開放空間大尺度可燃氣云爆炸測試技術(shù)探討

謝 萍，李明智，劉振翼

(1.中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司，新疆 烏魯木齊 830000;2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引 言

大量可燃氣體有可能從氣體儲罐或者輸氣管道中泄漏出來，在空氣中擴散混合形成大規(guī)模氣云爆炸混合物，一旦氣云被點燃就會發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓在開放空間依然具有很大的破壞作用。目前關(guān)于氣云的爆炸測試研究主要局限于實驗室階段或者小尺度實驗，其中涉及的實驗氣云規(guī)模較小，氣云通過肥皂泡、塑料薄膜或乳膠氣球約束生成[1-4]，且實驗均在理想條件進行，實驗裝置及測點相對較少，不能應(yīng)用于大尺度氣云燃爆實驗。對爆炸測試系統(tǒng)的設(shè)計研究，當(dāng)前國內(nèi)外測試沖擊波廣泛采用有線式，即將傳感器的輸出信號通過信號電纜傳輸給遠端的信號調(diào)理和采集系統(tǒng)。文獻[5]設(shè)計了一種用于炸藥爆炸的遠距離多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于美國國家儀器（NI）公司的軟件LabVIEW8.2，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集控制、波形顯示和數(shù)據(jù)的分析處理的功能，為電測方法提供了依據(jù)。文獻[6]在虛擬儀器的平臺基礎(chǔ)上設(shè)計了分布式網(wǎng)絡(luò)通信的沖擊波場超壓測試系統(tǒng)。文獻[7]將壓力傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在堅固的鋼殼內(nèi)，構(gòu)成一種可相對獨立工作的便攜式超壓測試儀，解決傳感器長引線帶來的安裝不便、易受干擾的實際測試問題；但人員撤出場地設(shè)備無法監(jiān)控，不能可靠保證數(shù)據(jù)成功獲取。文獻[8]為解決爆炸場中振動強度有線測量存在的問題，提出一種具有負延遲功能的存儲測試方案。以上測試系統(tǒng)均未應(yīng)用于大尺度氣云爆炸測試中，且以往測試具有測點少、測試范圍有限、測試傳輸方式單一等局限性。

我國已經(jīng)建成首座全尺寸天然氣管道爆破試驗場，需要配備相關(guān)測試裝備，制定測試方法，進行大尺度氣云爆炸超壓的測試。文獻[9]進行了150 mm直徑管道爆破后產(chǎn)生的氣云爆燃沖擊波的實驗，但其主要是近地面二維場壓力測試，且測點較少，測試系統(tǒng)并未詳細提及。

目前尚無針對開放空間大尺度可燃氣云爆炸高空三維超壓測試的技術(shù)解決方案。本文提出基于沖擊波超壓三維測試、多點采集同步聯(lián)動觸發(fā)控制的數(shù)據(jù)采集技術(shù)：采用高空三維測點布置、同步聯(lián)動觸發(fā)控制、多點聯(lián)動采集、傳感器加裝絕緣及防震材料的防信號干擾的測試方法，克服野外惡劣環(huán)境條件的影響，進行了全尺寸天然氣管道爆破后大尺度可燃氣云（擴展后直徑300～400 m）爆炸沖擊波超壓測試。

1 大尺度氣云爆炸測試條件及爆炸特點

1.1 現(xiàn)場測試條件

外徑1 422 mm、壁厚21.4 mm、長度130 m的天然氣管道，管內(nèi)壓力12 MPa，在管道的正中間處安裝線性聚能切割器，為管道人為引入一條長500 mm、寬10 mm的裂紋。在裂紋開口處，高壓的天然氣沖出管道后通過引燃彈將空中的天然氣引燃（引燃高度范圍50～200 m），測試該條件下天然氣管道破裂氣云爆燃產(chǎn)生的沖擊波和熱輻射，以分析對周邊環(huán)境的影響。

