狀態監測技術在壓縮天然氣長管拖車在線監控上的智慧應用研究

李寧寧 楊丹 王寶良 董愛鴻

河北省特種設備檢測研究院 河北 石家莊 050200

引言

壓縮天然氣長管拖車是天然氣能源運輸的重要載具。在2022年北京-張家口冬季奧運會期間清潔能源的重要保障設施。其運行狀態與公共安全、國家形象息息相關。一般而言，設備從正常到故障會有一個發生、發展的過程，因此對設備的運行狀況進行日常的、連續的、規范的工作狀態的檢查和測量，即狀態監測，為設備預防檢修提供依據[1]。長管拖車作為特種設備，也是狀態監測的適用對象。為確保壓縮天然氣長管拖車安全，進行基于物聯網和云平臺的長管拖車天然氣泄漏、結構和承壓安全的狀態監測是十分必要的。

長管拖車多由幾只到十幾只長度和直徑之比大于10的大容積鋼制無縫氣瓶采用框架或捆扎方式頭-頭相連組裝而成移動儲罐用于充裝超過20MPa壓力的壓縮天然氣，其充裝量高達7000NM3（圖1）。

圖1 長管拖車外形

長管拖車一般的運行流程是：從長輸天然氣門站或母站充裝壓縮天然氣→公路運輸→到達天然氣子站或終端用戶向地瓶組充裝或減壓供氣，降壓至規定壓力→返回長輸門站或母站充裝壓縮天然氣。繼續下一流程，如此周而復始，實現天然氣的異地搬運。在這一充壓、道路運輸、泄壓過程中，長管拖車氣瓶經歷了一個充壓膨脹、振動顛簸、泄壓收縮的過程。框架或捆扎帶也經歷了振動顛簸、甚至劇烈共振的過程。由于這一過程是周期性重復進行，具備疲勞損傷的形成條件。

作為承載易燃易爆介質-天然氣的移動儲罐，高壓力、大容積、公路運輸，決定了長管拖車必須嚴密監控，做好定期檢驗和運行監控。

1 長管拖車的監管現狀

目前長管拖車的監管主要體現在法定檢驗機構定期檢驗和用戶定期自行檢查上。《壓力容器定期檢驗規則》（TSG R7001-2013）附件D“長管拖車、管束式集裝箱定期檢驗專項要求”規定長管拖車的檢驗周期為：充裝天然氣（煤層氣）級和充裝氫氣的介質組別均為A級，首次定期檢驗周期為3年，以后定期檢驗周期為5年[2]。定期檢驗由具備資質的法定檢驗機構執行。《移動式壓力容器安全技術監察規程》（TSG R0005-2011）規定：使用單位應做好移動式壓力容器的日常檢查和維護保養與定期自行檢查工作。使用單位是保證移動式壓力容器安全運行的責任主體[3]。

由此可見，無論是由法定檢驗機構還是使用單位所做的定期檢驗

還是日常檢查，都是長管拖車處于停止運行狀態下，即離線狀態下的檢驗檢查。截至目前，長管拖車在運行狀態下，即在線狀態下的安全監管處于空白狀態。

2 長管拖車在線狀態下的狀態監控

長管拖車作為承載移動式壓力容器的道路運輸車輛，穿行在城市鄉村，路況不同，裝載量變化，造成其處于變振幅頻繁振動狀態。振動自然而然傳遞給長徑比很大的氣瓶和固定氣瓶的框架和捆扎帶，引起氣瓶和框架和捆扎帶的自振和共振。而且在充氣和泄壓的交替過程中周期性的膨脹和收縮，特別是氣瓶在出現腐蝕減薄或機械損傷時，膨脹量超標也是引發疲勞破壞的誘因之一，需要引起足夠重視。因此，開展長管拖車氣瓶變形和框架振動的在線監控，特別是安全狀態低，運行環境惡劣，處于壽命周期后期的長管拖車，實時監控，提前預警，是十分必要的。

長管拖車頻繁的充裝氣，瓶體實際上處于周期性的升降壓狀態，管接頭，端塞密封件極易發生泄漏。泄漏的持續發展，造成易燃易爆氣體的集聚，達到爆炸極限，遇見明火就會爆炸起火為，造成嚴重事故。因此利用易燃易爆氣體泄漏在線檢測技術，對長管拖車進行狀態 監測具有現實意義。

