CN111365622A - 一种塑料管道安全监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料管道安全监测装置及系统，该监测装置包括支撑环、多个置于支撑环内的弹簧片、置于弹簧片上且弹簧片变形可导致开关导通的开关器件、包覆在支撑环外的保护壳，多个开关器件之间构成逻辑或关系。其采用支撑环来保护固定开关器件，当管道内部出现开裂时，有足够的强度对塑料管材开裂进行约束，起到抑制开裂的作用。开关器件分布在管道四周，多个开关器件之间构成逻辑或关系，当出现第三方破坏、地质沉降破坏、胀大变形等事故时，至少一个开关器件被触发，则判定事故发生，在管道破坏前实现预警。

Description

一种塑料管道安全监测装置及系统

技术领域

本发明涉及管道监测装置领域，更具体的说是涉及一种塑料管道安全监测装置及系统。

背景技术

管道是最经济、最环保的流体输送设备。随着高分子材料工艺和加工业的发展，塑料管道因其加工成型容易、耐腐蚀、抗冲击性好、环保、施工方便以及综合节能性能好等优点，在过程工业、城镇基础设施以及建筑领域逐渐取代了金属管道，大量应用于燃气、生活水、污水、腐蚀性化学介质等中低压流体输送。

目前，我国塑料管道总里程已逾100万公里，大多埋于地下，广泛应用于市政和工厂管网输送气体、液体和浆液，大量涉及燃气、酸和碱等高风险介质的输送。大多数城镇给排水和燃气用塑料管线为了安全和减小光老化作用而埋于地下，监测技术的严重缺失，为事故的预警和抢修带来了问题，常因管网老化、损伤、累积变形、缺陷、第三方施工和地质沉降等原因导致管网事故频发，轻则影响居民生活、生产停工，重则引发环境污染、安全事故，造成重大人身伤亡和经济损失，随着我国部分塑料管线服役时间已超过30年，大中型城市日均管网事故达数十起。

目前，借鉴长输高压金属管线人工携仪器定期巡检，城镇埋地塑料管线，尤其是燃气管线，也在探索巡线和开挖结合的定检办法。但定检方法消耗人力资源大，且无法实时监测和预警。在此背景下，近年围绕城镇埋地管线安全监测积极开展技术研发。现有的对管道譬如水管和燃气管道的泄露监测有许多技术，但是，其均存在以下缺陷：

（1）仅能实现泄露监测，但是，无法抑制管道快速开裂。塑料管材的快速开裂虽然不常发生，但是因其破坏性和事故的影响严重，一直备受关注，在对管线安全进行监测、预警的同时，对可能存在的快速开裂进行抑制，防患于未然，至关重要；

（2）缺乏事故预警功能，仅在事故发生并出现爆管和泄露后，才能发出报警信号。据统计，第三方破坏、地质沉降破坏、胀大变形以及缺陷是管线发生事故的主要原因，第三方破坏和地质沉降破坏占绝大多数，而第三方破坏、地质沉降破坏以及胀大变形等在导致管道破坏前，通常有较长的时间可以发出预警信号；

（3）系统复杂、成本较高、可靠性较低。上述技术涉及到大量工业生产用的开关器件，检测及其辅助系统复杂，布线较多，对于埋地管线来讲，系统的复杂不但导致了综合成本增高，还降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，在对埋地塑料管线典型事故特征分析的基础上开发出事故监测传感装置，根据埋地管道外径尺寸及强度计算设计出具有开裂抑制能力的开关器件支撑环和内侧沿周向布置的开关器件组，并在此基础上特研发一种塑料管道安全监测装置及系统。

本发明通过下述技术方案实现：

一种塑料管道安全监测装置，包括支撑环、多个置于支撑环内的弹簧片、置于弹簧片上且弹簧片变形可导致开关导通的开关器件以及置于整个装置外部的保护壳，多个开关器件之间构成逻辑或关系。本方案的支撑环套设在管道外，弹簧片卡在支撑环上，支撑环不仅实现弹簧片、开关器件的固定保护，且当管道内部出现开裂时，有足够的强度对塑料管材开裂进行约束，起到抑制开裂的作用；保护壳置于支撑环外，对整个监测装置起保护作用，隔离泥土，提高开关器件事故触发导通的可靠性。弹簧片用于固定开关器件，其分布在支撑环即管道四周，管道被破坏时开关被触发导通，多个开关器件之间构成逻辑或的关系，当出现事故时，该装置对应位置的多个开关器件至少有一个被触发，以此判定事故发生。根据事故分析，第三方破坏、地质沉降破坏、胀大变形是管线发生事故的主要原因，这些事故会导致管道位移和变形，如果对变形或位移模拟量进行监测，开关器件和布线成本高，而且信号抗干扰能力弱，但是，在监测管道方面，往往不需测量其具体位移和形变量。本方案采用开关器件来产生预警信号，利用管道变形挤压弹簧片触发开关器件导通，由于多个开关器件之间的为逻辑或关系，任一开关器件被挤压触发均触发整个监测装置，以此进行监测和预警；采用开关器件可以在管道破坏前实现预警，且其结构简单、信号抗干扰能力强、信号传输简单、综合成本低。

