CN105486597A - 一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路 - Google Patents

一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，包括若干个时间探针模块、脉冲模块、隔离电路模块、供电模块和显示分析模块，一个时间探针模块与一个脉冲模块串联形成一个支路，若干个支路并联连接，每个支路的两端分别与隔离电路模块和供电模块连接，隔离电路模块的输出端与显示分析模块连接，每个脉冲模块中的脉冲宽度不同。本发明的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，通过设置不同脉冲模块的脉冲宽度，使得只需要两个测试通道就可以测试若干个时间探针模块，线路简单，测试操作方便；时间探针模块既有一定的动抗拉强度，以承受爆破冲击荷载作用，又能随管壁的裂开而同步断开，探测精度高。

Description

一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路
技术领域
本发明涉及一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，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。
高压金属管爆破试验中金属管的长度一般为几十至几百米。完成裂纹扩展速度测试通常需要几十至几百个通道的时间探针单元，若将这些时间探针单元都接入数据采集系统的每一个通道，则需要较大数量的采集系统进行同步使用，其线路繁杂，测试操作难度大。本发明提供了一种仅使用1个测试系统的2个通道，就可一次性进行大数量时间探针单元同时应用的裂纹扩展速度测试脉冲形成方法。
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金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，通过设置不同的脉冲宽度，使得若干个时间探针模块只需要有限个通道就可以测试。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，包括若干个时间探针模块、脉冲模块、隔离电路模块、供电模块和显示分析模块，一个时间探针模块与一个脉冲模块串联形成一个支路，若干个时间探针模块形成若干个支路，若干个支路并联连接，每个支路的两端分别与隔离电路模块和供电模块连接，隔离电路模块的输出端与显示分析模块连接；所述时间探针模块包含时间探针单元和调节电阻，时间探针单元与调节电阻串联，时间探针单元安装在高压输气管上，在高压输气管中心设有裂纹起裂装置，时间探针单元模块沿起裂装置对称分布；每个脉冲模块中的脉冲宽度不同。
作为优选，所述脉冲模块包含单稳态触发器、电阻RT和电容CT，电容CT连接在芯片CT引脚和RT/CT之间，电阻RT一端连接在芯片的RT/CT引脚上，脉冲宽度为TW＝0.45RTCT，每个脉冲模块中脉冲宽度TW均不同。
作为优选，所述时间探针单元为直径0.2mm～0.8mm、长度为金属管外壁面周长的漆包铜线。
作为优选，所述时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。
作为优选，所述时间探针单元在管壁上的布置间距为0.25m～1.0m。
作为优选，所述起裂装置包括切割装置和炸高器，所述切割装置包含壳体、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设有L型支撑板上，所述壳体的顶部设有若干个扩爆药，所述炸高器包含支撑件、固定支架和调节旋钮，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件。
作为优选，所述壳体和药型罩均包含线型主体和位于线型主体两端的“船”型端部，壳体线型主体为长方体等壁厚壳体，壳体船型端部为夹角型等壁厚壳体，药型罩为铅锑合金制成，药型罩线型主体为楔形变壁厚金属药型罩，药型罩船型端部为夹角型变壁厚金属药型罩。。
