CN108211191A - 一种通断型爆裂预警探测线缆及探测器 - Google Patents

Abstract

一种通断型爆裂预警探测线缆及探测器。其中包括通断型爆裂预警探测线缆敷设在被保护的压力容器或压力管道外壁面上，是在作为探测线缆母材的金属或非金属导电丝上沿纵向设置多个缺口而制成，相邻缺口间的节距为L，以使带缺口爆裂预警探测线缆上缺口处的横截面积小于未设置缺口部位的横截面积。探测器包括通断型爆裂预警探测线缆和监测盒。本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆及探测器具有如下优点：报警灵敏度更高、制造选材容易且适用范围广大、环境温度升高及长期工作引起的报警灵敏度下降更少。

Description

一种通断型爆裂预警探测线缆及探测器

技术领域

本发明属于消防安全技术领域，特别是涉及一种通断型爆裂预警探测线缆及探测器。

背景技术

在消防领域中，爆裂预警探测探测器是一种用于防止压力容器或压力管道爆裂的重要预警装置，它由两部分构成，如图1所示，即由爆裂预警探测线缆2(也称为线型变形量传感元件或变形量探测线缆)及与爆裂预警探测线缆2两端电连接的监测盒1构成。

通常爆裂预警探测线缆2被固定在压力容器或压力管道的外壁上，发生在压力容器或压力管道上的微小拉伸塑性变形会及时向爆裂预警探测线缆2传递，使爆裂预警探测线缆2也发生拉伸微变形，连接在爆裂预警探测线缆2两端的监测盒1会实时检测爆裂预警探测线缆2的微拉伸变形量。当该变形量达到设定值时，监测盒1将进行报警或向外发出报警信号，以提醒有关人员及时采取措施。由此来防止压力容器或压力管道进一步发生断裂及爆炸。

中国发明专利第200710150126.7中公开了一种消防压力气瓶，其核心就是安装在压力气瓶表面的爆裂预警探测线缆及探测器。在该专利中公布的各种不同类型的爆裂预警探测器中，有一种为通断型爆裂预警探测器，其特点在于爆裂预警探测线缆为导电丝，导电丝的塑性较低(低拉长延伸率)，监测盒随时检测爆裂预警探测线缆的通断状态，发生在压力气瓶外壁的局部塑性拉伸变形会引起爆裂预警探测线缆先于压力气瓶的爆裂而断裂，监测盒检测到爆裂预警探测线缆回路断开后立即进行报警。这种通断型爆裂预警探测线缆及探测器具有结构简单，成本低，可靠性高等优点，目前已被广泛应用。但是这种爆裂预警探测线缆及探测器仍存在报警灵敏度低、制造选材困难、因此适用范围小、使用环境温度升高报警灵敏度降低、长期工作报警灵敏度降低(即稳定性低)等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种通断型爆裂预警探测线缆及探测器。

为了达到上述目的，本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆敷设在被保护的压力容器或压力管道外壁面上，是在作为探测线缆母材的金属或非金属导电丝上沿探测线缆母材长度方向设置多个缺口而制成，以使通断型爆裂预警探测线缆上缺口处的横截面积小于缺口位置的探测线缆母材的原始横截面积，通断型爆裂预警探测线缆分成节长为L的多节探测线缆，每节探测线缆中设置一个缺口。

所述的缺口是在探测线缆母材的圆周面上向内凹陷或向内开孔形成，缺口呈梯形、环形、V型、U型在内的规则形状，或不规则形状；缺口能够在探测线缆母材的周向上单侧、双侧或多侧形成；节长L在0.2～30mm之间选取。

所述的缺口采用电火花雕刻、磨具打磨、激光打标或激光雕刻、滚轮滚花、轧辊压制、局部药剂腐蚀在内的方式形成，并且能够是横向切口、纵向切口、斜线切口、圆柱通孔或盲孔。

所述的探测线缆母材采用金属导电丝时，通断型爆裂预警探测线缆上缺口3处的缺口面积比A1/A0小于等于屈强比σS/σb，大于0.01，其中A1为通断型爆裂预警探测线缆上缺口处的最小横截面积，A0为与最小横截面位置对应的未设置缺口前探测线缆母材的原始横截面积，σS、σb分别为探测线缆母材的屈服强度与抗拉强度。

