CN214332338U - 一种热管道监测用连接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热管道监测用连接装置，属于土木工程和供热工程试验技术领域。包括限位环(21)、固定螺钉(22)、连接螺杆(16)、隔热短柱(17)、定位螺杆(18)、底座(19)、支架(20)和水准器；所述限位环(21)用于通过外护管安装相应的传感器，连接螺杆(16)和隔热短柱(17)均采用绝缘、耐热和耐腐性材料制成，连接螺杆(16)一方面与限位环(21)固定连接，另一方面与隔热短柱(17)一端固连；定位螺杆固定在底座(19)中心；水准器固定在底座(19)对称轴上，且水准器的水准面保持水平朝上。该装置不仅能直接监测具有外防护层和保温层的直埋供热管道钢内管的水平方向位移，同时适用于其它材质管道的水平方向位移监测。

Description

一种热管道监测用连接装置

技术领域

本实用新型涉及土木工程和供热工程试验技术领域，特别涉及一种热管道监测用连接装置，尤其是用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移。

背景技术

供热管道在运行中产生的综合位移不仅是管道安全方面的重要数据，也是管道设计中需要考虑的重要参数，位移监测是供热工程管道安全运行中的一项重要内容。随着设计理论和施工技术的进步，供热管道的直径越来越大，铺设方式已基本上完成了由传统的地沟方式向直埋方式的过渡，越来越多的工程采用无补偿冷安装施工方式进行建设。直到19世纪80年代，直埋供热管道铺设技术才取得了新的突破，首先在东北地区推广应用。

直埋无补偿方式通过减少固定墩和补偿器的数量提高了施工效率，降低了施工成本，但同时也对热网设计和管道运行安全带来了新的挑战。欧美国家对供热管道数字化远程安全监测研究较早，更多着眼于管道应变和泄漏安全方面的监控，采用质量或体积平衡法、压力梯度法、声波检测法等。国内的发展处于由综合发展阶段向自动化控制阶段的转型阶段，采用人工检测、声波检测、红外线检测、直埋预警线、分布式光纤检测等方法。在有补偿直埋管道中，管道的变形监测目标主要是垂直方向的变形。但是对于直埋无补偿管道而言，由于锚固段所受的力以及过渡段活动端的位移量都比较大，易出现整体变形破坏；当管线附近平行开沟时，易产生整体水平方向失稳，引起安全事故。因此，水平位移监测是直埋无补偿管道安全监测的重要方面之一。

由于直埋供热管道钢内管工作温度高，设计温度多在130℃左右，导致大部分电子数据采集仪器无法正常工作。此外，内管外部还有一定厚度的保温层和外防护层，这都为直接监测钢内管水平位移带来了困难。如申请号为CN201811610810.3《供热管道位移测量及诊断系统及其工作方法》中水平位移监测是通过供热管道表面的抱箍进行传递，并不是对供热管道内管进行测量，不能用于高温监测。申请号为CN201721127167.X《一种管道变形测量装置》的专利针对无保温层的金属管道局部损伤(凹凸变形)进行测量，无法对有弹性保温层的供热管道进行测量，不能用于高温监测。上述专利所涉及的装置和方法或通过供热管道外防护层外侧进行间接测量，或只能测量管道的轴向变形，均无法实现对供热管道钢内管水平位移进行直接监测。

因此，实用新型一种可以直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的装置和方法尤为重要。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提出一种热管道监测用连接装置，用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移。

为解决上述技术难题，本实用新型采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型提供一种热管道监测用连接装置，其特征在于，该连接装置包括限位环(21)、固定螺钉(22)、连接螺杆(16)、隔热短柱(17)、定位螺杆(18)、底座(19)、支架(20)和高精度水准器(23)；

所述限位环(21)用于通过外护管安装相应的传感器，连接螺杆(16)和隔热短柱(17) 均采用绝缘、耐热和耐腐性材料制成，连接螺杆(16)一方面与限位环(21)固定连接，另一方面与隔热短柱(17)一端固连；

隔热短柱(17)另一端与定位螺杆(18)螺纹连接；

定位螺杆(18)、底座、支架均与管道材质刚度相近，定位螺杆固定在底座(19)中心；高精度水准器(23)固定在底座(19)对称轴上，且高精度水准器(23)的水准面保持水平朝上；

支架(20)具有多个支脚，多个支脚均匀对称布置于底座(19)周边，支脚一端与底座 (19)固连，另一端与热管道内管(8)连接；连接螺杆一端的隔热短柱端面到支架与供热管道内管固定点之间的距离定义为测量高度H，测量高度H不大于热管道保温层(9)和外防护层(10)的厚度之和。

