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本新技術(shù)成果來(lái)自省部級(jí)科技計(jì)劃，獲得省部（學(xué)會(huì)）三等以上科技獎(jiǎng)勵(lì)，并獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。該成果成功解決了大斷面黃土隧道的施開(kāi)挖方法，能夠經(jīng)濟(jì)、安全和快速地實(shí)現(xiàn)大斷面黃土隧道的建造。

交通隧道與城市地下工程是我國(guó)長(zhǎng)期的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，我校主要開(kāi)展隧道與城市地鐵工程有限元計(jì)算軟件研發(fā)、城市地鐵工程沉降控制技術(shù)、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境山嶺隧道施工監(jiān)控技術(shù)研發(fā)、在役隧道病害治理技術(shù)研發(fā)、隧道與城市地鐵工程事故分析與處理技術(shù)、山嶺隧道與城市地鐵工程次生災(zāi)害及防治技術(shù)研發(fā)。曾獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)，獲得專(zhuān)利30余項(xiàng)，出版專(zhuān)著教材8部，取得了在國(guó)內(nèi)、國(guó)際有學(xué)科影響力成果，聚集了一大批該領(lǐng)域的技術(shù)專(zhuān)家，在山嶺隧道與城市地鐵工程設(shè)計(jì)方法、施工監(jiān)控技術(shù)、事故分析與處理方案設(shè)計(jì)、次生災(zāi)害及防治技術(shù)等方面處于國(guó)

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于交替電流及全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)超 前探測(cè)方法，其包括以下步驟:(1)提供一個(gè)地質(zhì)超前探測(cè)系統(tǒng)，所述 地質(zhì)超前探測(cè)系統(tǒng)包括位于隧道內(nèi)的隧道掘進(jìn)機(jī)、恒流源、程控繼電 器及光纖電流傳感器，所述隧道掘進(jìn)機(jī)包括護(hù)盾、刀盤(pán)及連接所述護(hù) 盾及所述刀盤(pán)的主驅(qū)動(dòng)軸承;(2)以預(yù)定周期切換所述恒流源的電流施 加位置，以使所述恒流源交替供電給所述護(hù)盾及所述刀盤(pán)，同時(shí)測(cè)量 對(duì)應(yīng)的電壓(3)根據(jù)基爾霍夫電流定律及電壓與電流的關(guān)系計(jì)算出所述 隧道掘進(jìn)機(jī)的側(cè)向地質(zhì)體及前方地質(zhì)體的視電阻率，進(jìn)而分別分析所 述

本發(fā)明提供了一種用于隧道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的模擬水壓加載裝置及其加載方法。本發(fā)明對(duì)非圓形斷面隧道結(jié)構(gòu)水壓試驗(yàn)提供方便且精確的研究并解決結(jié)構(gòu)受水壓作用下的力學(xué)特征問(wèn)題。整體結(jié)構(gòu)呈T型布置，上部為左、中、右三個(gè)框體，下部為下框體，左、右框體的空間內(nèi)布置力傳感器，力傳感器上方設(shè)置微調(diào)螺桿。環(huán)箍鋼絞線經(jīng)橫軸上導(dǎo)向滑輪和左/右框體翼板的定位孔與力傳感器連結(jié)；下框體的底板開(kāi)有底板凹槽，下框體內(nèi)品字形布置加載中軸、向上導(dǎo)向側(cè)軸和向下導(dǎo)向側(cè)軸，加載中軸設(shè)置在中框體翼板凹槽和下框體底板凹槽的滑動(dòng)槽中，各軸上均設(shè)有定位導(dǎo)向滑輪其位置可以前后調(diào)節(jié)。主要用于隧道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

曲折波導(dǎo)行波管是傳統(tǒng)螺旋線和耦合腔行波管的折中，具有較寬的工作帶寬和較大的功率容量，在毫米波和太赫茲頻段具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高器件的性能，研制了新型慢波結(jié)構(gòu)，以及毫米波段新型慢波結(jié)構(gòu)真空電子器件。研制成功的Q波段連續(xù)波曲折波導(dǎo)行波管突破了高效率曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工與裝配、大電流密度電子槍、大功率連續(xù)波輸出等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大功率輸出。 曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu) Q波段連續(xù)波曲折波導(dǎo)行波管應(yīng)用于衛(wèi)星通信、電磁干擾等裝備系統(tǒng)中。