所述的节长L小于4δ大于0.02δ，其中δ为被保护的压力容器或压力管道的壁厚。

所述的探测线缆母材的延伸率大于1.2％，小于100％。

本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆的探测器包括通断型爆裂预警探测线缆和与通断型爆裂预警探测线缆两端电连接的监测盒。

本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆及探测器具有如下优点：

报警灵敏度更高、制造选材容易且适用范围广大、环境温度升高及长期工作引起的报警灵敏度下降更少。

附图说明

图1为一种已有技术的爆裂预警探测器结构示意图。

图2为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆及探测器结构示意图。

图3为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口结构示意图，其中图3(a)和图3(a)’分别为梯形缺口时爆裂预警探测线缆纵向剖视和A-A向剖视图；图3(b)和图3(b)’分别为环形缺口时爆裂预警探测线缆纵向剖视和A-A向剖视图；图3(c)和图3(c)’分别为V型缺口时爆裂预警探测线缆纵向剖视和A-A向剖视图；图3(d)和图3(d)’分别为U型缺口时爆裂预警探测线缆纵向剖视和A-A向剖视图。

图4为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上双侧缺口结构示意图，其中图4(a)和图4(b)分别为双侧缺口时爆裂预警探测线缆纵向剖视和A-A向剖视图。

图5为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口在不同周向时结构示意图，其中图5(a)爆裂预警探测线缆正视图，图5(b)、图5(c)和图5(d)分别为图5(a)A-A向、B-B向、C-C向剖视图。

图6为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上节长示意图。

图7为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口间距示意图。

图8(b)和图8(a)分别为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口处最小横截面的形心和最小截面位置的探测线缆母材的原始横截面的形心重合时结构示意图；图8(d)和图8(c)分别为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口处最小横截面的形心和最小截面位置的探测线缆母材的原始横截面的形心不重合时结构示意图。

图9为本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆上缺口形式示意图，其中图9(a)和图9(a)’分别为横向切口时爆裂预警探测线缆正视图和A-A向剖视图；图9(b)和图9(b)’分别为纵向切口时爆裂预警探测线缆正视图和A-A向剖视图；图9(c)和图9(c)’分别为斜线切口时爆裂预警探测线缆正视图和A-A向剖视图；图9(d)和图9(d)’分别为圆柱通孔时爆裂预警探测线缆正视图和A-A向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆及探测器进行详细说明。与已有技术相同的部件采用相同的附图标号，并省略对其进行的详细说明。

实施例一

如图2所示，本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆4敷设在被保护的压力容器或压力管道外壁面上，是在作为探测线缆母材的金属或非金属导电丝上沿探测线缆母材长度方向设置多个缺口3而制成，以使通断型爆裂预警探测线缆4上缺口3处的横截面积小于缺口3位置的探测线缆母材的原始横截面积，通断型爆裂预警探测线缆4的节长为L，每一节里有一个缺口3。所谓探测线缆母材，指的是设置缺口之前的探测线缆，所谓原始横截面积，指的是探测线缆母材的横截面积。

所述的通断型爆裂预警探测线缆4利用绝缘涂料或绝缘胶以直线或螺旋的方式固定或敷设在被保护的压力容器或压力管道外壁面上，使通断型爆裂预警探测线缆4与被保护对象的外壁面绝缘并粘接在一起。所谓绝缘是指相对绝缘，绝缘电阻的降低程度以不影响对通断型爆裂预警探测线缆4通断状态的准确判断为原则。所谓绝缘可以在通过通断型爆裂预警探测线缆4与被保护对象的外壁之间设置绝缘涂料层或绝缘胶层来实现，也可以在通断型爆裂预警探测线缆4与被保护对象外壁之间设置绝缘层，绝缘层的两面分别与通断型爆裂预警探测线缆4及被保护对象外壁进行粘接。

