CN114001208B - 一种抗交流和直流干扰的管道系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道系统，包括多个管道段，每个管道段包括：内部金属管段；外部非金属管段，由纤维复合材料构成，该外部非金属管段缠绕在内部金属管段上，使得内部金属管段从外部非金属管段的两端伸出预定距离以形成外部补口段，其中，相邻的内部金属管段彼此焊接起来以形成内部金属管道，纤维复合材料缠绕在所述外部补口段上，以与外部非金属管段一起形成外部非金属管道；导线，在预定位置连接到所述内部金属管道。所述管道系统还包括围绕外部补口段上的纤维复合材料以及围绕外部补口段上的纤维复合材料与外部非金属管段的纤维复合材料之间的接缝缠绕的纤维复合材料增强层。
Description
技术领域
本发明涉及一种管道系统，其能够抵抗直流和交流干扰。
背景技术
随着公共设施如地铁、轻轨等直流电力驱动系统、高压输电线路等的日益建设，埋地管道受到直流杂散电流和交流杂散电流的干扰日益严重。已经有研究表明直流杂散电流是导致埋地管道腐蚀穿孔的原因之一，而交流杂散电流对埋地管道的电磁干扰会对人身安全、埋地管道及其阴极保护设备的安全造成影响。因此，需要一种能够同时抵抗直流和交流干扰的管道。
发明内容
本发明提供了一种管道系统，包括多个管道段，每个管道段包括：
内部金属管段；
外部非金属管段，由纤维复合材料构成，该外部非金属管段缠绕在内部金属管段上，使得内部金属管段从外部非金属管段的两端伸出预定距离以形成外部补口段，其中，相邻的内部金属管段彼此焊接起来以形成内部金属管道，纤维复合材料缠绕在所述外部补口段上形成外部补口层，以与外部非金属管段一起形成外部非金属管道；
导线，在预定位置连接到所述内部金属管道。
有利地，所述管道系统还包括测试装置，所述导线的延伸出地面的部分容纳在测试装置内。
有利地，所述管道系统还包括排流器，导线连接到排流器，所述排流器还连接到排流床。
有利地，还包括串联或并联的多个去耦合器，导线连接到所述串联或并联的多个去耦合器，所述去耦合器还连接到接地。
有利地，还包括管道破损检测和监测装置，导线连接到管道破损检测和监测装置，以检测外部非金属管道的破损点。
有利地，所述管道破损检测和监测装置构造成计算出预定长度的内部金属管道的面电阻率，进而确定外部非金属管道是否发生破损。
有利地，当计算出的面电阻率小于预定阈值时，确定外部非金属管道出现破损，所述预定阈值为100000Ω·m2，优选为50000Ω·m2，更优选为10000Ω·m2。
有利地，所述管道破损检测和监测装置基于四电极法或电流环法进行测试并计算出面电阻率。
有利地，还包括防雷接地装置，所述导线还能够连接到防雷接地装置，所述防雷接地装置包括避雷件以及串联或并联连接的去耦合器，避雷件连接到内部金属管道，并通过去耦合器接地。
有利地，还包括监控系统，所述导线还能够连接到监控系统，该监控系统通信地连接到测试装置、排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置，以监测内部金属管道的对地电位、排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置的工作状态并在检测到异常工作状态时发出报警信号。
有利地，缠绕在所述外部补口段上的纤维复合材料的厚度与外部非金属管段的厚度相同。
有利地，所述管道系统还包括围绕外部补口层缠绕的纤维复合材料增强层，该纤维复合材料增强层的长度设置成大于所述外部补口层的长度，以覆盖外部补口层与外部非金属管段之间的接缝。
有利地，纤维复合材料增强层的厚度按照如下方式计算，以使增强层的轴向承力强度不小于外部非金属管道的承力强度：
其中，tco是纤维复合材料增强层的厚度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，σo是纤维复合材料增强层的材料强度，f是增强系数，取值大于0.01，优选大于等于1。
有利地，外部非金属管道的材料强度是抗拉强度或屈服强度，纤维复合材料增强层的材料强度是抗拉强度或屈服强度。
有利地，纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度按照如下方式计算，以在增强层承受轴向应力时不会在增强层与外部非金属管道之间造成滑脱：
其中，Lco是纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，τint是纤维复合材料增强层与外部非金属管道之间的界面剪切强度，f是增强系数，取值大于0.01，优选大于等于1。
有利地，所述纤维复合材料增强层的长度为：