測試需滿足的要求：1)獲取天然氣管道爆燃后在空間范圍內(nèi)衡量沖擊波和熱輻射量的數(shù)值；2)搭建的測試系統(tǒng)需安全可靠，保證數(shù)據(jù)的獲取率；3)數(shù)據(jù)采集和天然氣云引燃時間必須同步，方能測得影響最大的數(shù)據(jù)；4)各類測試傳感器的量程選擇需合適，避免采集無效數(shù)據(jù)；5)測點布置需在天然氣管道爆炸的有效范圍內(nèi)。

1.2 氣云爆炸特點

2 測試原理

基于本次試驗條件，測試設(shè)備主要包括傳感器導(dǎo)線系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備，測試原理如圖1所示。爆炸產(chǎn)生的波陣面掃過自由場壓電式壓力傳感器的感應(yīng)面，壓力傳感器產(chǎn)生電荷信號，并通過信號導(dǎo)線將信號傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理系統(tǒng)，信號調(diào)理系統(tǒng)將接收到的電荷信號進行調(diào)理，通過通信電纜傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電荷信號通過與傳感器的靈敏度換算，最終得到各點超壓值。同時，顯示設(shè)備以數(shù)據(jù)曲線的形式顯示超壓數(shù)據(jù)。

2.1 壓力傳感器

傳感器是測試的核心部分，目前爆炸壓力測試主要有3種壓力傳感器，即應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器[9-10]。

針對測試需求，開發(fā)設(shè)計了以陶瓷和石英為壓電晶體的自由場壓力傳感器，如圖2和圖3所示。壓電式壓力傳感器將敏感材料封裝在保護殼內(nèi)，有兩個敏感面，為了避免傳感器外殼結(jié)構(gòu)變化引起的信號失真[11]，外形設(shè)計為筆式，尖端正對爆炸中心，沖擊波掃過敏感面時產(chǎn)生壓力效應(yīng)，晶體兩邊產(chǎn)生電荷并通過信號傳輸線傳輸?shù)诫姾蛇m配器，上限頻率響應(yīng)為 50～500 kHz，量程為 0.001～200 MPa。

圖1 測試原理圖

由于可燃氣云是由高壓天然氣管道發(fā)生泄漏后射流擴散形成的高空氣云，因此，管道爆破時會產(chǎn)生強烈的震動效應(yīng)，試驗設(shè)計了傳感器延長桿和絕緣減震裝置，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 信號調(diào)理

信號調(diào)理采用電荷式放大器，適用于長電纜布置場合。電荷放大器需能夠?qū)﹄姾尚盘栠M行放大處理，頻帶寬度不小于100 kHz，線性誤差1.5%，要求精度高、噪聲低、穩(wěn)定可靠。例如：具有3位電荷式調(diào)位，最大輸入電荷量105pC，增益可選1、10、100 mV/unit，頻帶0.1～100 kHz，線性誤差1.5%，噪聲（最大增益時）3 mV，可滿足測試需求。電荷放大器結(jié)構(gòu)見圖如圖5所示。

圖2 FPG壓力傳感器

圖3 FPT壓力傳感器

圖4 傳感器延長桿和絕緣減震裝置

2.3 數(shù)據(jù)采集

對于OD1422 X80天然氣管道全尺寸爆破實驗的條件下，測試各參數(shù)需要滿足的技術(shù)要求有：

采樣頻率≥200 kHz；存儲容量≥100GB；瞬態(tài)記錄延時深度≥1 024 k點；觸發(fā)方式為信號觸發(fā)、手動觸發(fā)、外觸發(fā)；觸發(fā)條件為輸入電壓＞2 V；工作溫度–10～50 ℃；相對濕度為 20%～90% ；供電方式為交流電源220 V±11 V，50 Hz；能夠滿足以上測試要求的設(shè)備經(jīng)篩選采用NI數(shù)據(jù)采集儀和VXI數(shù)據(jù)采集儀。設(shè)備型號參數(shù)確定后將信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集儀和其他輔助設(shè)備放置于數(shù)據(jù)采集間內(nèi)，通過信號導(dǎo)線與傳感器連接，系統(tǒng)連接示意圖如圖6所示。

