基于物聯網的在線膨脹節檢漏系統設計

0 前 言

物聯網的定義是指“采用各式各樣的信息采集傳感儀器或設備（包括紅外傳感器、 GPS 定位儀、 射頻識別系統、 溫度傳感器等）， 將采集到的信息發送到互聯網， 這些信息采集儀器裝置與互聯網連接進行組網， 成為物聯網”

。 國內關于物聯網在線監測技術的研究已廣泛應用于各行各業， 如建筑、 農業、 化工管網等， 這也反映出一種發展趨勢， 即未來設計行業智能化理念， 該理念將信息技術與傳統制造業結合， 形成人性化、 智能化、 更具市場競爭力的高科技產品。于堯等

設計出一款應用于田間玉米播種的監測系統， 該系統應用了大量傳感器， 傳感器接口通過RS485 通訊協議與播種車載計算機進行數據傳遞， 車載計算機與外圍監測系統工作站通過無線局域網實現對播種機播種深度、 施肥深度的在線監測。 鐘勝華

基于ZigBee 技術設計了一種貝雷梁橋位移監測系統， 以某地下停車場項目2 m×21 m 貝雷梁為實際工程背景， 構建了橋梁無線監測系統， 該系統通過布置位移傳感器獲取貝雷梁片和橋墩的位移數據， 并利用ZigBee技術將數據傳輸至PC 機終端， 從而監測橋梁位移動態變化數據。 由此可見， 物聯網技術可將傳統的產品與信息技術相關聯， 實現雙向數據傳遞與反饋， 也就是所謂的“物物相連” 的思想。

將物聯網技術與壓力管道、 壓力容器以及膨脹節產品相結合的研究在國內已有報道， 楊斌等

基于超聲導波提出了纖維纏繞壓力容器的在線監測方案。 陳金忠

介紹了智慧管道監測數據的綜合應用。 沈陽化工大學倪洪啟等

專注于這方面的研究， 設計出了一套基于物聯網的波紋補償器無線監測系統， 該系統利用溫度、 位移、 壓力傳感器采集波紋補償器的溫度、 位移、 壓力信號， 從而監測整個管道系統中各個波紋補償器的溫度、位移、 壓力情況； 采集的信號數據可通過無線網絡實時發送到計算機進行分析， 當數據異常時發出警報， 還可以通過互聯網傳輸到遠端主機。

1 在線膨脹節檢漏系統設計

實現膨脹節溫度、 位移、 壓力的在線監測是膨脹節技術發展的一次進步， 但從產品本身使用的安全性來講， 溫度、 位移、 壓力的監測僅是膨脹節工況的一種描述， 膨脹節是否發生泄漏以及泄漏后能否繼續使用才是關注的重點。 基于物聯網的實時在線監測膨脹節檢漏系統， 在膨脹節工作狀態下， 可以監測膨脹節是否發生泄漏， 同時保證在膨脹節發生泄漏后能夠短暫地安全運行，從而給管網管理者提供充足的決策和維護時間。

1.1 危險介質在線檢漏系統設計方案

當膨脹節內介質為強酸、 強堿或是易燃易爆物質時， 一旦發生泄漏將會造成巨大的安全事故。 傳統泄露報警裝置如圖1 所示， 傳統報警裝置的波紋管補償器一般采用雙層波紋管貼合成形， 層間充入氮氣， 通過設置壓力表監測波紋管層間壓力變化來判斷波紋管是否出現內層泄漏。這種方式雖然比較經濟， 但是由于雙層波紋管封焊后再與接管焊接， 導致波紋管與接管在同一位置共用一道環焊縫， 此操作引發的安全隱患在于由承壓與否決定的漏點大概率產生在接管與波紋管相連接的環向角焊縫位置。 當接管與波紋管連接的環焊縫出現漏點， 管內介質從波紋管與接管貼合的壁面處泄漏， 而波紋管層間封閉環焊縫仍完好時， 壓力表數值不會發生變化， 從而無法起到預警作用。

2018年5月3日，廣西召開了2017年省級黨委和政府扶貧開發工作成效考核國家反饋問題整改落實工作動員部署視頻會議。會議強調各級資金政策專責小組要認真貫徹落實自治區會議的有關要求，逐一對照反饋問題進行自查自糾。

針對傳統報警裝置的弊端， 考慮膨脹節采用雙層報警結構， 輔助以傳感器， 提高在線監測管網中膨脹節的安全性能， 當出現單層膨脹節破裂時發出報警， 使管理人員關注此處膨脹節， 并采取相關措施， 將安全隱患降至最低。 在線膨脹節檢漏系統設計如圖2 所示， 主要設計思想是將波紋管與接管環焊縫分開， 相比傳統報警結構， 波紋管層間留有足夠間隙便于打壓充氣。 檢漏方案為層間充入純CO