一种塑料管道安全监测系统，包括：

多个上述的监测装置，

实现监测装置开关器件信号采集的一级节点，

对多个一级节点信号进行汇总的二级节点；

所述一级节点、二级节点分别具有唯一地址。

本系统的预警信息采用两级传送，通过识别一级节点、二级节点地址实现预警位置的判断，可简化线路结构，节约成本。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用支撑环来保护固定开关器件，当管道内部出现开裂时，有足够的强度对塑料管材开裂进行约束，起到抑制开裂的作用。

2、本发明的开关器件分布在管道四周，多个开关器件之间构成逻辑或关系，当出现第三方破坏、地质沉降破坏、胀大变形等事故时，至少一个开关器件被触发，则判定事故发生，在管道破坏前实现预警。

3、本发明通过弹簧形变挤压触发开关器件导通，将变形或位移模拟量大小的监测优化为开关信号的监测，基于开关原理设计的传感装置结构简单、信号抗干扰能力强、信号传输简单、综合成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明监测装置的内部安装结构示意图。

图2为本发明安装完成后的剖视图。

图3为本发明弹簧片与开关器件的安装结构示意图。

图4为本发明系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1、2所示的一种塑料管道安全监测装置，包括支撑环4、多个置于支撑环4内的弹簧片3、置于弹簧片3上的开关器件5，上述支撑环4、弹簧片3、开关器件5安装在保护壳内，弹簧片被挤压变形导致开关器件导通，多个开关器件之间构成逻辑或关系。具体的，可如图4所示，多个开关型器件相并联，当一开关器件导通时，整个监测装置被触发。本监测装置安装时如图1所示，使用时其与管道一起埋与地下，支撑环4套设在管道1外，弹簧片3置于支撑环4与管道1之间，开关器件5固定在弹簧片上，当管道位移或变形导致弹簧片接触管道的一端发生弹性变形到一定程度即可触发开关器件5。由于城镇埋地塑料管道抗拉强度一般在100MPa以下，普通304不锈钢抗拉强度超过500MPa，远远大于一般塑料管道的抗拉强度，优选的，支撑环4采用不锈钢制成，支撑环主体成圆环状，以使弹簧片可均匀分布在管道四周。固定管采用不锈钢，套设在管道外，一方面用于开关器件的固定架和保护架，另一方面当管道内部出现开裂时，有足够的强度对塑料管材开裂进行约束，起到抑制开裂的作用。具体的，为了便于支撑环的安装，支撑环包括两成半环结构的半环片和连接在半环片两端的安装耳构成，两半环片拼接在一起时构成一圆环，安装耳用于固定两半环片，安两半环片的安装耳通过螺栓2连接。

同样的，弹簧片3可由多种结构实现，如图3所示，可采用S型结构，也可采用其他结构实现，譬如波浪形，在采用其他结构时，为了便于弹簧片的安装，可在弹簧片3上设置一钩部，钩部直接挂于支撑环上；采用S型结构其结构简单，直接利用其弯折部作为钩部，一端与管道抵接，一端卡设固定在支撑环上即可。开关器件可采用焊接或其他方式固定在弹簧片上。开关器件的开关方向与弹簧片弹力方向一致，当弹簧片受压变形则触发开关导通；为了提高弹簧片的安装和结构的稳定性，S形弹簧片的一端直接卡入支撑环上，结构稳定性高，提高监测的可靠性。

由于管道提前铺设完成，为了便于监测装置的安装，支撑环4可采用拼接式，具体的，如图1所示，包括两可构成环状的半环片和连接在半环片两端的安装耳，两半环片的安装耳通过螺栓2连接。

实施例2

基于上述实施例的结构，本实施例公开一优选实施方式。本方案的监测装置实现对管道局部变形的监测，保护壳主要其隔离土壤的作用，为了避免保护壳对监测可靠性的影响，如图2所示，保护壳包括一环状外壳6和置于外壳两侧的弹性波纹板7，同样的，为了便于安装，外壳6、弹性波纹板与支撑环4结构相同的，均采用拼接环状结构。弹性波纹板玉外壳之间可采用粘接等现有方式连接。安装时，外壳6套在管道和支撑环4外，其与支撑环4、管道同圆心，外壳采用刚性结构，有效的隔绝土壤，弹性波纹板为柔性，管道发生形变时，可跟随发生形变，避免对管道变形监测可靠性产生影响。