第二方面，本实用新型提供一种用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的设备，该设备应用上述的连接装置，连接装置的支架与热管道内管水平侧面固定，在水平方向上连接装置能够与管道内管(8)共同变形。

用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的设备基于物联网技术，包括供电系统、数据采集系统、数据传输系统、云端数据处理系统，供电系统为数据采集系统和数据传输系统供电，数据采集系统包括水平位移传感器(1)和外护管(2)，外护管安装在限位环(21) 内，水平位移传感器(1)安装在外护管内，且水平位移传感器通过连接装置(4)与直埋供热管道内管(8)直接连接，从而采集到管道内管(8)在水平方向上产生的位移数据；数据传输系统将数字信号通过无线4G或5G网络传输至云端数据处理系统(15)；云端数据处理系统用于实现远程数据存储、数据访问和用户管理，实现对直埋供热管道钢内管水平位移的实时监测。

第三方面，本实用新型提供一种用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的方法，该方法包括以下步骤：

S1.根据预先设定的监测点位置对直埋供热管道钢内管外部进行局部开槽，去除保温层 (9)和外防护层(10)，露出管道内管(8)外壁并进行清理以便焊接；

S2.根据直埋供热管道保温层(9)和外防护层(10)的厚度，制作连接装置(4)，其中隔热短柱(17)的长度不小于20mm，此时限位环(21)和固定螺钉(22)暂时不安装；

S3.通过钢制四脚支架(20)将连接装置(4)焊接于供热管道内管(8)水平侧面，使定位螺杆(18)的中心点与管道内管的水平直径相重合；

S4.采用二次热熔法恢复连接装置(4)处的保温层(9)和外防护层(10)，并使连接螺杆(16)的一端伸出外防护层(10)，然后通过固定螺钉(22)将限位环(21)固定于连接螺杆(16)；

S5.将外护管(2)穿过限位环(21)，垂直设置于连接螺杆(16)的外侧；

S6.将水平位移传感器(1)放入外护管(2)内，水平位移传感器与外护管之间的空隙用细砂(3)填充密实，并紧固好限位环(21)；

S7.将供电系统与水平位移传感器(1)和数据解算模块(7)相连接，打开锂电池组(6) 电源，与云端数据处理系统(15)进行通讯；

S8.设定数据采集时间和频率，实现对直埋供热管道钢内管水平位移的监测。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)本实用新型连接装置采用与管道刚度相近的材料作为连接材料，并通过绝缘、耐热材料将管道内管和传感器连接，使传感器能够直接测量管道内管的数据变化，实现对管道内管数据的直接监测。

(2)本实用新型连接装置采用钢材和高分子材料(酚醛树脂)制作，具有刚度大和隔热效果好的特点，这两种材料的弹性模量大，采用螺扣紧固连接，连接装置整体刚度大、变形小。钢质支架与钢内管焊接以保证连接牢固，高分子材料(酚醛树脂)的连接短柱作为主要隔热组件，连接数据采集系统和钢底座，实现在高温下的数据采集。连接装置具有制作简单、安装方便、连接牢固可靠等特点；防水耐腐，适用于地下环境；刚度大变形小，能将钢内管水平方向位移引出至保温层外，便于传感器测量；隔热效果好，能使水平位移传感器免受高温影响，解决了直埋供热管道内管水平位移监测时遇到的困难。

(4)连接装置中的连接螺杆(16)和隔热短柱(17)采用了高分子材料(酚醛树脂)制作，具有良好的隔热性能，填砂的作用能够保证传感器和外护管之间紧密接触。

(5)本实用新型设备可通过改变连接装置的尺寸(根据热管道保温层和外防护层的总厚度确定钢制四脚支架的长度L和与底座垂直面夹角α)，实现对不同直径的地埋供热管道钢内管水平位移进行直接监测；通过改变连接装置的材料和与管道内管的连接方式(如针对非金属材质管道四脚支架可以更换为酚醛树脂制成，通过胶液粘结的方式实现四脚支架与非金属材质管道的固定连接)，满足对不同材质的管道内管水平位移进行直接监测的要求，材料在选择时要保证连接装置能与管道内管同变形。

(6)本实用新型通过研制具有隔热功能的连接装置解决了高温使传感器不能正常工作的难题，实现了对高温供热管道内管水平位移的直接监测和监控，该方法具有定位精度高、监测数据准确、适用范围广等优点。