長管拖車在線狀態監控的方案是：采用安裝在運行車輛上密封部位的防爆天然氣泄漏傳感器，安全激光器，利用無線泄漏測量技術、激光測距技術對其天然氣密封性、結構和承壓穩定性進行在線監控。集成智能化數據采集處理和物聯網系統，構建車輛識別，變形量智能采集、無線遠程網絡數據傳輸、云端大數據管理的監檢機構輔助決策處置平臺。天然氣激光測距以0.1~1.0mm最小單位實現長管拖車氣瓶支架的結構變形以及氣瓶充放氣變形的實時測量，及時發現危害運行安全的垮塌和爆炸危險并及時預警，間接監控車輛運行狀態，為檢驗機構定期檢驗提供數據支撐。

3 激光測距技術在長管拖車結構振動和氣瓶變形上的應用

激光具有方向性強、單色性好、亮度高等優點，由此開發的激光位移傳感器非常適合距離和位移測量。激光位移傳感器測距的基本原理是：由激光二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到光電二極管上。光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。根據激光測距的量程大小，其分辨率可在0.01~1.0mm范圍內。例如DZ2型激光位移傳感器在7~13mm量程范圍內，其分辨率可達0.01mm。DZ5型激光位移傳感器在0.1~3m量程范圍內，其分辨率可達1mm。下圖2即為其在長管拖車氣瓶膨脹收縮變形量測量上的應用。

圖2 長管氣瓶變形量測量

長管拖車氣瓶膨脹收縮變形量測量的具體做法是：沿氣瓶軸線方向水平等距對稱布置激光位移傳感器7個或9個。要確保氣瓶中間位置即變形量最大的部位布置有位移傳感器。

下圖3即為其在長管拖車振動測量上的應用。

圖3 長管拖車狀態監測傳感器布置

長管拖車振動測量的具體做法是：在氣瓶或框架振動較大的部位底部垂直布置向下的位移傳感器，測量氣瓶或框架與地面之間的位移波動和時間來表征振動的振幅和頻率。

4 天然氣密封測量技術在長管拖車泄漏監控中的應用

天然氣泄漏測量技術是利用催化燃燒原理，對長管拖車密封部位進行PPM量級測量的技術，可以及時發現引發爆燃的泄漏點并進行報警。基本做法是將電池供電的天然氣傳感器安裝在長管拖車氣瓶端塞、管接頭等靜密封點進行泄漏監控。

5 2022年北京冬奧會的監管需求

2022年北京冬奧會舉辦在即，壓縮天然氣長管拖車的監管需要引起極大重視。作為移動壓力容器定期檢驗的政府機關，市場監管系統的特種設備檢驗監察部門在長管拖車的注冊登記，設計制造、定期檢驗，維修、報廢等環節等靜態環節已經依法進行了監督管理。定期檢驗和檢查只是實現了點式監管，而長管拖車在長期的道路運輸在線運行過程中是否存在過量充裝、超壓、罐壁腐蝕減薄、泄漏、結構變形、安全閥動作異常、緊急切斷閥是否動作可靠、是否發生過違規操作、震動、沖擊、噪聲是否異常以及是否發生過交通事故、駕乘人員資質是否合規等動態環節的運行記錄則掌握不全面。由于長管拖車運營單位法律意識淡漠或利益相關，這些運行記錄很多不完整，甚至有虛假和掩蓋的成分存在。

因此基于2022年北京冬奧會需求，需要利用物聯網平臺思維，研究設計智慧型天然氣泄漏數據采集系統，智慧型振動、變形數據采集系統，將天然氣泄漏數據采集器、激光變形傳感器和振動傳感器采集的數據，無線傳輸到云服務器，形成遠程監控系統，并設定基于報警門檻以及記錄閾值。將相關示警和記錄信息經判斷整理后同時推送到監管機構的移動客戶端和電腦客戶端。為特種設備檢驗提供客觀真實基礎數據支撐，不留監管空白，補齊特種設備壽命周期中運行環節的監管短板。

6 基于特聯網的長管拖車狀態監測

長管拖車狀態監測物聯網實現方式：特種設備物聯網系統分為三個層級：國家級特種設備物聯網服務系統（平臺），省（市）級特種設備物聯網服務系統（平臺）、企業級特種設備物聯網系統（平臺）[4]。長管拖車作為移動特種設備，而且是舉辦冬奧期間，可以建成省（市）級特種設備物聯網系統。系統主要由感知層、網絡層和應用層三部分組成[5]，具體架構如圖4所示。

圖4 長管拖車狀態監測物聯網應用