所述的探测线缆母材的横截面为等截面的圆形、椭圆形、正方形或长方形在内的规则形状，或不规则形状。对于非圆形横截面的探测线缆母材，设想一圆形横截面，横截面积与实际探测线缆母材的横截面积相等，则将前者(即设想的圆形横截面)的直径称为后者的等效直径，通常选用的探测线缆母材的等效直径d为0.01～2mm。

另外，所述的探测线缆母材也能够采用横截面为非等截面的竹节线，在此情况下，不影响缺口3的制作及效果。

以探测线缆母材横截面呈圆形为例，缺口3是在探测线缆母材的圆周面上向内凹陷形成，其横截面形状如图3所示，但不限于图3的形状，缺口3的深度为H，缺口3开口处的宽度为S，横截面能够采用梯形、环形、V型、U型在内的规则形状，也可以采用不规则形状。另外，缺口3能够在探测线缆母材的周向上单侧、双侧或多侧形成，如图4所示。在探测线缆母材的周向，相邻缺口3的方向可以相同，也可以不同，如图5所示。通常，可将一根通断型爆裂预警探测线缆4看作由一段、一段、一段…的多段探测线缆连接而成，将符合一定设定规律的一段探测线缆称为一节，本申请中将包含一个缺口3的一段探测线缆称为一节，该节探测线缆的长度称为节长L，节与节之间的分界点可以是两个相邻缺口3之间的对应点(如缺口3的起始点，缺口3的终点，或缺口3之间的中点)，也可以是符合一定的设定规律的其它点。另外，通断型爆裂预警探测线缆4的节长L可以是等节长，也可以是变节长，以等节长设置为佳，如图2所示，变节长设置时，通断型爆裂预警探测线缆4的节长为L1、L2、L3…，这些节长L不完全相等，如图6所示。通常节长L在0.2～30mm之间选取。在保证加工质量的前提下，缺口3开口处的宽度S越小越好，通常在0.0001～0.8mm之间选取。另外，各个缺口3开口处宽度S、深度H、形状、周向方向等参数可以相同，也可以不同，以相同为佳。当两个相邻缺口3开口处的宽度分别为S1、S2时，两个缺口3之间的距离m宜大于(S1+S2)/2，如图7所示。当然两个缺口3之间的距离m也可以小于(S1+S2)/2，以不影响本通断型爆裂预警探测线缆4的灵敏度为前提。另外，缺口3还能够是在探测线缆母材的圆周面上向内开孔形成，如图9(d)所示。

所述的通断型爆裂预警探测线缆4上的缺口3处的部分横截面或全部横截面为最小横截面，最小横截面积为A1，与最小横截面位置对应的未设置缺口前探测线缆母材的原始横截面的面积为A0，将A1/A0称为缺口面积比，缺口面积比是影响通断型爆裂预警探测线缆4报警灵敏度的最重要参数之一，通常在0.01～0.9之间选取。缺口3的深度H直接影响缺口面积比，其取值取决于预先设定好的缺口面积比的数值。