L≥2×Lco+Lc
其中，Lc为外部补口段的长度。
有利地，所述纤维复合材料由纤维材料和粘浸胶形成。
有利地，所述纤维材料选自芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维。
有利地，纤维复合材料增强层和缠绕在外部补口段上的纤维复合材料均是单向纤维布、纵向和横向垂直的双向纤维布或者纵向、横向和斜向交错的多向纤维布。
有利地，所述单向纤维布和所述双向纤维布能够相对于管道的延伸方向平行地、垂直地和斜向地铺设。
有利地，每个管道段还包括设置在内部金属管段的内壁上的内涂层或内衬，内部金属管段从内涂层或内衬的两端伸出预定距离以形成内部补口段，在相邻的内部金属管段彼此焊接起来的情况下，另外的内涂层或另外的内衬设置在该内部补口段上，以形成内部补口层。
有利地，所述内涂层或内衬由金属、非金属或复合材料构成。
附图说明
在下面结合附图详细描述的本发明的优选实施方式中，本发明的优点和目的可以得到更好地理解。为了在附图中更好地显示各部件的关系，附图并非按比例绘制。
图1示出根据本发明的管道系统的单个管道段的剖视图。
图2示出根据本发明的管道系统的单个管道段的透视图。
图3示出根据本发明的管道系统的两个相邻管道段的剖视图，示出不包含内涂层或内衬的情况。
图4示出根据本发明的管道系统的两个相邻管道段的剖视图，示出包含内涂层或内衬的情况。
图5示出导线连接到排流器的示意图。
图6示出管道破损检测和监测装置基于四电极法进行测试并计算面电阻率的示意图。
图7示出管道破损检测和监测装置基于电流环法进行测试并计算面电阻率的示意图。
图8示出导线连接到防雷接地装置的示意图。
具体实施方式
将参照附图详细描述根据本发明的各个实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。术语“依次包括A、B、C等”仅指示所包括的部件A、B、C等的排列顺序，并不排除在A和B之间和/或B和C之间包括其它部件的可能性。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。
下面，参见图1-图8，详细描述根据本发明的抗直流和交流干扰的管道系统
根据本发明的管道系统包括多个管道段，这些管道段彼此连接起来形成管道系统。图1和2示出管道系统的单个管道段1，该管道段包括内部金属管段11和外部非金属管段12。外部非金属管段由纤维复合材料构成，并通过如下方式缠绕在内部金属管段上：在内部金属管段上缠绕多层纤维材料，在缠绕每一层纤维材料时对纤维材料涂刷或浸渍粘浸胶，从而形成多层纤维复合材料。纤维复合材料可以由单种纤维材料与粘浸胶形成，也可以由多种纤维材料与粘浸胶形成。纤维材料选自芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维。
如图1至3所示，内部金属管段11从外部非金属管段12的两端伸出预定距离，以形成外部补口段13。相邻的内部金属管段彼此焊接起来以形成内部金属管道(例如形成图3和4所示的环焊缝10)，纤维复合材料在所述预定距离上缠绕在外部补口段上形成外部补口层17，以与外部非金属管段一起形成外部非金属管道。如此，避免了在将内部金属管段焊接在一起时，外部非金属管段受热熔化。此外，每个管道段还包括设置在内部金属管段的内壁上的内涂层或内衬16(例如由金属、非金属或其它复合材料构成)，如图4所示，内涂层或内衬能够有效减少内部金属管道的内壁腐蚀，降低内部金属管道内部的粗糙程度，减少输送介质在输送过程中的摩擦阻力，从而有效提高输送介质的输送量，减少管道的清管次数。类似地，内部金属管段11也从内涂层或内衬的两端伸出相同的预定距离(或不同的预定距离)，以形成内部补口段。在相邻的内部金属管段彼此焊接起来的情况下，另外的内涂层或另外的内衬涂覆在内部补口段上形成内部补口层18。
有利地，缠绕在所述外部补口段上的纤维复合材料的厚度与外部非金属管段的厚度相同。另外，缠绕在外部补口段上的纤维复合材料与外部非金属管段之间形成接缝14，围绕该接缝以及围绕外部补口段上的纤维复合材料还缠绕纤维复合材料增强层15。
纤维复合材料增强层和缠绕在外部补口段上的纤维复合材料可以是单向纤维布、纵向和横向垂直的双向纤维布或者纵向、横向和斜向交错的多向纤维布。而且，纤维复合材料增强层和缠绕在外部补口段上的纤维复合材料可以斜向铺设，也可以垂直铺设。
纤维复合材料增强层的厚度按照如下方式计算，以使增强层的轴向承力强度不小于外部非金属管道的承力强度：
其中，tco是纤维复合材料增强层的厚度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度(例如抗拉强度或屈服强度，优选为抗拉强度)，σo是纤维复合材料增强层的材料强度(例如抗拉强度或屈服强度，优选为抗拉强度)，f是增强系数，取值大于0.01，优选为1。