氣體， 層間壓力值可保持在較低水平， 通過CO

氣敏傳感器監測層間CO

濃度變化來判斷波紋管是否出現泄漏。 該系統相比傳統報警結構的優勢在于， 無論是外層波紋管還是內層波紋管與接管貼合面環焊縫出現泄漏時，另一層波紋管可繼續工作， 保證整體不出現泄漏， 同時通過遠端報警提醒工作人員對此處膨脹節進行檢查維修， 提高膨脹節運行的安全性。

1.2 高溫介質在線檢漏系統設計方案

波紋管補償器正常運行時， 隔溫腔體內空氣的熱量主要來自于波紋管外壁的熱輻射， 波紋管內壁設有隔溫措施， 當管道高溫介質正常運行時，隔溫腔體內空氣的溫度處于一個較低值。 如圖4所示， 當波紋管補償器發生泄漏， 管道內高溫介質在壓力作用下迅速竄入隔溫腔體內， 在有限的空間內形成強烈對流， 導致隔溫腔體內空氣溫度短時間內大幅度升高。 當監測到隔溫腔體內空氣溫度的瞬間陡增并且接近管道內介質溫度時， 此處波紋管補償器開始泄漏報警， 保證及時發現管道中泄漏的波紋管補償器位置。 當出現高溫介質泄漏時， 由于波紋管外側增加了保溫結構， 從而避免了高溫介質對人員以及外界環境的直接傷害。

（1） 在線膨脹節檢漏系統采用的傳感器應為智能傳感器， 如MEMS 傳感器即微機電系統傳感器

。 與傳統傳感器相比， 其具有體積小、 質量輕、 成本低、 功耗低、 可靠性高、 適于批量化生產、 易于集成和實現智能化的特點。

“比如說我們到北京，到云南旅游，但你的錢肯定是交給旅行社的。比如說500塊錢，但是500塊錢到了云南之后它就沒了，就被上交旅行社，就把這個利潤給縮掉了，然后到我們這兒等于就是沒有錢。所以說有個惡性的競爭，就是搶團之后，我的團低，你的團更低，結果就是強迫在游客身上，要購物，去貼補這個團費，或者最多的是貼補在導游身上。讓導游去貼補團費，因為門票畢竟需要買的。”⑧導游葉軍，玉龍雪山線路。

在高溫介質場合， 通常溫差較大， 管道熱脹冷縮明顯， 波紋管補償器起到至關重要的作用，因此應用廣泛。 如鋼廠的熱風爐管道（介質溫度1 300 ℃左右）、 石化行業的再生斜管與煙氣能量回收系統 （介質溫度700 ℃左右） 等領域

。在高溫場合下， 管內工作介質泄漏可能會危害到人身安全， 并造成經濟損失， 因此有必要采取措施預防波紋管補償器的泄漏， 提高其使用安全性。 復雜系統的高溫管線常常布有大量的波紋管補償器， 且設備不停機， 對管線波紋管補償器不間斷的巡檢工作既不能保證巡檢人員能夠及時發現泄漏的補償器， 同時也增加了運維人員的勞動強度和安全隱患。

1.3 高壓介質在線檢漏系統設計方案

圖5 所示為一種應用于高壓介質場合的在線膨脹節檢漏系統 （檢漏波紋管補償器）， 包括波紋管、 長度可變的隔音結構、 至少1 個聲音傳感器、 數據處理設備和終端顯示設備。 波紋管連接在檢測管路上， 在波紋管的外側設置隔音結構，隔音結構一端與波紋管一側的檢測管路固定連接， 另一端與波紋管另一側的檢測管路固定連接， 檢測管路、 波紋管外壁、 隔音結構形成周向的隔音腔體， 至少1 個聲音傳感器安裝在隔音腔體內， 聲音傳感器與數據處理設備連接， 數據處理設備連接終端顯示設備。 當高壓介質經波紋管補償器發生泄漏時， 介質經微小裂口高速噴射，瞬間產生較高聲壓， 此時通過隔音腔室內的聲音傳感器捕捉到持續的高分貝聲壓信號并傳輸至數據處理系統進行分析， 報警提醒相關人員及時采取措施。

在高壓及大直徑管道系統使用的膨脹節，Ω 形波紋管通常是較好的選擇

。 如一些石化設備反應容器， 常常伴隨著溫度的變化， 需使用Ω 形波紋管補償器消除熱應力的影響。 由于容器內壓力值較高 （一般大于5 MPa）， 一旦波紋補償器出現裂縫發生泄漏， 容器內介質將在壓力作用下從裂縫處高速噴出， 波紋管裂紋擴展迅速，呈爆裂趨勢， 對系統穩定運行以及人員安全造成威脅。 因此， 有必要對高壓介質場合波紋管補償器的泄漏情況進行實時在線監控， 及時發現泄漏的波紋管補償器， 提高其使用安全性能。