在缺口面积比相同的情况下，通断型爆裂预警探测线缆4的延伸率也大致相同，但缺口3的横截面形状不同时，仍然会导致通断型爆裂预警探测线缆4具有不同的报警灵敏度。实验表明，通断型爆裂预警探测线缆4上最小横截面的形心位置也是影响通断型爆裂预警探测线缆4的报警灵敏度的参数之一。相同的缺口面积比，在最小横截面处，最小横截面的形心b，与该处未设置缺口3之前的原始横截面的形心O重合时，如图8(a)、8(b)所示，报警灵敏度低；与该处未设置缺口3之前的原始横截面的形心O不重合时，如图8(c)、8(d)所示，报警灵敏度高；原始横截面的形心O与该处最小横截面的形心b之间的距离f(也称为偏心距，通常取值在0.02d～4d之间，d为探测线缆母材的等效直径)越大，报警灵敏度越高。当缺口3的最小截面的偏心距f不为零时，该缺口3称为偏心缺口，对应的最小截面称为偏心截面，偏心截面的形心b也称为偏心点或偏心。研究表明，最小横截面的形心b，与该处的原始横截面的形心O重合时，通断型爆裂预警探测线缆4在感受到来自压力容器或压力管道的微塑性变形量时，主要依靠拉伸而断裂；最小横截面的形心b，与该处原始横截面的形心O不重合时(这时的最小横截面也称为偏心截面)，通断型爆裂预警探测线缆4在感受到来自压力容器或压力管道的微塑性变形量时，除了依靠拉伸而断裂外，还会发生弯曲变形，从而加速了断裂过程，因此报警灵敏度提高。前述结论既适用于探测线缆母材横截面为圆形的情况，也适用于横截面为非圆形的情况。

缺口3能够采用电火花雕刻、磨具打磨、激光打标或激光雕刻、滚轮滚花、轧辊压制、局部药剂腐蚀在内的方式形成，试验表明，激光打标或激光雕刻方式不会在缺口3根部的材料上留下明显的应力集中点，具有制造效率高、成本低、而且通断型爆裂预警探测线缆4的延伸率稳定(从而保证通断型爆裂预警探测器性能稳定)、耐腐蚀等优点，是最佳的加工方式。另外，利用激光打标或激光雕刻方式在探测线缆母材上设置缺口3时，缺口3可以是横向切口、纵向切口、斜线切口、圆柱通孔或盲孔，如图9所示。

与传统爆裂预警探测线缆2相比，通断型爆裂预警探测线缆4具有如下优点：

1)通断型爆裂预警探测线缆4的延伸率小于传统爆裂预警探测线缆2的延伸率，而延伸率是影响爆裂预警探测器灵敏度最重要的指标，减小延伸率可以提高爆裂预警探测线缆及探测器的报警灵敏度。

2)除了延伸率外，其拉断力也会影响爆裂预警探测线缆的报警灵敏度。当爆裂预警探测线缆安装在被保护的压力容器或压力管道的外壁面时，通常用绝缘涂料或绝缘胶将爆裂预警探测线缆与压力容器或压力管道的外壁牢固粘结，这样发生在压力容器或压力管道外壁的微塑性变形量就可以及时传递到爆裂预警探测线缆上，使爆裂预警探测线缆拉长。但是，压力容器或压力管道外壁的微变形量不能100％全部传递到爆裂预警探测线缆上，即存在一定的变形量传递损耗，损耗越大，爆裂预警探测线缆的灵敏度越低。爆裂预警探测线缆的拉断力越大，这种微变形量的传递损耗越大。环境温度升高，由于绝缘涂料的硬度及强度下降，传递损耗更大。通断型爆裂预警探测线缆4的拉断力小于传统爆裂预警探测线缆2的拉断力，从而可以使爆裂预警探测线缆的灵敏度提高。

3)绝大多数具有导电性质的爆裂预警探测线缆，随着温度升高，延伸率会增大，相应的爆裂预警探测线缆的报警灵敏度会下降，而通常被保护对象(压力容器或压力管道)在高温环境下爆裂事故发生概率更大，从而导致安装有爆裂预警探测线缆的压力容器或压力管道在高温环境下的安全系数降低。与传统爆裂预警探测线缆2相比，尽管通断型爆裂预警探测线缆4的延伸率也随着温度的增加有所增加，但增加的幅度要明显小于其探测线缆母材延伸率增加的幅度，也就是说通断型爆裂预警探测线缆4在高温环境时具有更高的报警灵敏度。