該軋機(jī)屬機(jī)電一體化產(chǎn)品。開(kāi)式工作機(jī)架采用了環(huán)孔型軋輥對(duì)管坯進(jìn)行長(zhǎng)行程軋制，行程長(zhǎng)度與德國(guó)SKW－75－VMR軋管機(jī)相同。 回轉(zhuǎn)送進(jìn)機(jī)構(gòu)由原來(lái)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)改為簡(jiǎn)單可靠的電氣傳動(dòng)完成，由于自行開(kāi)發(fā)的電控系統(tǒng)采用獨(dú)有技術(shù)解決了管坯送進(jìn)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)角度任意可調(diào)的難題，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)的調(diào)整、維護(hù)，不僅明顯降低了機(jī)械傳動(dòng)中的剛性沖擊和噪音，也大大減少了使用和維護(hù)成本。 由于該軋機(jī)可實(shí)現(xiàn)正、反向無(wú)扭回轉(zhuǎn)，出料系統(tǒng)中設(shè)置了由水平料槽、卷取機(jī)、料筐裝置等組成的直線在線卷取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊軋制邊卷取，從而大大節(jié)省了車(chē)間占地面積。 本軋機(jī)是在吸收了國(guó)內(nèi)外SKW―VMR、LG―GH、XЛT 等系列軋管機(jī)的基礎(chǔ)上采取洋為中用，新老結(jié)合的方式，自主研制開(kāi)發(fā)的新型冷軋管機(jī)。

本項(xiàng)目產(chǎn)品目前超級(jí)電容器的致命缺陷，創(chuàng)新構(gòu)建了以改性的碳納米管(CNTs)為骨架，在此基礎(chǔ)上合成以CNT為納米莖、片狀納米鎳基多元氧化物為枝葉的三維納米結(jié)構(gòu)材料。由該材料體系結(jié)構(gòu)作為超級(jí)電容器正極材料時(shí)，CNT形成一維電子“快速通道”，在充放電過(guò)程中，電荷能通過(guò)CNT快速通道進(jìn)行超高速交換。而片狀納米鎳基氧化物具有巨大的表面積兼有非常強(qiáng)的電化學(xué)活性，使其贗電容效應(yīng)的極具顯著。該材料體系結(jié)構(gòu)的另外一重大優(yōu)點(diǎn)為在電容器制備過(guò)程中可以高效地避免納米材料很容易出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象，可以保證該三維納米結(jié)構(gòu)能獲得最大的比表面積，從而使能量密度大大提高。因而，由該納米三維結(jié)構(gòu)電極材料制備的超級(jí)電容器可以獲得了非常大的比電容、很大的能量密度和非常高的功率密度；更特別地，充電時(shí)間遠(yuǎn)小于鋰離子電池和鉛酸電池，在充電設(shè)備允許情況下，充電時(shí)間可以減小到2分鐘以?xún)?nèi)；循環(huán)壽命也高于鋰離子電池10倍以上；并且該超級(jí)電容器具有非常高的可靠行，制備和使用都非常環(huán)保和安全。該項(xiàng)目產(chǎn)品不僅僅可以廣泛應(yīng)用于原有的電容器應(yīng)用領(lǐng)域，更特別地，可以代替現(xiàn)有巨大市場(chǎng)規(guī)模的鉛酸電池和鋰電池等二次電池而可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)、新能源汽車(chē)、電站儲(chǔ)能、工業(yè)電動(dòng)運(yùn)輸裝置、電動(dòng)工具、便攜式電子設(shè)備、通訊基站的備用電源、軍事裝備（單兵備用電源、瞬時(shí)大推力陸用裝備、無(wú)人機(jī)、空間飛行器等）等，具有千億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。 技術(shù)指標(biāo)： ？ 能量密度：30-80Wh/kg（目前商業(yè)超級(jí)電容器的最高僅為8Wh/kg） ？ 功率密度：2-20kW/kg ？ 充電時(shí)間：小于5分鐘 ？ 循環(huán)壽命：大于5000次 項(xiàng)目產(chǎn)品的技術(shù)和性能優(yōu)勢(shì)： ？ 