-5，计算得到金属管1的韧性应小于12J，因此，选择韧性为10J的金属管1进行试验。

一种用于高压输气金属管气压爆破试验的模型试验方法，包括以下步骤：

(1)选择的金属管1为无缝钢管，其长度为3m、直径为0.4m、壁厚为10mm，材质为Q235、杨氏模量E为210GPa、屈服强度σ_s为235MPa、抗拉强度为380MPa。管内目标压力设计系数取0.7，即金属管1的环向应力σ_h＝0.7σ_s，通过止裂韧性理论预测公式C_v＝k×σ_h ²(Rt)^1/3，式中C_v为金属管1夏比冲击吸收功，单位J；σ_h为金属管1环向应力，单位MPa；R为金属管1半径，单位mm；t为金属管1壁厚，单位mm；k为常数，k＝3.57×10^-5，计算得到金属管1的韧性应小于12J，因此，选择韧性为10J的金属管1进行试验；

(2)确定金属管1的管内目标压力、温度、初始裂缝长度：管内压力设计系数为0.7，由公式式中P为管内目标压力，单位MPa；σ_s为金属管1屈服应力，单位MPa；l为管内压力设计系数，取0.68～0.8；t为金属管1壁厚，单位m；R为金属管1半径，单位m，计算得到试验的目标压力为8.2MPa。

金属管1的目标温度定为10℃～30℃，当管内温度处于上述范围之内即可进行爆破；

根据以下公式计算可得c等于13cm，因此初始裂缝的长度应大于2c，最终确定初始裂缝的长度为28cm。

式中A_c为夏比冲击试样裂纹的面积，通常为8×10^-5m²；C_v为管材夏比冲击吸收功，单位J；c为初始裂缝长度的一半，单位mm；E为管材杨氏模量，单位Pa；σ_o为金属管1的流变应力，为金属管1屈服应力σ_s和拉伸强度σ_t的平均值，单位Pa；σ_h为金属管1的环向应力，单位Pa；M_t为膨胀因子；R为金属管1半径，单位mm；t为金属管1壁厚，单元mm，为实现裂纹的扩展，引入初始裂缝的长度必须大于2c；

(3)确定合适的传感器螺纹长度：根据目标压力计算出传感器的螺纹长度，传感器选择安装螺纹的为M20×1.5公制螺纹，大径D为20mm，中径d₂19.026mm，小径d₁为18.376mm。螺纹材料参数：材料屈服极限强度σ_s为360MPa；抗拉强度σ_b为600MPa，交变载荷n＝5；

许用剪切应力[τ]＝0.9[σ]＝96MPa，

许用弯曲应力[σ]＝0.4σ_s＝144MPa，

许用挤压应力[σ_p]＝0.4σ_s＝180MPa，

管道内部达到目标压力P为12MPa，

轴向推力

根据公式

计算得出：z＝2。为使螺纹连接安全可靠，选取螺纹牙数为5。计算得出螺纹长度：L＝z×B＝5×1.5mm＝7.5mm；

(4)加工合适的传感器安装座22：用管道开孔器在金属管1开设直径为50mm的安装孔，连接面直径为100mm，圆柱凸台为48mm；连接面上下表面均为弧形，其曲率半径与金属管1内壁匹配，为400mm，圆柱凸台长度为19.56mm，连接面厚度为1.1mm，在圆柱凸台内部设有一个中心孔，该孔上部为螺纹孔，下部为内壁光滑孔，其内螺纹尺寸大小与传感器外螺纹规格M20×1.5相匹配，光滑孔直径为30mm，将所述的传感器安装座22焊接在金属管1上；

(5)压力传感器2和温度传感器3安装在传感器安装座22上：用自动螺纹测试机对安装孔内螺纹的尺寸进行检测；用毛刷清理螺纹、纱布擦拭，然后用酒精清洗内外螺纹；将O型硅质橡胶密封圈置于传感器螺纹底部；在传感器和传感器安装座22上的螺纹表面均匀涂抹一层620螺纹密封胶；待2分钟后，在处理后的传感器和传感器安装座22上的螺纹表面涂抹一层密封胶；待1分钟后，采用开口扳手将传感器旋入传感器安装座22上，紧握住开口扳手用臂力旋转，拧紧；用3M双面胶充填在传感器与传感器安装座22连接部位处，再用2层塑料薄膜将该部位包覆并扎紧，并用胶带缠绕塑料薄膜；

(6)传感器和高速摄影仪安装

在安装压力传感器22的金属管1截面外壁布置8个应变片7，如图3所示；分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置一个自由场压力传感器8；分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置一个地面振动传感器9；在垂直金属管1轴向，距离起裂点18m位置安装高速摄影仪10。

(7)约束固定

如图5所示，在试验场开挖深60cm、长3.8m的管槽11；把金属管1放入管槽11中间位置，在金属管1两端浇筑尺寸为0.45×0.8×1m的钢筋混泥土锚固器12；在距离金属管1端部0.8m的位置值入两组摩擦桩13(长度1.5m、断面尺寸为0.2×0.2m)，再用柔性索缠绕金属管1，最后把柔性索两端分别固定在金属管1两侧的摩擦桩13上。