4)为使爆裂预警探测线缆能够达到所需的报警灵敏度，传统爆裂预警探测线缆2通常选用延伸率较低(小于等于1.2％大于等于0.1％，延伸率小于0.1％则非常容易误报警)的导电丝来制作，否则报警灵敏度很低或者不能报警。受材料性质及拉拔加工工艺的影响，可供选择的延伸率低于1.2％的导电丝的范围较小，有些不能耐特定工作介质的腐蚀，有些不能耐所需要的高温工作环境，即爆裂预警探测线缆2选材困难，因此适用范围小。在探测线缆母材上设置缺口3，可以通过加工不同深度的缺口3很方便地制作出不同延伸率及不同灵敏度的通断型爆裂预警探测线缆4。一般情况下，通断型爆裂预警探测线缆4也选择延伸率小于等于1.2％的探测线缆母材。为了满足耐高温耐腐蚀等特殊工作环境，即使选取的探测线缆母材的延伸率大于1.2％(小于100％)，也可制成综合延伸率小于1.2％的通断型爆裂预警探测线缆4，从而可以制造出综合性能更好的适应各种环境温度、各种腐蚀介质下的爆裂预警探测线缆及探测器，可见，本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆具有选材容易且适用范围广的优点。

5)通常传统爆裂预警探测线缆2的延伸率不能足够低，以满足实际工程应用的要求。中国发明专利号为200910229175.9中公开了一种给爆裂预警探测线缆设置预张紧力的方法，以提高爆裂预警探测线缆的报警灵敏度。目前这种方法已经被普遍采用。通常粘结在压力容器或压力管道上的爆裂预警探测线缆与压力容器或压力管道外壁之间存在绝缘涂料或绝缘胶，爆裂预警探测线缆长期处于拉伸状态，随着时间的延长，绝缘涂料或绝缘胶会产生永久变形，使爆裂预警探测线缆松驰，即张力减小，从而使得爆裂预警探测线缆的灵敏度随着使用时间的增长而下降，也就是说，长期工作稳定性低。而通断型爆裂预警探测线缆4不需要预张紧力或只需要很小的预张紧力，因此长期工作稳定性高。

所述的通断型爆裂预警探测线缆4采用金属导电丝时，缺口面积比A1/A0(其中A1为通断型爆裂预警探测线缆4上缺口3处的最小横截面积，A0为与最小横截面位置对应的未设置缺口前探测线缆母材的原始横截面积)过大(大于探测线缆母材本身的屈强比σS/σb，其中σS、σb分别为探测线缆母材的屈服强度与抗拉强度)，则通断型爆裂预警探测线缆4上未设置缺口3的部位，在拉断报警之前的拉伸变长过程中，也会发生塑性变形，在塑性变形时，拉伸力与伸长率之间不再属于线性关系，微小的拉力增加会导致很大的延伸，这样缺口3深度的微小变化(即缺口面积比的微小变化)就会使通断型爆裂预警探测线缆4的延伸率变化很大，加工过程中不可避免地存在缺口3深度的加工误差会导致通断型爆裂预警探测线缆4延伸率沿长度方向的不稳定，从而导致其上一段探测线缆报警过于灵敏甚至产生误报警，另一段探测线缆报警灵敏度过低，从而延误报警时机。另外，试验表明，缺口面积比过小(小于0.01)，缺口3根部处的变形应力的不稳定及加工微缺陷的增多，同样会影响通断型爆裂预警探测线缆4在长度方向的延伸率的稳定性(尽管缺口面积比过小导致延伸率不稳定的原因，与缺口面积比过大导致延伸率不稳定的原因不同)。当探测线缆母材采用金属导电丝时，缺口面积比A1/A0应小于等于屈强比σS/σb，大于0.01，在这种情况下，通断型爆裂预警探测线缆4在拉伸变形时，缺口3附近的变形主要是塑性变形，远离缺口3的变形主要是刚性变形，其综合延伸率对缺口面积比不敏感。