超大的電容量：比傳統(tǒng)電容器容量高6個(gè)數(shù)量級(jí)，比現(xiàn)有商業(yè)化的超級(jí)電容器的比能量高10倍，已經(jīng)超過(guò)鉛酸電池的能量密度。 ？ 超高功率：比鋰離子電池的功率密度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 ？ 充電速度快：比鋰離子電池快10倍以上。 ？ 更長(zhǎng)的充放電循環(huán)使用壽命：比鋰離子電池的壽命高1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。 ？ 具有免維護(hù)：可隨時(shí)淺充、滿充和過(guò)充電、淺放電、全放電，對(duì)電池不會(huì)損害，無(wú)記憶效應(yīng)。 ？ 高可靠性：超級(jí)電容器從生產(chǎn)至使用過(guò)程中，均不會(huì)出現(xiàn)鋰離子電池爆炸問(wèn)題，即使在嚴(yán)重?cái)D壓和高溫下也是安全可靠的。 ？ 環(huán)保無(wú)污染：從生產(chǎn)、使用到報(bào)廢回收，均不存在污染，是典型的綠色產(chǎn)品。 ？ 生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)工藝兼容性好：電極材料的制備工藝兼容常規(guī)材料的制備工藝；電容器的制備工藝可以完全兼容鋰離子電池的生長(zhǎng)設(shè)備，但工藝要求更加簡(jiǎn)單。

曲折波導(dǎo)行波管是傳統(tǒng)螺旋線和耦合腔行波管的折中，具有較寬的工作帶寬和較大的功率容量，在毫米波和太赫茲頻段具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高器件的性能，研制了新型慢波結(jié)構(gòu)，以及毫米波段新型慢波結(jié)構(gòu)真空電子器件。研制成功的Q波段連續(xù)波曲折波導(dǎo)行波管突破了高效率曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工與裝配、大電流密度電子槍、大功率連續(xù)波輸出等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大功率輸出

該項(xiàng)目產(chǎn)品不僅僅可以廣泛應(yīng)用于原有的電容器應(yīng)用領(lǐng)域，更特別地，可以代替現(xiàn)有巨大市場(chǎng)規(guī)模的鉛酸電池和鋰電池等二次電池而可廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)、新能源汽車(chē)、電站儲(chǔ)能、工業(yè)電動(dòng)運(yùn)輸裝置、電動(dòng)工具、便攜式電子設(shè)備、通訊基站的備用電源、軍事裝備（單兵備用電源、瞬時(shí)大推力陸用裝備、無(wú)人機(jī)、空間飛行器等）等，具有千億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。

1 研究背景 1.1 高壓力、大直徑和高可靠性的非金屬壓力管道需求迫切 管道作為五大運(yùn)輸方式之一，是輸送石油、天然氣、飲用水等重要能源和資源的主要手段，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和穩(wěn)定至關(guān)重要，被稱(chēng)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“生命線”。我國(guó)壓力管道發(fā)展迅猛，應(yīng)用規(guī)模不斷增大，在石油、天然氣和飲用水輸送等重大工程建設(shè)中發(fā)揮了不可替代的作用。在油氣領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)油氣管道已形成縱橫東西、貫通南北、連接海外的管道輸送網(wǎng)絡(luò)。目前我國(guó)的原油管道1.9×104km，成品油管道2×104km，天然氣干線管道4.8×104km，油氣管道的總長(zhǎng)度穩(wěn)居全球前五名。以西氣東輸三線為例，其西起新疆霍爾果斯，東至福建省福州市，全長(zhǎng)5220km，設(shè)計(jì)年輸量3×1010m3。此外，油田集輸管網(wǎng)和城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的管道長(zhǎng)度已達(dá)到數(shù)十萬(wàn)公里，且仍在不斷增長(zhǎng)，成為油氣管道重要組成部分。