(7)本实用新型设备中数据采集系统是集成了数据解算模块和无线传输模块，数据解算模块将水平位移传感器采集到的倾角数据解算为位移数据，无线传输模块能够实现数据的无线传输，数据传输系统利用物联网技术，将采集系统解算后的数字信号，通过4G或5G 无线网络传输至云端数据处理系统，实现了数据的远程监控。云端数据处理系统将采集到的数据在云端通过开发具有不同功能的模块分别进行存储、访问和管理，能够适用于直埋供热管道的水平位移的直接监测，实现远程可视化查看。

(8)本实用新型方法通过连接装置将钢内管的水平位移传递给水平位移传感器，连接装置通过其上的高精度水准器进行水平定位，能将连接装置准确定位于钢内管水平侧表面，其测量水平位移的精度高。

附图说明

图1为本实用新型用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的设备的安装结构示意图。

图2为本实用新型连接装置主视结构示意图。

图3为本实用新型连接装置的俯视结构示意图。

图4为本实用新型实施例1的监测结果示意图。

图5为数据解算模块的计算原理图。

图中：1、水平位移传感器，2、外护管，3、细砂，4、连接装置，5、太阳能电池板，6、锂电池组，7、数据解算模块，8、管道内管，9、保温层，10、外防护层，11、下覆砂垫层， 12、上覆砂层，13土层，14、数据发射天线，15、云端数据处理系统，16、连接螺杆，17、隔热短柱，18、定位螺杆，19、钢底座，20、支架，21、限位环，22、固定螺钉、23、高精度水准器。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型做进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本实用新型一种用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的装置和方法，包括供电系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统和数据采集系统与供热管道之间的连接装置。

所述的供电系统包括：可更换的锂电池组(6)和可更换的太阳能电池板(5)。太阳能电池板(5)可以为锂电池组(6)补充电量，功率50W。锂电池组(6)为水平位移传感器 (1)、数据解算模块(7)和数据发射天线(14)提供稳定工作电压，锂电池组输出电压为 12V。

所述的数据采集系统包括水平位移传感器(1)和外护管(2)。水平位移传感器(1)通过数据采集系统与供热管道之间的连接装置(4)与直埋供热管道内管(8)连接，在水平方向上能够与管道内管(8)共同变形，从而采集到管道内管(8)在水平方向上产生的位移数据。连接装置采用钢材和高分子材料(酚醛树脂)制作，这两种材料的弹性模量大，采用螺扣紧固连接，所以连接装置整体刚度大、变形小，同时连接装置与钢内管采用焊接连接，属于刚性连接，可以保证两者共同变形。外护管(2)置于水平位移传感器(1)外部，其内径比水平位移传感器(1)外径大，两者之间用细砂(3)填充密实，用以保证水平位移传感器 (1)正常工作。数据采集系统垂直设置于管道监控点旁，且位于外防护层(10)外侧，水平位移传感器底部植入下覆砂垫层(11)内固定，水平位移传感器顶部位于上覆砂层(12) 内。

本实用新型中连接装置材料选择要求是：首先，要求连接装置整体材料具有较大的弹性模量(大于1GPa)，以减小由于材料的压缩变形带来的误差。酚醛树脂弹性模量约为2GPa，钢材弹性模量约为200GPa，这两种材料的弹性模量很大，具有很好的抵抗变形的能力，满足使用要求；其次，连接装置中由这两种材料制成的组件采用螺扣连接，这种连接方式属于刚性连接，无缝隙，整体性强；最后，连接装置通过支架与钢内管焊接，这种方式属于刚性连接，整体性强。综上，连接装置制作时选用弹性模量大的材料，各组件之间以及装置整体与钢内管之间的连接方式都采用刚性连接，可以满足监测的要求。

所述的数据解算模块(7)和数据发射天线(14)。数据解算模块(7)将水平位移传感器(1)传来的倾角数据解算为位移数据，通过数据发射天线(14)经4G或5G网络传输至云端数据处理系统(15)。数据解算模块是基于MEMS SCA103T传感器开发的一套算法，申请中提到的水平位移传感器为MEMS SCA103T传感器。数据解算模块的计算原理如图5所示：

