应力应变监测系统在机场天然气管网中的应用

李号渠

上海市安装工程集团有限公司，上海，200000

0 引言

近年来，随着我国经济社会的高速发展，城市生活节奏的不断加快，人们出行方式随之也发生了很大的变化，其中一个明显特征就是大型机场的数量在不断地增加。众所周知，大型机场航站楼为人员密集场所，因此，确保航站楼内各类能源动力系统的安全运行，能为人们的安全出行保驾护航。施航站楼内通常分散设有多个餐厅，而这些餐厅多为天然气用气场所，且这些用气场所的燃气是通过距离航站楼几公里外的调压站将上游市政燃气调压后经机场埋地敷设的燃气管网输送而来。航站楼空侧频繁有飞机起降，它可能会对周边埋地管网产生一定外力作用。另外大型机场通常也是地铁线路的站点之一，在有地铁穿越的航站楼，地铁运营对其上部埋地天然气管道可能产生一定的外力作用。另外，埋地管网局部穿越机动车道位置处，在临时大型抢险救援车辆或大型物资车辆经过时，也可能产生较大的荷载。为防止航站楼周边天然气埋地管网因受过大外力作用爆破，导致天然气大量泄漏，酿成火灾或发生爆炸，造成重大安全生产事故，为人们的生命财产带来重大损失，因而对航站楼周边天然气管网的实时应力应变监测很有必要。

1 应力应变监测系统工作原理

应力应变监测系统主要由HMI组态软件、终端接收器、主控制器、数据采集系统和传感器五个部分组成（图1）。每个管道应力监测点处均点焊有传感器，传感器将采集到的管道振动频率信号等信号通过RS485链路传至数据采集系统的采集器，采集器通过RS485链路将数据以固定格式传至主控制器，主控制器用于主动读取采集器通过RS485链路上传的数据，并逻辑计算后得出监测点处的应变值、应力值及温度值，然后将这些数据通过GPRS/北斗信号传至终端接收器，最后，终端接收器通过RS232链路传至监控中心，在应力应变HMI组态软件上将应力监测点处应力、应变、温度等监测数据显示出来，并和监测系统设置的事预警值对比，若超过了预警值，将以图像和声音的形式发出报警。

应力应变监测系统核心部件为传感器，本项目传感器采用的是振弦式应变计，它以张紧的振弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小，其输入量为力、输出量为频率信号[1]。振弦应变计由振弦、磁铁、振弦夹紧装置组成，敏感元件振弦是一根张紧的金属丝，置于直流磁场中，其中一端固定在夹块上，另一端和感压膜片或者运动部分相连，张力作用于感压膜片上，使弦张紧[2]，振弦的固有频率可由式（1）确定：

式中，f0为振弦的固有频率Hz；l为振弦的有效长度，m；ρ为振弦的线密度，kg/m；T为张力，N。

弦的应变与张力的关系为：

式中，ε为弦的应变，με；S为弦的截面积，m2；E为弦的弹性模量，m2/N。由（1）（2）两式可知，若测出振弦的频率值，则可计算出振弦所受应力的数值及振弦应变的数值。

2 应力应变监测系统的组成

2.1 应力应变监测系统应变计的选择

目前工程上应用的应变计主要有电阻应变片、光纤应变计和振弦式应变计[3]。电阻应变片的缺点是受温度变化影响大，抗干扰性差；光纤应变计的缺点是寿命短，配套设备价格昂贵。振弦式应变计以其长期的稳定性能而著名[4]，振弦传感器之所以优于一般其他类型传感器，就在于其输出的不是电压信号而是频率信号，而频率信号可以用电缆远距离（大于2000米）传输，信号的传输基本不受导线电阻变化、温度波动以及绝缘电阻变化的影响。

本项目传感器采用的是美国基康的4100型点焊式振弦应变计，该设备检测程序遵从和依照ANSI/NCSL Z540-1检测实验室以及测量测试仪器一般规定。此外，主要检测标准依据NIST相关法则制定，并按照ISO/IEC 17025鉴定标准在实验室通过校核，完全满足GB/T13823.20-2008规范要求。它在每个监测节点布置3个传感器，且传感器带有温度检测功能。另外，基康又在传感器内部及外型方面采用了精致而坚固的设计，使仪器显示出极佳的长期稳定性，特别适用于在恶劣的环境中进行长期测量。

4100型点焊式振弦应变计硬件参数为：（1）长度51mm；（2）量程3000με；（3）灵敏度为0.4με；（4）精度为0.5 %F.S.；（5）非线性为＜0.5%F.S.；（6）温度范围为-20℃～+80℃。

2.2 应力应变监测系统主控制器的选择

本项目选用的是DRAC系列控制器，其主要应用在静态微应力应变检测与分析系统中，控制器集传感器数据采集、数据有线/无线传输等功能为一体。

DRAC系列控制器硬件参数为：（1）32位ARM处理器；（2）工作温度范围-40℃—75℃；（3）可扩展的无线通信模块，通信协议为MODBUS；（4）9V—16VDC供电；（5）控制器功耗约为1W； （6）5个振弦式传感器采集接口，测量精度0.1Hz；（7）3个环境传感器采集接口（4-20mA）；（8）3个RS485接口，支持标准Modbus RTU协议，支持自定义协议，用于与第三方设备通讯；（9）1个USB接口（用于控制器参数配置及固件升级）；（10）高精度RTC实时时钟模块，内置锂电池，保持时间2年以上；（11）控制器防爆、防尘、防水等认证。