在水資源輸送領(lǐng)域，為解決我國(guó)的水資源時(shí)空分布不均問(wèn)題，我國(guó)已經(jīng)實(shí)施了多項(xiàng)跨流域、跨地區(qū)的長(zhǎng)距離管道輸水工程，如南水北調(diào)工程、廣東省的“東深引水工程”和“西江引水工程”、天津的“引灤入津工程”和山東的“引黃濟(jì)青工程”。以南水北調(diào)中線工程為例，年均輸送生活、工業(yè)用水6.4×1010m3，農(nóng)業(yè)用水3×1010m3，供水范圍內(nèi)總面積15.5萬(wàn)平方千米，惠及沿線6000萬(wàn)人口。 以聚乙烯及其增強(qiáng)復(fù)合管為代表的非金壓力屬管道具有耐腐蝕、抗震、柔性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域替代金屬管道，成為世界各國(guó)競(jìng)先研發(fā)的未來(lái)管道發(fā)展方向。全球非金屬管道的年均增速約5.9%，我國(guó)聚乙烯管道年平均增速更是達(dá)15%。 隨著聚乙烯及其增強(qiáng)復(fù)合管的不斷發(fā)展，其在燃?xì)夂洼斔阮I(lǐng)域應(yīng)用不斷擴(kuò)展。在燃?xì)忸I(lǐng)域，在燃?xì)忸I(lǐng)域，美國(guó)、英國(guó)、丹麥等的城市燃?xì)夤艿乐芯垡蚁┕軕?yīng)用比例均接近100%，而我國(guó)新鋪設(shè)的中低壓城市燃?xì)夤?0%以上采用聚乙烯管材。在輸水領(lǐng)域，我國(guó)城市建筑排水管道85%采用塑料管，城市排水管道的塑料管使用量達(dá)到50%，城市供水管道（DN400mm以下）80%采用塑料管，村鎮(zhèn)供水管道90%采用塑料管，逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。目前，多數(shù)國(guó)家已經(jīng)在燃?xì)夂徒o水領(lǐng)域選擇聚乙烯管逐漸替代金屬管道，實(shí)現(xiàn)以塑代鋼。 近年來(lái)，非金屬壓力管道逐漸在更高壓力、更大直徑和更高安全性要求的油氣集輸、核電冷卻水輸送等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如在油田的油氣集輸及開(kāi)采領(lǐng)域，用于油氣田注水的非金屬壓力管道（直徑50-75mm），工作壓力已經(jīng)達(dá)到32MPa；用于油田站內(nèi)給水的非金屬壓力管道（直徑315mm），工作壓力已經(jīng)達(dá)到2MPa；用于油田集輸管的非金屬壓力管道（直徑50-75mm），工作壓力已經(jīng)達(dá)到4MPa，平均工作溫度高達(dá)60℃。在核電站冷卻水輸送領(lǐng)域，美國(guó)的Callaway核電站率先鋪設(shè)聚乙烯管道的外圍冷卻水系統(tǒng)，我國(guó)新建的AP1000核電站（浙江三門(mén)核電、山東海陽(yáng)核電）外圍冷卻水輸送均采用聚乙烯管道（直徑752mm，徑厚比DR9）。由于聚乙烯管道具有耐海水及微生物腐蝕、抗震等優(yōu)勢(shì)，許多現(xiàn)有核電站冷卻水管道系統(tǒng)也逐漸更換為聚乙烯管道，如2017年大亞灣核電站成功將其核安全相關(guān)的反沖洗系統(tǒng)管道更換為200mm，DR9的聚乙烯管道。 1.2 管道系統(tǒng)安全性的要求日益迫切 隨著聚乙烯管道系統(tǒng)在燃?xì)狻⒐┧阮I(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其安全問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)地下管線專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，2009年至2013年中國(guó)城市管線典型事故共計(jì)75起，而其中導(dǎo)致人員死傷的27起。南京“7.28”管道泄漏爆炸事故共造成22人死亡，120人住院治療，爆燃點(diǎn)周邊部分建筑物受損，直接經(jīng)濟(jì)損失4784萬(wàn)元。臺(tái)灣“8.1”燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿手卸鄺l街道陸續(xù)發(fā)生可燃?xì)怏w外泄，并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1.4億元。類(lèi)似的管道泄漏導(dǎo)致爆燃的事故給全社會(huì)帶來(lái)了重大的公共環(huán)境和人身安全的威脅。 隨著聚乙烯管道系統(tǒng)在燃?xì)狻⒐┧阮I(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，全社會(huì)對(duì)管道系統(tǒng)安全性的要求也日益迫切。 