圖5 電荷放大器結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)連接示意圖

3 現(xiàn)場測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 傳感器布置方案設(shè)計

由于傳統(tǒng)的近地面測試方法不適用于高空氣云爆炸測試，所以提出空間三維場測試方案，采用分布式壓電傳感器測試系統(tǒng)構(gòu)建天然氣云爆炸沖擊波壓力測試系統(tǒng)。

在三維的開放空間中，以氣云中心為核心呈放射狀在多個方向設(shè)置多組壓力傳感器陣列，在每組的壓力傳感器陣列中都設(shè)置有多根安裝桿，在每根安裝桿上縱向分層設(shè)置有多個壓力傳感器，形成一個三維、多點的壓力傳感器測試陣列。具體方案：以管道爆心為圓點，分別在東北側(cè)（NE）、東南側(cè)（SE）、西南側(cè)（SW）和西側(cè)（W）建立4列傳感器安裝塔桿，其中NE和SE側(cè)分別間隔布置6根安裝桿，SW和W側(cè)分別間隔布置7根安裝桿，共設(shè)立傳感器安裝桿26根，每根安裝桿上有5個傳感器（分別距離地面 10 m、15 m、20 m、25 m、30 m），共130個傳感器，安裝桿高35 m，在試驗場的具體布置方式如圖7所示。

傳感器安裝桿縱向結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。在安裝桿縱向（總高度35 m）從10 m高度處，每隔5 m布置一個測點，每個測點預(yù)先焊接一塊可供直接安裝傳感器的槽鋼，每桿布置5個。

通過周向和豎向布置傳感器獲取全方位數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)處理方法獲取爆炸沖擊波的壓力場，現(xiàn)場布置圖如圖9所示。

3.2 線纜布設(shè)方法設(shè)計

測試系統(tǒng)中的通信線纜包括：電荷放大器與傳感器連接的信號導(dǎo)線、連接總觸發(fā)器并經(jīng)1/2/3/4號數(shù)采間中的同步觸發(fā)器的觸發(fā)線以及電荷放大器與采集儀之間的數(shù)據(jù)傳輸線。試驗現(xiàn)場線路布置如圖10所示，通信線纜連接構(gòu)成網(wǎng)，包括觸發(fā)線路網(wǎng)和信號傳輸線路網(wǎng)。

圖7 壓力傳感器安裝桿平面布置圖（水平方向）

3.3 觸發(fā)方法設(shè)計

由于試驗場需要采集的數(shù)據(jù)較多，四列傳感器陣列的采集儀需要聯(lián)動觸發(fā)進行數(shù)據(jù)采集，因此需要開發(fā)適用于爆破試驗場測試儀器的同步觸發(fā)技術(shù)，以使所有采集系統(tǒng)同時進行數(shù)據(jù)采集。測試主要采用手動聯(lián)動觸發(fā)方式觸發(fā)，共5臺同步觸發(fā)器進行聯(lián)動，如圖11所示。

圖9 壓力測試桿及傳感器現(xiàn)場布置

圖10 測試線路布置

觸發(fā)器之間采用同軸電纜作為觸發(fā)線進行連接，觸發(fā)線接于同步觸發(fā)器的手動觸發(fā)檔位。總觸發(fā)器處于距離試驗場2 km處的操作間，其他觸發(fā)器分別位于4個數(shù)據(jù)采集間之中，并與數(shù)據(jù)采集儀進行連接，爆破時觸發(fā)總觸發(fā)器就可以實現(xiàn)采集儀的聯(lián)動觸發(fā)。同步觸發(fā)系統(tǒng)布置如圖11所示。

測試采用5臺同步觸發(fā)器，實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)采集儀，比色測溫儀以及高速攝影的聯(lián)動同步觸發(fā)。系統(tǒng)通過多次聯(lián)動調(diào)試證明可靠性高，操作方便。