实施例3

基于上述的塑料管道安全监测装置，本实施例公开一塑料管道安全监测系统，具体的，该系统包括多个实施例1中的监测装置、实现监测装置开关器件信号采集的一级节点、对多个一级节点信号进行汇总的二级节点；所述一级节点和二级节点分别具有唯一的地址。多个监测装置对一定范围内的管道进行监测，其与一个一级节点之间进行通信，多个一级节点与一个二级节点之间进行通信，二级节点实现监测信号远程传送，整体的系统采用两级传送方式，可简化布线，降低成本。每个一级节点和二级节点均具有唯一的地址，当某一监测装置的开关器件被触发，二级节点将该信号传送给远程预警终端，远程预警终端包括服务器和终端报警装置，终端报警装置可采用计算机或移动终端，远程预警终端通过识别地址与对应的GIS地理信息数据库，实现预警位置判断，以便于快速抢修。一级节点、二级节点实现监测装置的信号汇总转发，其可采用现有的功能模块实现，其具体实现电路在此不做具体赘述。

具体的，如图3所示，监测装置与一级节点之间通过串行总线进行通信；为了简化布线，二级节点上连接无线信号收发装置以实现预警数据的无线传输。无线信号收发装置可采用GPRS模块。

该系统具体可采用如图3所述的结构，监测装置包括8个弹簧片3和8个开关器件，其均匀设置在管道四周即支撑环与管道之间的间隙内，S形弹簧片3通过卡在支撑环上，另一端与管道接触；通信系统采用基于Modbus协议的总线通信和GPRS无线通信相结合实现信号传送，其运行原理如下：某地发生第三方破坏、地质沉降破坏、胀大变形等事故时，该位置管道发生局部变形，此时，监测装置上至少一个开关器件被触发，该监测装置的信号由“1”跳变至“0”或者由“0”跳变至“1”，则监测装置将该信号传送给一级节点，一级节点将该信号连同自身地址通过串行总线发送给二级节点，二级节点接收到该信号后，连同自身地址经GPRS模块传送给远程预警终端，远程预警终端通过识别地址及其对应的GIS地理信息数据库，找到预警对应区域，实现预警，以便于快速实施抢修。

发明人通过城镇埋地塑料管线典型事故形式及其特征分析，根据强度计算设计出具有开裂抑制能力的专用支撑环和开关器件，通过Modbus总线和无线通信相结合，以将开关器件监测到的事故信号传送到远程的监测中心，形成一套结构简单、成本低、兼具开裂抑制能力的城镇埋地塑料管线安全监测方法和系统，解决当前埋地塑料管道安全监测的不足。其将目前监测典型事故相关模拟量参数为开关型信号，导致传感原理和系统结构简单、可靠性高、成本低、响应速度快。监测装置的数量和一级节点对应的地理范围可根据不同地理环境和安全风险程度灵活布置监测点，通过地址与位置绑定，可直接定位事故的地理位置，提高了应急响应的效率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种塑料管道安全监测装置，其特征在于，包括：

支撑环（4），

多个置于支撑环（4）内的弹簧片（3），

置于弹簧片（3）上且弹簧片（3）变形可导致开关导通的开关器件（5）,

包覆在支撑环（4）外的保护壳（7）；

多个开关器件之间构成逻辑或关系。

2.根据权利要求1所述的一种塑料管道安全监测装置，其特征在于，所述支撑环（4）包括两可构成环状的半环片和连接在半环片两端的安装耳，两半环片的安装耳通过螺栓（2）连接。

3.根据权利要求1所述的一种塑料管道安全监测装置，其特征在于，所述弹簧片（3）上设置有卡设固定的钩部。

4.根据权利要求1所述的一种塑料管道安全监测装置，其特征在于，所述弹簧片（3）成S型。

5.根据权利要求1所述的一种塑料管道安全监测装置，其特征在于，所述保护壳包括一环状外壳（6）和置于外壳两侧的弹性波纹板（7），所述外壳（6）、弹性波纹板为拼接环状。

6.一种塑料管道安全监测系统，其特征在于，包括：

多个权利要求1至5任一所述的监测装置，

实现监测装置开关器件信号采集的一级节点，

对多个一级节点信号进行汇总的二级节点；

所述一级节点、二级节点分别具有唯一地址。

7.根据权利要求6所述的一种塑料管道安全监测系统，其特征在于，所述二级节点上连接有无线信号收发装置。

8.根据权利要求6所述的一种塑料管道安全监测系统，其特征在于，所述监测装置与一级节点之间通过串行总线进行通信。

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