在本发明中，综合考虑材料的力学、电学性能等因素，选择直径为0.2mm～0.8mm的漆包铜线作为时间探针单元，使其既有一定的动抗拉强度，以承受爆破冲击荷载作用，又能随管壁的裂开而同步断开；时间探针单元(时间线)的长度应等于金属管外壁面的周长，以确保可靠获得断裂信号，同时便于与测试装置的连接和自身的防护。根据高压高韧性金属管裂纹传播特性，试验时金属管裂纹从初始裂纹两端开始，沿金属管轴向扩展，当达到止裂条件时，扩展方向会发生偏转。为准确测试金属管裂纹各阶段的扩展速度，时间探针单元中心应位于初始裂纹所在的管壁母线上，对称中心点绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。由于高压高韧性金属管裂纹预估传播速度为100m/s～350m/s，为准确捕捉到裂纹速度的变化，时间探针单元布置的间隔宜取0.25m～1.0m。
有益效果：本发明的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，通过设置不同脉冲模块的脉冲宽度，使得只需要两个测试通道就可以测试若干个时间探针模块，线路简单，测试操作方便；时间探针模块既有一定的动抗拉强度，以承受爆破冲击荷载作用，又能随管壁的裂开而同步断开，探测精度高。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为图1中脉冲模块的示意图；
图3为隔离电路的示意图；
图4为时间探针单元在金属管上的安装示意图；
图5为本发明中起裂装置的剖视图；
图6为本发明中起裂装置的安装示意图；
图7为本发明中切割装置组元侧视图；
图8为本发明中药型罩的结构示意图；
图9为本发明中壳体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
在高压金属输气管气压爆破试验中，试验金属管总长100m，直径1.219m。两端密封，管内充满12MPa的空气。使用起裂装置在试验金属管的中间引入初始裂缝，在管内高压气体的作用下，裂纹从中间向两边扩展。为获得裂纹扩展速度，采用该网路进行测试。网路连接图如图1所示，一个时间探针模块3与一个脉冲模块2串联成一个支路，每个支路并联，并由干路上的供电模块1供电，干路两端接入隔离电路模块4输入端，隔离电路模块4输出端经由长距离线缆将信号传输至显示分析模块5
在本发明中，供电模块1由交流供电组件和直流供电组件组成。交流供电组件包含交直流转换器和稳压装置，正常情况下由其为系统供电；在可能遇到交流电断路的情况下，无间隔切换至直流供电组件供电，构成不间断电源。供电模块1置于爆破试验的安全距离外。
在本发明中，时间探针模块3由时间探针单元14、调节电阻及其连接线缆组成。时间探针单元14选用长度为3.83m、直径0.4mm的漆包线。漆包线对折后沿金属管环向粘贴，如图4所示，即1.195安装在金属管上，沿金属管起裂装置所在的母线对称分布，时间探针单元14间隔0.5m设置一个。漆包线一端连接100欧姆的调节电阻，一端连接至供电模块1和隔离电路模块4。所有时间探针模块3从金属管中心至两端分为两组，每组100个。
在本发明中，脉冲模块2采用集成单稳态触发器74LS123和电阻RT和电容CT组成。其连接电路如图2所示。一个单稳态触发器74LS123由两个单稳模块组成，故相邻两个时间探针模块3焊接在一块74LS123芯片的引脚上。其中电容CT连接在芯片CT引脚和RT/CT之间，电阻RT一端连接在芯片的RT/CT引脚上，一端和引脚B一起连接在供电模块1正极。引脚A连接在时间模块的电阻一端，引脚Q连接至供电模块1和隔离电路模块4。所有芯片和元件焊接与PCB电路板上，并粘贴在金属管管壁上。
不同时间模块设置不同的电阻RT和电容CT，用以输出不同宽度的脉冲信号。脉冲宽度计算公式为：
TW＝0.45RTCT
其中TW为脉冲宽度，单位ns，RT为调节电阻，单位KΩ，CT为调节电容，单位pF，且必须大于1000pF。
电容CT固定值2000Pf，最靠近中心的脉冲模块2调节电阻RT为200Ω，即初始脉冲宽度为180ns。下一个脉冲模块2的调节电阻RT为400Ω，以此类推，每一级增加200Ω，一直到调节电阻RT到达2000Ω时，再进行下一个循环，即从200Ω开始，CT电容值增大300Pf，一组线路中共10个循环。
在本发明中，隔离电路模块4由隔离放大器与二极管组成，隔离电路模块4基于ISO130光电隔离放大器构成，结构框图如图3。其输入引脚INPUT与供电模块1、时间探针模块3以及脉冲模块2相连，其输出引脚OUTPUT与现实分析模块相连。信号输入后经过模数转换器输入到耦合器，耦合器的信号经过数模转换器和滤波器之后通过输出引脚OUTPUT输出，隔离电路模块4由聚乙烯电路盒封装处理，并固定安装在试验金属管两端。采用精密线性光耦合器作为隔离放大器的主要部件，该耦合器由一个红外光发射LED照射到分叉配置的隔离反馈光敏二极管和一个输出光敏二极管组成。