3.4 系統(tǒng)操作流程

1）將裝有絕緣套和延長桿的壓力傳感器安裝到測試桿上的測點位置，并連接信號導(dǎo)線，最終接于防爆測試間中電荷放大器的輸入端。

2）將防爆測試間中的設(shè)備及各個防爆測試間的設(shè)備按照圖11進行連接，連接完畢后進行系統(tǒng)觸發(fā)及采集調(diào)試。

3）爆破之前設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置4臺數(shù)據(jù)采集儀和5臺同步觸發(fā)器至待觸發(fā)狀態(tài)。

4）高壓輸氣管道人為破壞后失效破裂，高壓氣體向上噴出形成射流，快速與空氣混合擴散在高空，形成直徑百米以上的可燃氣云。

圖11 同步觸發(fā)、采集測試系統(tǒng)連接示意圖

5）當(dāng)可燃氣云擴散一定時間后，在1.8公里外啟動點火系統(tǒng)，當(dāng)點火彈接收到信號后進行電點火并升空，升高到預(yù)定高度后自動引爆，產(chǎn)生的爆炸火球點燃附近的可燃氣體。

6）當(dāng)爆炸波陣面?zhèn)鞑サ饺S布置陣列中的壓力傳感器的測點位置后，壓力傳感器感應(yīng)到超壓作用產(chǎn)生電荷信號，電荷放大器對電荷信號進行調(diào)理分析，輸出電信號到防爆測試間中的數(shù)據(jù)采集儀，并通過顯示器將記錄的數(shù)據(jù)以壓力-時間曲線的形式呈現(xiàn)出來。

7）爆燃過程大約持續(xù)10s，爆炸過程完畢并做安全處理后，人員進入試驗現(xiàn)場進行后續(xù)現(xiàn)場整理、測試數(shù)據(jù)收集、測試元器件完好情況確認等工作。

8）數(shù)據(jù)結(jié)果分析，編寫測試報告。

4 測試結(jié)果

在哈密管道斷裂控制試驗場開展的天然氣管道全尺寸爆破試驗時，共開展了3次測試。每次測試均在4個不同方位設(shè)置4組傳感器陣列，共130個壓力測點進行現(xiàn)場測試。采用了4套壓力測試儀采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，3次試驗分別獲得103、112、116個有效壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取率分別為79.2%、86.1%、89.2%，數(shù)據(jù)獲取率平均值為84.8%。

3次試驗條件下測試得到的天然氣管道在開放空間爆炸后產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值變化范圍為0.002～0.432 MPa，試驗得到的典型的實測壓力曲線如圖12所示。壓力曲線共出現(xiàn)3次峰值，包括管道爆破物理爆炸沖擊波超壓，氣云爆炸前驅(qū)沖擊波超壓以及爆燃產(chǎn)生的超壓效應(yīng)。東北側(cè)和東南側(cè)測試桿測得的沖擊波超壓峰值和距離起爆中心點的距離之間的變化如圖13和圖14所示，由測試數(shù)據(jù)可見：隨著距離的增大，產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值逐漸降低，趨勢接近冪指數(shù)衰減，相應(yīng)擬合公式見圖13和圖14。

圖12 實測時間-壓力曲線

5 結(jié)束語

結(jié)合爆破試驗場實際條件和埋地天然氣管道爆破泄漏之后產(chǎn)生的可燃氣云爆炸的特點，設(shè)計了開放空間大尺度可燃氣云爆炸三維測試方法，包括傳感器、信號調(diào)理器、采集儀的選擇，傳感器防干擾方法，三維測點布置方法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方法，以及同步觸發(fā)系統(tǒng)方法等，為我國首座爆破試驗場配備了合理有效的試驗系統(tǒng)，得到了清晰的時間-壓力曲線，數(shù)據(jù)獲取率平均值為84.8%，驗證了測試系統(tǒng)的有效性。

圖13 東北側(cè)沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線

圖14 東南側(cè)沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線