纤维复合材料增强层从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度按照如下方式计算，以在增强层承受轴向应力时不会在增强层与外部非金属管道之间造成滑脱：
其中，Lco是纤维复合材料增强层的长度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，τint是纤维复合材料增强层与外部非金属管道之间的界面剪切强度，f是增强系数，取值大于0.01，优选为1。
那么，纤维复合材料增强层的长度为：
L≥2×Lco+Lc
其中，Lc为外部补口段的长度。
根据本发明的管道系统还包括导线2，其在预定位置连接到内部金属管道。导线的一部分埋入地下，另一部分露出地上，露出地上的部分可以容纳在测试桩8内。测试桩主要用于阴极保护参数的检测，沿管道延伸方向布置。
如图5所示，导线的露出地上的部分可以连接到排流器3，所述排流器还通过导线连接到排流床4。排流器3的主要类型有二极管、二极管桥、单向导通元件、钳位式排流器、恒电位控制型排流器等。在一个示例中，排流器可以是例如固态去耦合器，其是一种有效的隔直流通交流装置，并接地。一般而言，固态去耦合器由电容、晶闸管、电感和浪涌保护器等不同的电气元件构件。正常情况下，交流感应电流从电容性元件流过；故障电流从半导体闸流器流过；雷电引起的强电流从浪涌保护器流过，电感元件可以防止雷电对电容和半导体闸流器的损害。优选地，排流器可以包括多个并联连接在一起的固态去耦合器，从而保证在一个固态去耦合器失效的情况下，其它固态去耦合器仍然能够正常工作。上面以固态去耦合器为例描述了排流器，但是应当明白，排流器还可以是液态去耦合器或者其它合适的器件，只要能够实现排流的功能即可。
排流器3可以位于地上也可以位于地下，如图5所示，示出了排流器3位于地上和地下的情况。
导线还能够连接到管道破损检测和监测装置，其用于检测和监测外部非金属管道的破损点。该管道破损和监测装置构造成计算出预定长度的内部金属管道的面电阻率，基于该面电阻率而确定外部非金属管道是否发生破损。
管道破损和监测装置可以利用四电极法(又称“标定法”)进行测试并计算预定长度的内部金属管道的面电阻率。具体地，参见图6，对于预定长度为S的内部金属管道，通过直流电源对其施加临时激励，该直流电源一方面连接到暂时性地床或阴极保护系统，另一方面通过断路器连接到内部金属管道。通过电压表测量并记录在阴极保护系统通/断时在预定长度为S的内部金属管道两端处的管地电位(on电位和off电位)，得到两端处的电位变化分别为ΔV1＝Von1-Voff1，ΔV2＝Von2-Voff2，则预定长度为S的内部金属管道的平均电位变化为ΔVave＝(ΔV1+ΔV2)/2。通过四电极法可以测量得到在预定长度为S的内部金属管道的两端处的第一电流ΔI1和第二电流ΔI2，从而得到流过该内部金属管道的电流差Isect＝ΔI2-ΔI1。基于欧姆定律，得到该内部金属管道的对地电阻Rsect＝ΔVave/Isect。进一步地，该对地电阻乘以该段内部金属管道的表面积，则得到面电阻率。在图6中，需要保证参比电极与大地保持良好接触，以便于准确测试。
举例来说，由下表1示出分别在第一端和第二端测量得到的电位变化和电流值：
表1
由上表可知，ΔV1＝1.1V，ΔV2＝0.8V，ΔI1＝2.7A，ΔI2＝2.8A，则ΔVave＝(ΔV1+ΔV2)/2＝0.95V，而Isect＝0.1A，由此得到Rsect＝0.95V/0.1A＝9.5Ω。通过该对地电阻乘以该段内部金属管道的表面积，则可以得到面电阻率。
计算出的面电阻率小于预定阈值(例如100000Ω·m2，优选50000Ω·m2，更优选10000Ω·m2)时，确定与该段内部金属管道对应的外部非金属管道出现破损。然后，可以再进一步通过破损点检测方法，进行检测，以便及时修复外部非金属管道。
在另一个实施例中，如图7所示，管道破损检测和监测装置基于电流环法进行测试并计算出预定长度的内部金属管道的面电阻率。该电流环法测量电位的方法与上面四电极法相同，区别仅在于通过电流环来测量电流差，由此得到内部金属管道的该部分的对地电阻。该对地电阻乘以该段内部金属管道的表面积，则得到面电阻率。如前述实施例所陈述的，当计算出的面电阻率小于预定阈值(例如100000Ω·m2，优选50000Ω·m2，更优选10000Ω·m2)时，确定外部非金属管道出现破损。然后，可以再进一步通过破损点检测方法，进行检测，以便及时修复外部非金属管道。