为了实现通断型爆裂预警探测线缆的报警功能，所述的通断型爆裂预警探测线缆4要固定设置在被保护的压力容器或压力管道的外壁面上。压力容器或压力管道的壁厚δ也会影响通断型爆裂预警探测线缆4的报警灵敏度。通断型爆裂预警探测线缆4的节长L过大或过小都会导致通断型爆裂预警探测线缆4报警灵敏度过低，造成漏报警。节长L过大，会造成压力容器或压力管道内部随机发生裂纹的部位与通断型爆裂预警探测线缆4上缺口3部位的距离过大，从而使通断型爆裂预警探测线缆4不易被拉断，结果导致报警延误；节长L过小，会造成与压力容器或压力管道内部随机发生裂纹部位对应的缺口3数量过多，而缺口3处的变形以塑性变形为主，使裂纹附近局部的通断型爆裂预警探测线缆4的塑性变形量加大，通断型爆裂预警探测线缆4不易被拉断，同时导致报警延迟。实验表明，缺口3的节距L应小于4δ大于0.02δ。

另外，本发明提供的通断型爆裂预警探测线缆除用于压力容器及压力管道(金属或非金属材质)外，也可用于纤维缠绕复合气瓶的内胆外壁，以及不同形状的压力容器，如液化气球罐、椭圆截面油气罐等，通断型爆裂预警探测线缆4的具体敷设方式根据压力容器的受力及失效形式确定。通断型爆裂预警探测线缆4也可以固定在桥梁、高层建筑等钢结构件的外壁上，用于钢结构件的失效事故的监测预警。

实施例二

实施例一提供的通断型爆裂预警探测器包括通断型爆裂预警探测线缆4以及与通断型爆裂预警探测线缆4两端电连接的监测盒1。监测盒1实时监测通断型爆裂预警探测线缆4的通断状态，当通断型爆裂预警探测线缆4断开时，监测盒1及时报警或将报警信号向外输出。

Claims (7)

1.一种通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的通断型爆裂预警探测线缆(4)敷设在被保护的压力容器或压力管道外壁面上，是在作为探测线缆母材的金属或非金属导电丝上沿探测线缆母材长度方向设置多个缺口(3)而制成，以使通断型爆裂预警探测线缆(4)上缺口(3)处的横截面积小于缺口(3)位置的探测线缆母材的原始横截面积，通断型爆裂预警探测线缆(4)分成节长为L的多节探测线缆，每节探测线缆中设置一个缺口(3)。

2.根据权利要求1所述的通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的缺口(3)是在探测线缆母材的圆周面上向内凹陷或向内开孔形成，缺口(3)呈梯形、环形、V型、U型在内的规则形状，或不规则形状；缺口(3)能够在探测线缆母材的周向上单侧、双侧或多侧形成；节长L在0.2～30mm之间选取。

3.根据权利要求1所述的通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的缺口(3)采用电火花雕刻、磨具打磨、激光打标或激光雕刻、滚轮滚花、轧辊压制、局部药剂腐蚀在内的方式形成，并且能够是横向切口、纵向切口、斜线切口、圆柱通孔或盲孔。

4.根据权利要求1所述的通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的探测线缆母材采用金属导电丝时，通断型爆裂预警探测线缆(4)上缺口(3)处的缺口面积比A1/A0小于等于屈强比σS/σb，大于0.01，其中A1为通断型爆裂预警探测线缆(4)上缺口(3)处的最小横截面积，A0为与最小横截面位置对应的未设置缺口(3)前的探测线缆母材的原始横截面积，σS、σb分别为探测线缆母材的屈服强度与抗拉强度。

5.根据权利要求1所述的通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的通断型爆裂预警探测线缆(4)的节长L小于4δ大于0.02δ，其中δ为被保护的压力容器或压力管道的壁厚。

6.根据权利要求1所述的通断型爆裂预警探测线缆，其特征在于：所述的探测线缆母材的延伸率大于1.2％，小于100％。

7.一种采用权利要求1—6中任一项所述的通断型爆裂预警探测线缆的探测器，其特征在于：所述的探测器包括通断型爆裂预警探测线缆(4)和与通断型爆裂预警探测线缆(4)两端电连接的监测盒(1)。