(8)加压系统安装

分别安装高压空气压缩装置14、加压与泄压转换装置4、高压输气管单元15、实时压力监控单元16。

(9)测试系统连接

如图2所示，采用信号屏蔽电缆17将时间探针单元18、压力传感器22、温度传感器33、应变片7、地震波振动传感器9分别与动态信号采集系统19连接；采用低噪声同轴电缆20连接自由场压力传感8与动态信号采集19系统；将动态信号采集系统19的信号输出端与计算机20连接。

(10)初始裂缝引入装置安装

在金属管1顶部中心位置沿金属管1轴向安装初始裂缝引入装置21。

(11)加压

采用高压空气压缩装置14对金属管1加压，同时实时监测管内气体压力和温度变化。当管内压力达到试验目标压力时停止加压并关闭加泄压装置14，卸除高压输气管单元16。

(12)确定模型试验测试内容

a裂纹扩展速度试验

1)当管内温度下降到28℃时，引爆初始裂缝引入装置21，在金属管1中心顶部引入初始裂缝；

2)设初始裂缝尖端位置L₀为0，初始裂缝位置时间探针单元18形成电压阶跃信号的时刻t₀为0；其余时间探针单元18从初始裂缝开始依次标记为L₁、L₂、L₃……L_i，与其对应的计算机20上形成电压阶跃信号的时间依次记为t₁、t₂、t₃……t_i，其中L_i表示第i个时间探针单元18到初始裂缝尖端的距离，t_i表示裂纹传播到第i个时间探针单元18的时间；则裂纹经过相邻时间探针单元18的平均速度V_i＝(L_i-L_i-1)/(t_i-t_i-1)，其中i＝1、2、3……n；然后以位移[(L_i-L_i-1)/2+L_i]为X轴和速度V_i为Y轴绘出距离-速度曲线，即可得到裂纹扩展到相应位置时所对应的裂纹扩展区间速度。

b管壁材料应变测试：在安装压力传感器2的金属管1截面外壁布设8个应变测点，应变测点沿截面环向呈左右对称布设，每个测点测试管壁面的环向应变和轴向应变，如图5所示，为管壁应变时程曲线。

c管内减压波传播规律试验：在距离金属管1中心左(右)侧0.25倍金属管1长的截面位置安装一个压力传感器2，用于测试加压过程管内压力和爆破过程中管内减压波传播规律，为避免影响裂纹的扩展，压力传感器2安装在偏离裂纹扩展线30°的截面位置，如图6所示，为管内压力时程曲线。

d管外冲击波压力场测试：分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点5m、10m、15m位置布置一个自由场压力传感器8，测试金属管1爆破形成空气冲击波传播到各测点的强度。

e管外地震波振动场测试。分别在垂直金属管1轴向和与轴向成45°夹角的方向，距离起裂点10m、20m、30m位置布置一个地面振动传感器，测试金属管1爆破形成地震波传播到各测点的质点运动速度。

实施效果：

试验金属管1在加压约20分钟后达到目标压力值；端部封堵效果和管体密封效果良好；爆破后金属管1运动被限制在约束范围内。

图6和图7分别给出了本次模型试验金属管1壁应变和管内气体减压波的测试结果。

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 (1)

1.一种用于安装在高压输气管上的传感器安装座安装传感器的方法，所述传感器安装座的纵截面为T形状，传感器安装座包含连接面和沿连接面延伸的用于安装传感器的圆柱凸台，所述连接面为圆面，圆面的直径不小于金属管安装孔直径的1.5倍，所述连接面的厚度为金属管壁厚的1/10～1/9，圆柱凸台的外直径比金属管安装孔直径小1～2mm，所述圆柱凸台的长度为金属管安装孔孔深的1.1～1.2倍，所述圆柱凸台内设有用于安装传感器的螺纹孔，螺纹孔的深度与传感器的螺纹长度相适配，所述输气管为金属管，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定合适的传感器螺纹长度：传感器螺纹长度为L，L＝z×B， 式中：F_w—最大轴向载荷，为管内目标压力值的130％～140％，N；d₁—外螺纹小径，mm；d₂—外螺纹中径，mm；b—螺纹压根部宽度，mm；k_z—载荷不均系数；h—螺纹牙工作高度，为螺纹原始三角形高度H的5/8；B—螺距，mm；L—螺纹长度，mm；z—螺纹牙数；[τ]—螺纹牙型的剪切许用应力，MPa；[σ]—螺纹牙型的抗弯许用应力，MPa；[σ_p]—许用挤压应力，MPa；

(2)加工合适大小的传感器安装座，在金属管上开设安装孔，安装孔开孔直径为传感器外径的2.5～3.5倍，将传感器安装座焊接在金属管上；

(3)传感器安装在传感器安装座上：用自动螺纹测试机对安装孔内螺纹的尺寸进行检测；用毛刷清理螺纹、纱布擦拭，然后用酒精清洗内外螺纹；将O型硅质橡胶密封圈置于传感器螺纹底部；在传感器和传感器安装座上的螺纹表面均匀涂抹一层620螺纹密封胶；待2分钟后，在处理后的传感器和传感器安装座上的螺纹表面涂抹一层620螺纹密封胶；待1分钟后，采用开口扳手将传感器旋入传感器安装座上，紧握住开口扳手用臂力旋转，拧紧；用3M双面胶充填在传感器与传感器安装座连接部位处，再用2层塑料薄膜将该部位包覆并扎紧，并用胶带缠绕塑料薄膜。