以上描述的两种测试面电阻率的方法(即四电极法和电流环法)对于本领域技术人员来说是熟知的，因此，本文中仅简略地描述，而不再赘述。
图8示出导线还连接到防雷接地装置5，防雷接地装置包括避雷件51(如避雷针)以及串联或并联连接的去耦合器52，避雷件连接到内部金属管道，并通过去耦合器接地，从而保证防雷以避免对涂层造成损害，同时也保证对直流干扰的隔离。另外，图8还示出管道上设置有绝缘法兰6，该绝缘法兰用于当管道遇到大型场站时，使管道与大型场站隔离。虽然图8中示出防雷接地装置和绝缘法兰，但是应明白绝缘法兰根据需要使用，而不必一定和防雷接地装置一起使用。
上面描述了排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置，这些装置能否正常工作对于管道的正常运行具有重要作用，因此，需要及时了解这些装置的工作状态。由此导线还能够连接到一监测系统，其通信地连接到排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置，以监测排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置的工作状态。该监控系统还通信地连接到测试装置，以监测内部金属管道的对地电位。
该监测系统连接到测试桩内的导线，一般包括多个接口，以便连接到排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置等装置。该监测系统从上述装置接收到工作信号，然后经过分析处理，输出表示这些装置的工作状态的信号，以此判断这些装置是否正常工作。对本领域技术人员来说，监测系统的具体结构可以根据需要进行改变，以监测各种部件的工作状态。
以上描述了根据本发明的管道系统，通过该管道系统，能够有利地防止直流和交流干扰。
以上说明仅仅是对本发明的解释，使得本领域普通技术人员能完整地实施本方案，但并不是对本发明的限制。上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。
Claims (24)
1.一种管道系统，其特征在于，所述管道系统包括多个管道段，每个管道段包括：
内部金属管段；
外部非金属管段，由纤维复合材料构成，该外部非金属管段缠绕在内部金属管段上，使得内部金属管段从外部非金属管段的两端伸出预定距离以形成外部补口段，其中，相邻的内部金属管段彼此焊接起来以形成内部金属管道，纤维复合材料缠绕在所述外部补口段上形成外部补口层，以与外部非金属管段一起形成外部非金属管道；
导线，在预定位置连接到所述内部金属管道，
所述纤维复合材料由纤维材料和粘浸胶形成，
所述管道系统还包括围绕外部补口层缠绕的纤维复合材料增强层，该纤维复合材料增强层的长度设置成大于所述外部补口层的长度，以覆盖外部补口层与外部非金属管段之间的接缝，
纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度按照如下方式计算，以在增强层承受轴向应力时不会在增强层与外部非金属管道之间造成滑脱：
其中，Lco是纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，τint是纤维复合材料增强层与外部非金属管道之间的界面剪切强度，f是增强系数，取值大于0.01。
2.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，所述管道系统还包括测试装置，所述导线的延伸出地面的部分容纳在测试装置内。
3.如权利要求1或2所述的管道系统，其特征在于，所述管道系统还包括排流器，导线连接到排流器，所述排流器还连接到排流床。
4.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，还包括串联或并联的多个去耦合器，导线连接到所述串联或并联的多个去耦合器，所述去耦合器还连接到接地。
5.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，还包括管道破损检测和监测装置，导线连接到管道破损检测和监测装置，以检测外部非金属管道的破损点。
6.如权利要求5所述的管道系统，其特征在于，所述管道破损检测和监测装置构造成计算出预定长度的内部金属管道的面电阻率，进而确定外部非金属管道是否发生破损。
7.如权利要求6所述的管道系统，其特征在于，当计算出的面电阻率小于预定阈值时，确定外部非金属管道出现破损，所述预定阈值为100000Ω·m2。
8.如权利要求7所述的管道系统，其特征在于，当计算出的面电阻率小于预定阈值时，确定外部非金属管道出现破损，所述预定阈值为50000Ω·m2。