水平位移测点处的总位移量Δ可由其下各辅助测点之间的水平位移差Δ_i之和的计算得到，即：

Δ＝Δ₁+Δ₂+…+Δ_i

＝l₁tanα₁+l₂tanα₂+…l_itanα_i

其中，l_i为各辅助测点之间的垂直距离，α_i为各辅助测点之间连线与垂直方向的夹角。

所述的云端数据处理系统包括数据存储模块、数据管理模块和用户管理模块实现远程数据访问和管理。

数据存储模块采用SQL数据库存储接收到的水平位移数字数据，该数据存储模块采用 SQL语言进行开发；数据管理模块用来读取、显示、导入和导出监测点水平位移数据，该模块采用VC软件开发；用户管理模块为用户提供可视化对话窗口，用户通过对话窗口可以实现账号管理、角色管理和权限管理等功能，该模块采用VC软件开发；以上各模块组成云端数据处理系统，该系统运行于云端服务器平台上。

所述的云端数据采集系统与供热管道之间的连接装置由限位环(21)、固定螺钉(22)、连接螺杆(16)、隔热短柱(17)、定位螺杆(18)、钢底座(19)、钢制四脚支架(20)组成和高精度水准器(23)组成。所述限位环(21)用于固定外护管(2)，直径可根据外护管(2) 外径调整；限位环(21)与连接螺杆(16)通过固定螺钉(22)连接；连接螺杆(16)采用酚醛树脂制作，具有较高的机械强度、良好的绝缘、耐热和耐腐性能；连接螺杆(16)一端通过固定螺钉(22)与连接螺杆(16)相连接，另一端通过螺扣与隔热短柱(17)相连接。隔热短柱(17)采用酚醛塑料制作，一端通过螺扣与连接螺杆(16)相连接，另一端通过螺扣与定位螺杆(18)相连接。定位螺杆(18)采用钢制作，通过焊接与钢底座(19)相连接；高精度水准器(23)焊接于钢底座(19)的一条对称轴上，安装时水准泡水平朝上；钢底座 (19)形状为圆形或正方形，其厚度不小于5mm，测量高度H小于保温层和外防护层厚度之和，并能根据保温层和外防护层厚度之和进行调整；定位螺杆(18)焊接于钢底座(19) 顶面中心处；钢制四脚支架(20)均匀对称布置于钢底座(19)周边，上端通过焊接与钢底座(19)连接，下端通过焊接与供热管道内管(8)连接。钢制四脚支架(20)长度L和与钢底座(19)垂直面夹角α可根据测量高度H的要求进行调整。

一种用于直接监测直埋供热管道钢内管水平位移的方法，其特征包括以下步骤：

S1.根据预先设定的监测点位置对直埋供热管道进行局部开槽，去除保温层(9)和外防护层(10)，露出管道内管(8)并进行清理以便焊接；

S2.根据直埋供热管道保温层(9)和外防护层(10)的厚度，制作连接装置(4)(连接装置的测量高度H与这两层的厚度有关)，其中隔热短柱(17)的长度不小于20mm，此时限位环(21)和固定螺钉(22)暂时不安装；

S3.通过钢制四脚支架(20)将连接装置(4)焊接于供热管道内管8水平侧面，焊接时通过调整连接装置(4)的位置，使高精度水准器(23)的气泡位于正中心处，此时定位螺杆(18)的中心点与管道内管(8)的水平直径相重合，水平位移传感器(1)测量的数据为钢内管的正侧方水平位移；

S4.采用二次热熔法恢复连接装置(4)处的保温层(9)和外防护层(10)，使连接螺杆 (16)伸出外防护层(10)外，通过固定螺钉(22)将限位环(21)固定于连接螺杆(16)；

S5.将外护管(2)穿过限位环(21)，垂直设置于连接螺杆(16)的外侧；

S6.将水平位移传感器(1)放入外护管(2)内，两者之间空隙用细砂(3)填充密实，并紧固好限位环(21)。

S7.将供电系统与水平位移传感器(1)和数据解算模块(7)相连接，打开锂电池组(6) 电源，与云端数据处理系统进行通讯；

S8.采用手机、电脑和平板等终端设备，通过云端数据处理系统中的用户管理模块进行数据传输测试，成功后对数据进行初始化，并设定数据采集时间和频率。

实施例，垂直于管道轴线方向水平位移监测。

1)根据预先设定的监测点位置对直埋供热管道进行局部开槽，去除保温层(9)和外防护层(10)，露出管道内管(8)并进行清理以便焊接；

2)根据直埋供热管道保温层(9)和外防护层(10)的厚度，制作连接装置(4)，其中隔热短柱(17)的长度为20mm，此时限位环(21)和固定螺钉(22)暂时不安装；