1.3 焊接過(guò)程的溫度控制是提升管道系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵 當(dāng)我們追溯這些事故的源頭，會(huì)發(fā)現(xiàn)有53%的聚乙烯管道系統(tǒng)故障發(fā)生在管道的接頭處——即管材與管材焊接的部位（來(lái)自塑料管道數(shù)據(jù)庫(kù)委員會(huì)PPDC）。接頭作為管道系統(tǒng)中質(zhì)量最薄弱的環(huán)節(jié)，其焊接質(zhì)量影響到整個(gè)管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 電熔焊接是目前聚乙烯管道最常用的連接方式之一。它通過(guò)預(yù)埋在電熔套筒內(nèi)部的電阻絲加熱電熔套筒的內(nèi)表面及管材的外表面，使二者吸收熱量并熔融，而后固定、冷卻。 在電熔焊接過(guò)程中，溫度是最重要的參數(shù)，也是造成接頭失效最本質(zhì)的原因。不合理的焊接工藝導(dǎo)致的焊接過(guò)程的溫度控制不當(dāng)，引發(fā)冷焊和過(guò)焊等缺陷。內(nèi)部溫度過(guò)高會(huì)使得金屬絲周?chē)木垡蚁┎牧弦驕囟冗^(guò)高而裂解，從而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不足，產(chǎn)生過(guò)焊現(xiàn)象；內(nèi)部溫度不足則會(huì)導(dǎo)致熔合區(qū)深度和界面強(qiáng)度不足，產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。冷焊缺陷很難從外觀上或通過(guò)常規(guī)液壓試驗(yàn)分辨，但其可能導(dǎo)致焊接接頭在服役過(guò)程中沿熔合面發(fā)生貫穿裂紋擴(kuò)展失效，具有很大的安全隱患。 1.4 應(yīng)用過(guò)程的安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)是保障管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵 接頭是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。美國(guó)塑料管研究所（PPI）技術(shù)總監(jiān)Sarah Patterson在2016年美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）壓力容器與管道（PVP）50周年會(huì)的大會(huì)報(bào)告上指出，非金屬管道的無(wú)損檢測(cè)與安全監(jiān)測(cè)研究是今后塑料管道技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的重要課題。 在接頭安全監(jiān)測(cè)方面，管道的服役過(guò)程安全監(jiān)測(cè)研究主要有以下四種：（1）基于應(yīng)變的監(jiān)測(cè)技術(shù)：主要采用應(yīng)變片等傳感器測(cè)量管道應(yīng)變。該方法技術(shù)成熟，但測(cè)點(diǎn)多、電路復(fù)雜，且僅能獲得材料表層局部的應(yīng)變信息。（2）連續(xù)碳纖維復(fù)合材料自監(jiān)測(cè)技術(shù)：如內(nèi)嵌連續(xù)碳纖維的復(fù)合材料，可以實(shí)時(shí)提供結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。采用連續(xù)碳纖維自監(jiān)測(cè)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)小于傳統(tǒng)應(yīng)變片，且應(yīng)變檢測(cè)范圍很小。（3）基于埋入傳感器的監(jiān)測(cè)技術(shù)：如利用嵌入式光纖光柵的管道應(yīng)變場(chǎng)監(jiān)測(cè)。光纖檢測(cè)集成度高、精度高，已經(jīng)在管道、橋梁等結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。（4）基于導(dǎo)電填充材料的監(jiān)測(cè)技術(shù)：在不導(dǎo)電的聚乙烯或其他非金屬基體樹(shù)脂中摻入少量導(dǎo)電纖維或顆粒，從而在材料中建立導(dǎo)電傳感網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)材料產(chǎn)生變形或局部損傷時(shí)，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地產(chǎn)生導(dǎo)通節(jié)點(diǎn)數(shù)變化或局部斷開(kāi)，通過(guò)測(cè)量材料宏觀電阻變化可以獲得材料應(yīng)變或局部損傷等信息。 