9.如权利要求7所述的管道系统，其特征在于，当计算出的面电阻率小于预定阈值时，确定外部非金属管道出现破损，所述预定阈值为10000Ω·m2。
10.如权利要求6所述的管道系统，其特征在于，所述管道破损检测和监测装置基于四电极法或电流环法进行测试并计算出面电阻率。
11.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，所述管道系统还包括防雷接地装置，所述导线还能够连接到防雷接地装置，所述防雷接地装置包括避雷件以及串联或并联连接的去耦合器，避雷件连接到内部金属管道，并通过去耦合器接地。
12.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，所述管道系统还包括监控系统，所述导线还能够连接到监控系统，该监控系统通信地连接到测试装置、排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置，以监测内部金属管道的对地电位、排流器、管道破损检测和监测装置与防雷接地装置的工作状态并在检测到异常工作状态时发出报警信号。
13.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，缠绕在所述外部补口段上的纤维复合材料的厚度与外部非金属管段的厚度相同。
14.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，纤维复合材料增强层的厚度按照如下方式计算，以使增强层的轴向承力强度不小于外部非金属管道的承力强度：
其中，tco是纤维复合材料增强层的厚度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，σo是纤维复合材料增强层的材料强度，f是增强系数，取值大于0.01。
15.如权利要求14所述的管道系统，其特征在于，纤维复合材料增强层的厚度按照如下方式计算，以使增强层的轴向承力强度不小于外部非金属管道的承力强度：
其中，tco是纤维复合材料增强层的厚度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，σo是纤维复合材料增强层的材料强度，f是增强系数，取值大于等于1。
16.如权利要求14所述的管道系统，其特征在于，外部非金属管道的材料强度是抗拉强度或屈服强度，纤维复合材料增强层的材料强度是抗拉强度或屈服强度。
17.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度按照如下方式计算，以在增强层承受轴向应力时不会在增强层与外部非金属管道之间造成滑脱：
其中，Lco是纤维复合材料增强层的从所述接缝远离所述外部补口段延伸的长度，tcc是外部非金属管道的厚度，σc是外部非金属管道的材料强度，τint是纤维复合材料增强层与外部非金属管道之间的界面剪切强度，f是增强系数，取值大于等于1。
18.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，所述纤维复合材料增强层的长度为：
L≥2×LCO+LC
其中，Lc为外部补口段的长度。
19.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，所述纤维材料选自芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、硼纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和陶瓷纤维。
20.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，纤维复合材料增强层和缠绕在外部补口段上的纤维复合材料均是单向纤维布、纵向和横向垂直的双向纤维布或者纵向、横向和斜向交错的多向纤维布。
21.如权利要求20所述的管道系统，其特征在于，所述单向纤维布和所述双向纤维布能够相对于管道的延伸方向平行地、垂直地和斜向地铺设。
22.如权利要求1所述的管道系统，其特征在于，每个管道段还包括设置在内部金属管段的内壁上的内涂层或内衬，内部金属管段从内涂层或内衬的两端伸出预定距离以形成内部补口段，在相邻的内部金属管段彼此焊接起来的情况下，另外的内涂层或另外的内衬设置在该内部补口段上，以形成内部补口层。
23.如权利要求22所述的管道系统，其特征在于，所述内涂层或内衬由金属、非金属或复合材料构成。
24.如权利要求1或2所述的管道系统，其特征在于，还包括阴极保护系统。
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