3)通过钢制四脚支架(20)将连接装置(4)焊接于供热管道内管(8)水平侧面，焊接时通过调整连接装置(4)的位置，使高精度水准器(23)的气泡位于正中心处，此时定位螺杆(18)的中心点与管道内管(8)的水平直径相重合，水平位移传感器(1)测量的数据为管道内管的正侧方水平位移；

使定位螺杆(18)的中心点与管道内管(8)的水平直径相重合(中心重合时为了保证测量点是管道内管的正侧面。采用的方法是将水准气泡调整至高精度水准器的中心处)；

4)采用二次热熔法恢复连接装置(4)处的保温层(9)和外防护层(10)，连接螺杆(16) 伸出PE保温层(10)外的长度为10mm，通过固定螺钉(22)将限位环(23)固定于接螺杆(16)；

5)将外护管(2)穿过限位环(21)，垂直设置于连接螺杆(16)的外侧；

6)将水平位移传感器(1)放入外护管(2)内，之间空隙用细砂(3)填充密实，并紧固好限位环(21)。

7)将供电系统与水平位移传感器(1)和数据解算模块(7)相连接，打开锂电池组(6) 电源，与云端数据处理系统进行通讯；

8)采用手机、电脑和平板等终端设备，通过云端数据处理系统中的用户管理模块进行数据传输测试，成功后对数据进行初始化，并设定数据采集时间为24小时，采集频率为1 次/小时。采集到的水平位移数据如图4所示：

实施例为一段供热管道，测点1是回水管道的水平位移，侧点2是供水管道的水平位移，测点1和侧点2位于管道同一断面处。实施例数据说明：本实用新型的装置和方法可以实现监测供热管道钢内管水平位移；供水管温度高于回水管温度，理论上供水管水平位移应大于回水管水平位移，测量结果显示相同时刻供水管水平位移大于回水管水平位移，与理论结果相符合；在供热管道运行期间，管道温度是随时间变化的，测量结果反映了钢内管水平位移随温度(时间)变化的情况，说明本实用新型的装置和方法具有较高的精度，测量结果符合供热管道运行实际情况。

本实用新型的技术方案在于：

(1)该方法采用的连接装置具有制作简单、安装方便、连接牢固可靠、隔热效果好、防水耐腐、刚度大变形小等优点，能在地下环境工作，能使位移传感器免受高温影响，能将内管位移引出至保温层外，解决了对直埋供热管道内管水平位移直接监测时遇到的困难。这是本实用新型最为关键的创新点。

(2)采用该方法，通过改变连接装置的尺寸，可对不同直径的地埋供热管道内管水平位移进行直接监测；通过改变连接装置的材料和与管道内管的连接方式，可对不同材质的管道内管水平位移进行直接监测，这是本实用新型最具特色的创新点。

(3)本申请采用了隔热材料-酚醛树脂制成的连接装置使传感器能够用于高温环境 (130℃左右)下的检测，本申请能够检测水平总位移，包含由弯曲变形和均匀变形(平移) 引起的位移和。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种热管道监测用连接装置，其特征在于，该连接装置包括限位环(21)、固定螺钉(22)、连接螺杆(16)、隔热短柱(17)、定位螺杆(18)、底座(19)、支架(20)和水准器；

所述限位环(21)用于通过外护管安装相应的传感器，连接螺杆(16)和隔热短柱(17)均采用绝缘、耐热和耐腐性材料制成，连接螺杆(16)一方面与限位环(21)固定连接，另一方面与隔热短柱(17)一端固连；

隔热短柱(17)另一端与定位螺杆(18)连接；

定位螺杆固定在底座(19)中心；水准器固定在底座(19)对称轴上，且水准器的水准面保持水平朝上；

支架(20)具有多个支脚，多个支脚均匀对称布置于底座(19)周边，支脚一端与底座(19)固连，另一端与热管道内管(8)连接。

2.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于，所述连接螺杆(16)和隔热短柱(17)均采用酚醛树脂材料制成，定位螺杆(18)、底座、支架均采用钢制材料制成，底座形状为圆形或正方形，底座厚度不小于5mm，底座与支架之间的空间内也填充保温材料。

3.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于，支架(20)为钢制四脚支架，支脚数量为四个，连接螺杆一端的隔热短柱端面到支架与供热管道内管固定点之间的距离定义为测量高度H，支脚长度L和与底座垂直面夹角α根据测量高度H进行调整。

4.根据权利要求1所述的连接装置，其特征在于，连接装置(4)安装时，固定在供热管道内管(8)水平侧面，使定位螺杆(18)的中心点与管道内管(8)的水平直径相重合；在水平方向上连接装置能够与管道内管(8)共同变形。

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