基于導(dǎo)電填充材料的智能監(jiān)測(cè)技術(shù)一直是混凝土結(jié)構(gòu)與生物傳感器領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn)。其關(guān)鍵問(wèn)題是如何通過(guò)合理的傳感器設(shè)計(jì)，在不影響監(jiān)測(cè)對(duì)象本身工作特性的同時(shí)，有效地提取監(jiān)測(cè)對(duì)象的服役狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損傷信息。開(kāi)展結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，智能監(jiān)測(cè)感知壓力容器與管道結(jié)構(gòu)失效特征參量，實(shí)現(xiàn)損傷失效的預(yù)警和運(yùn)行的自主優(yōu)化，是未來(lái)壓力容器行業(yè)重要的研究方向。 2 智慧管件系統(tǒng)解決方案 非金屬管道的智慧管件系統(tǒng)包含管件焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)智能調(diào)控和管件使用過(guò)程的損傷自監(jiān)測(cè)兩個(gè)功能，如圖1所示。 2.1 焊接過(guò)程溫度場(chǎng)調(diào)控 電熔焊接過(guò)程從本質(zhì)上是電阻絲通電生熱、聚乙烯材料相變?nèi)酆系倪^(guò)程，熔區(qū)溫度在時(shí)間和空間上的變化很大程度上體現(xiàn)出焊接過(guò)程的發(fā)展。如圖2所示，智能焊機(jī)的“智能”正是來(lái)源于我們所提出的熔區(qū)復(fù)合溫度場(chǎng)理論模型。該模型能夠根據(jù)采集到的實(shí)際電壓電流數(shù)據(jù)，小成本、高精度地實(shí)時(shí)推演焊接過(guò)程的發(fā)展。不同于傳統(tǒng)焊機(jī)對(duì)被控對(duì)象內(nèi)部情況的“一無(wú)所知”，智能焊機(jī)首次采用基于熔區(qū)溫度場(chǎng)的方式在線監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程，使得參數(shù)的調(diào)節(jié)和設(shè)計(jì)有堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。 在溫度場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，本作品能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的質(zhì)量控制。在焊接接頭性能與加工條件的研究上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)熱重分析和凝膠滲透色譜分析研究PE100在不同溫度焊接后的熱降解行為，得出典型工業(yè)級(jí)PE100材料的允許焊接最高溫度在270℃的結(jié)論。同時(shí)，通過(guò)超聲檢測(cè)和梯度試驗(yàn)的方法證實(shí)了管材熔區(qū)深度與焊接界面強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)。 基于上述理論研究和多次實(shí)踐，對(duì)聚乙烯最高溫度和熔區(qū)拓展深度進(jìn)行控制是應(yīng)對(duì)過(guò)焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊機(jī)對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制的思路即通過(guò)實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)計(jì)算聚乙烯最高溫度和熔區(qū)邊界，讓最高溫度在不超過(guò)270℃，熔區(qū)深度控制在2～3mm。為使焊接效率最高，通過(guò)由調(diào)整次數(shù)、焊接時(shí)長(zhǎng)、最高溫度等指標(biāo)組成的代價(jià)函數(shù)對(duì)不同調(diào)整策略進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而獲得最優(yōu)的電壓調(diào)整策略。