2.3 应力应变监测系统通信组网结构

因机场占地面积较大，应力应变监测点到应力应变系统监控中心的距离过远，应力应变监测系统若采用有线电缆传输，则传输电缆在前期施工阶段的埋设及后期机场投产运营阶段的故障检修都会面临较大的难题。一是航站楼周围多家施工单位的室外埋地管线错综复杂，在施工阶段各家施工单位进度很难统一，难以避免出现二次开挖现象，而二次开挖很容易对已埋传输线缆造成破坏；二是在投产运营期检修困难，以现有技术水平，出现通信故障时传输电缆断点位置难以确定，很可能会出现大面积二次开挖现象，检修成本高。因此，我们现场选用了太阳能电池板自发电供电，5G物联网无线通信方式，该通信方式配套设备安装方便，便于检修，且数据传输速率高，安全可靠，能保证24小时全天候数据传输，可将监测点的监测数据实时传输给监控中心，确保监控中心对监测点管网应力、应变、温度等参数的实时掌握。

对于天然气管道工程，它们都有个共同的特点，就是结构庞大。要全面地掌握天然气管道形变情况，在实际应用中，都要求系统的测点多，分布范围广，能涵盖整个结构最重要的节点。

在分布式采集方式中，将数据采集系统和传感器一起分散地就近布置在整个工程各个关键检测节点，数据采集系统对某一个检测节点的所有传感器进行数据采集、信号处理、与上位机通信。这样避免传感器经过很长的距离向数据采集系统发送信号，减少了模拟量的传输距离，提高整个系统的抗干扰能力。此外，每个数据采集系统都是独立工作的，当某一采集系统不能工作时，并不影响整个系统和整体的检测结果，这有利于提高系统的稳定性和安全性。应力应变监测系统由HMI组态软件、终端接收器、主控制器、数据采集系统和传感器五个部分组成。一个数据采集系统可以挂接多路振弦式传感器，而整个主控系统又可以连接多个数据采集系统。工作时， 当主控制器发出读取数据信号时，每个数据采集系统对传感器逐个巡检，将采集的信号进行处理，通过RS485上传至主控制器。主控制器再将数据通过无线网络传至终端接收器，并显示在上位机上。另外，上位机若需要知道某一路传感器的信号，可以向数据采集终端发送一个主动呼叫数据信号。

2.4 应力应变监测系统HMI组态软件

监控中心系统组态软件是一款人机交互软件，将监测点测量出的频率值、应变值、应力值显示出来，并能进行多类报警值的设置。

图2为应力应变监测系统HMI组态软件，它主要为录入项和读取项，下面对其功能

进行介绍：

（1）录入项

管道参数中的管道外径、管道壁厚、管材最低屈服强度，三项可以根据现场管道情况来录入。

（2）读取项

管道上焊有三个应变采集器，水平面为0°传感器和180°传感器，垂直面为90°传感器，它们的频率值和温度值都是现场实时采集值，若此处画面出现红框或数值为0代表当现场传感器出现异常或故障。管道应力参数的最大轴向应力、最小轴向应力、环向应力三个数值是根据传感器测得的频率值经逻辑计算得出的，其数值随频率值的变化而变化。应力占比是最为关键的数据，是指管道所受应力与管道屈服强度的比值，当数值为100%时，表明管道所受应力已达屈服强度。系统可预先设置一个管道受力危险状态报警值，当应力占比大于此设置值时，应力监测系统将发出报警信号。

3 应力应变监测系统的应用

3.1 监测点布置图

因飞机降落时可能会对周边埋地管线产生应力作用，且地铁在航站楼下方横穿，故在航站楼附近的管线设置应力应变检测点；管线拐弯的地方的应力变化相对直管来说更大，故在管线拐弯的地方单独设点，航站区段管道上共放置应力应变监测设备（每组包括：振弦应变计+采集器+主控器）5套。具体设点如下：分别位于北垂滑右侧、北垂滑左侧、T1航站楼、T2航站楼、五星级酒店南侧，如下图3红圈位置所示。

3.2 运行情况分析

该系统投入运行后，监控中心制定有燃气管网安全运行管理体系[5]，并有运营工程师二十四小时值班看守。由最近三个月的据监测数据可知，五个监测点处应力值、应变值曲线都是接近水平状态，偶有轻微的波动，但均位于报警值以下。这说明五个监测点处的埋地供气管道，在受到附近飞机起降、下方地铁运行、路面大型重车过路等外力作用时，所受应力、应变虽然有些变化，但目前仍在安全范围内。假如在将来某个时间段，应力应变监测曲线出现连续的超过报警值状态，则表明管道很可能已处于危险状态，值班人员应立即远程切断监测点上下游调压柜阀门，并带上燃气泄漏检测设备赶赴现场查看原因，如确实发生泄漏事故应立即制定燃气泄漏现场处置方案并实施有力的处置措施[6]。

4 结论

（1）本文系统地阐述了应力应变监测系统的工作原理，应变计、主控制器的选型，通信组网结构，以及HMI组态软件的功能和监测系统的实际应用。

（2）通过对应力应变监测系统实际观测数据的分析，及与现场实际情况的对比，表明该套系统确实可以起到天然气供气管道应力、应变的监测功能，为将来管道发生变形和破裂现象提供了预警功能，具有很强的现实意义。