2 在線膨脹節檢漏系統使用注意事項

至此，矩陣Φ中的每個向量都是非標準正交的，需使這些向量除以對應的得到標準正交基函數{φ1,φ2,…,φN}，即POD模態。將瞬態速度場投影到POD基函數上，求出各模態的系數。通過計算得到所有POD模態及對應的模態系數，可線性重構任意時刻的速度場，有

將表1的數據代入公式(1)即可得到各評價指標的云模型參數，取k為0.01。運用正態云發生器分別對上述10個評價指標生成相對應的綜合云模型，并選取其中結構面的傾角指標和mrqd指標的云模型，分別如圖1和圖2所示。

對此， 可以提供一種適用于高溫工況下的在線膨脹節檢漏系統 （檢漏波紋管補償器）， 該系統包括波紋管、 變徑管道、 外保溫設施、 內保溫設施、 溫度傳感器、 數據處理器、 終端顯示設備等， 如圖3 所示。 補償器通過兩段變徑管道形成縮徑結構， 將金屬波紋管安裝在管道的縮徑段中。 變徑管道與波紋管的內壁按整體管道設計要求安裝內保溫設施， 在波紋管外側增加外保溫設施， 具體為采用左右保溫盒錯開對插式結構， 以保證波紋管能夠沿軸向自由移動補償管道熱位移。 保溫盒內分別安裝保溫材料。 變徑管道以及波紋管外壁與左右保溫盒內壁形成周向的隔溫腔體。 左右保溫盒異徑錯開， 間隙設置柔性金屬網套， 通過網套固定元件安裝在下側保溫盒上， 以防止保溫材料散落進入隔溫腔體內。 外保溫設施與管道外表面安裝溫度傳感器， 傳感器探頭分別深入隔溫腔體內以及管道內， 實時將隔溫腔體內空氣溫度以及管道介質溫度信號傳輸至遠端顯示設備， 實現在線監測。

（2） 為提高檢測精度， 傳感器的合理選擇、多點分布測量的設計以及膨脹節結構的改進等方面值得關注， 可通過搭建試驗平臺模擬試驗進行進一步優化設計。

為適應目前物聯網技術的發展， 提高在線膨脹節檢漏系統的實用性以及可推廣性， 應注意以下方面：

（3） 傳感器數據的傳輸應采用無線技術， 安裝維護簡單， 整體成本較低。 可以考慮選取Zig-Bee 技術(基于射頻的、 低成本、 低功耗、 高可靠、 適于網絡的短距離無線通信技術)、 Lora 技術(基于線性調頻信號Chirp 的擴頻技術)、 NBIoT 技術（基于現有的移動蜂窩網絡使用LTE 的無線技術） 進行傳感器數據的傳輸。

（4） 傳感器數據的采集應經過數據處理設備最終匯總至智能遠程運維平臺

， 通過終端顯示設備運行參數實現對膨脹節的在線監測。

（5） 膨脹節在線檢漏系統需與智能遠程運維平臺兼容， 并作為平臺功能之一， 共同完成設備的智能運維工作。

1.2.2 菌株分離及純化 用無菌剪刀將植株分為花、莖、葉、根瘤、根表皮和根中柱，將種子及以上組織分別置于50 mL無菌三角瓶，用0.45%～0.55%(w/v)碘伏滅菌3 min，無菌水沖洗5次，無菌濾紙吸干表面明水后研磨至勻漿；制備根際土壤和田間土壤懸浮液；采用稀釋涂抹法分別分離組織研磨勻漿中的內生細菌和土壤懸浮液中的非內生細菌。每個處理4個重復。分離和純化后的菌株于YMA培養基4℃保存。操作參考Miao[23]的方法。

3 結論與展望

（1） 將物聯網技術與膨脹節運行維護服務結合， 主要通過膨脹節結構的改進以及氣敏傳感器、 溫度傳感器、 聲音傳感器的靈活運用。 本研究分別給出面對危險介質以及高溫高壓介質工況下的膨脹節在線檢漏系統的設計方案， 后續將通過試驗驗證設計方案的可行性， 并實現該技術的推廣應用。

（2） 通過膨脹節在線檢漏系統的構建， 提供膨脹節以外附加產品的使用與維護服務， 不僅能產生經濟效益， 同時能提高膨脹節使用的安全性。 每項技術的價值最終將面向市場， 是未來探索智能化膨脹節設計道路一次非常好的嘗試， 這是對物聯網技術的進一步研究與發展， 將推動傳統膨脹節制造業向服務業轉型。 隨著此項技術日益成熟， 可向石化 （高空）、 核電 （進出不便場合）、 船舶 （狹小空間） 以及危險介質與高溫高壓介質等場合推廣使用。

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