通過(guò)這種溫度主動(dòng)控制的方式，管道焊接缺陷產(chǎn)生的概率下降超80%。 1.1 服役過(guò)程安全狀態(tài)自監(jiān)測(cè) 為了實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)服役過(guò)程的安全狀態(tài)自監(jiān)測(cè)，采用短切碳纖維（SCF）增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料（PE-SCF）制備電熔管件。由于碳纖維SCF具有良好的導(dǎo)電性，隨著纖維含量的不斷增加，填充在聚合物基體內(nèi)部的短碳纖維能夠形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。PE-SCF復(fù)合材料內(nèi)部SCF導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞與重組賦予了該材料壓阻效應(yīng)，能夠用于監(jiān)測(cè)PE-SCF復(fù)合材料承受的載荷。圖4為循環(huán)拉伸載荷下PE-SCF的應(yīng)變和電阻響應(yīng)與時(shí)間的關(guān)系。可以看出，PE-SCF復(fù)合材料的監(jiān)測(cè)電阻能夠及時(shí)反映材料承受的應(yīng)變。隨著應(yīng)變?cè)黾樱牧系碾娮柚翟黾樱粦?yīng)變降低，材料的電阻值也降低；并且監(jiān)測(cè)電阻對(duì)應(yīng)變變化的響應(yīng)具有很好的穩(wěn)定性。PE-SCF復(fù)合材料在拉伸力作用下發(fā)生變形，部分短碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，導(dǎo)致材料的電阻率增加。隨著應(yīng)變的降低，短碳纖維之間的接觸恢復(fù)到初始狀態(tài)，電阻值也隨之恢復(fù)。結(jié)果表明PE-SCF應(yīng)變與電阻變化之間存在確定的關(guān)聯(lián)機(jī)制，初步論證采用PE-SCF復(fù)合材料制備具有自監(jiān)測(cè)功能的電熔接頭具有可行性。 圖5顯示了爆破試驗(yàn)過(guò)程中所監(jiān)測(cè)到的PE-SCF電熔接頭的電阻和壓力變化曲線。結(jié)果表明，隨著內(nèi)部壓力的升高，兩個(gè)電極之間的電阻會(huì)不斷增加，電阻變化率曲線的斜率也迅速增加。這是因?yàn)樵诩訅撼跏茧A段，電阻變化主要由基體的彈性變形引起，在這種情況下，材料內(nèi)部的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)仍然完整，因此電阻不會(huì)產(chǎn)生很大變化。當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)，材料內(nèi)部形成微裂紋，導(dǎo)致局部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞，電阻變化率顯著增加。初步實(shí)驗(yàn)表明，利用電阻變化率監(jiān)測(cè)PE-SCF電熔接頭的內(nèi)壓載荷及結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)具有可行性。 圖6顯示了峰值內(nèi)壓為5MPa時(shí)的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)期間，電熔接頭上監(jiān)測(cè)到的電阻變化曲線。可見(jiàn)電熔接頭表面電極之間的電阻變化趨勢(shì)與接頭內(nèi)部的壓力變化趨勢(shì)一致，且每個(gè)周期的峰值電阻十分穩(wěn)定。基于電阻測(cè)量的內(nèi)壓監(jiān)測(cè)靈敏度系數(shù)約為29.56%/MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，載荷和監(jiān)測(cè)到的電阻信號(hào)存在較為穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因而用電阻變化監(jiān)測(cè)電熔接頭內(nèi)部壓力的變化是可行的。 上述測(cè)試結(jié)果表明，采用PE-SCF復(fù)合材料制備電熔管件，利用PE-SCF材料的壓阻效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于電阻測(cè)量的管道系統(tǒng)在服役過(guò)程中的內(nèi)壓及安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提升了管道系統(tǒng)的服役安全性。