本试验中，显示分析模块5由DH5960动态数据采集仪和笔记本电脑组成。将隔离电路模块4的输出端连接屏蔽电缆，连入DH5960动态数据采集仪，每组网路独立两路各接入两个通道，两组共四个通道。数据采集仪通道参数为电压测量，采集频1MHz，数据显示并存储在与其相连的笔记本电脑之中。该模块也设置在爆破危险范围之外，本试验中，距离爆破中心500m。
在本发明中，所述起裂装置包括切割装置和炸高器，所述切割装置包含壳体6、位于壳体6内部的主装药7和药型罩8，所述壳体6的两侧均设有L型支撑板上，所述壳体6的顶部设有若干个扩爆药13，所述炸高器包含支撑件9、固定支架12和调节旋钮10，L型支撑板通过调节旋钮10与支撑件9连接，在药型罩8的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件11。所述壳体6和药型罩8均包含线型主体和位于线型主体两端的“船”型端部，壳体线型主体16为长方体等壁厚壳体，壳体船型端部17为夹角型等壁厚壳体，药型罩为铅锑合金制成，药型罩线型主体18为楔形变壁厚金属药型罩，药型罩船型端部19为夹角型变壁厚金属药型罩，如图7、图8、图9所示。药型罩线型主体18为楔形变壁厚金属药型罩，船型端部19为夹角型变壁厚金属药型罩，药型罩线型主体18底部口宽27mm，开口角度110°，线型主体母线20长度19mm，船型端部19长度21mm，开口角度65.5°，线型主体18和船型端部19顶部厚度1mm，底部厚度2mm。壳体2壁厚2mm，采用铸装装药8701作为主装药，主装药高度1.9cm，采用特屈儿作为扩爆药。所述起裂装置通过炸高器的调节，可以形成不同的裂纹，适合不同的试验要求。
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 (7)

1.一种高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：包括若干个时间探针模块、脉冲模块、隔离电路模块、供电模块和显示分析模块，一个时间探针模块与一个脉冲模块串联形成一个支路，若干个时间探针模块形成若干个支路，若干个支路并联连接，每个支路的两端分别与隔离电路模块和供电模块连接，隔离电路模块的输出端与显示分析模块连接；所述时间探针模块包含时间探针单元和调节电阻，时间探针单元与调节电阻串联，时间探针单元安装在高压输气管上，在高压输气管中心设有裂纹起裂装置，时间探针单元模块沿起裂装置对称分布；每个脉冲模块中的脉冲宽度不同。
2.根据权利要求1所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述脉冲模块包含单稳态触发器、电阻RT和电容CT，电容CT连接在芯片CT引脚和RT/CT之间，电阻RT一端连接在芯片的RT/CT引脚上，脉冲宽度为TW＝0.45RTCT，每个脉冲模块中脉冲宽度TW均不同。
3.根据权利要求1所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述时间探针单元为直径0.2mm～0.8mm、长度为金属管外壁面周长的漆包铜线。
4.根据权利要求3所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述时间探针单元中心位于初始裂纹所在的管壁母线上，时间探针单元绕金属管截面180°安装在金属管外壁面上，垂直于管壁母线。
5.根据权利要求4所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述时间探针单元在管壁上的布置间距为0.25m～1.0m。
6.根据权利要求1所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述起裂装置包括切割装置和炸高器，所述切割装置包含壳体、位于壳体内部的主装药和药型罩，所述壳体的两侧均设有L型支撑板上，所述壳体的顶部设有若干个扩爆药，所述炸高器包含支撑件、固定支架和调节旋钮，L型支撑板通过调节旋钮与支撑件连接，在药型罩的下方设有连接两侧L型支撑板的伸缩件。
7.根据权利要求6所述的高压金属输气管裂纹扩展测试系统的脉冲形成网路，其特征在于：所述壳体和药型罩均包含线型主体和位于线型主体两端的“船”型端部，壳体线型主体为长方体等壁厚壳体，壳体船型端部为夹角型等壁厚壳体，药型罩为铅锑合金制成，药型罩线型主体为楔形变壁厚金属药型罩，药型罩船型端部为夹角型变壁厚金属药型罩。
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