非金屬管道智慧管件系統(tǒng)
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。
浙江大學(xué)
2021-05-10