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本發(fā)明公開了一種單洞大斷面特長隧道施工通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)方法，所述通風(fēng)系統(tǒng)包括設(shè)置在所述隧道中心線一側(cè)的施工通風(fēng)臨時隔墻(2)，保證施工通風(fēng)臨時隔墻(2)與隧道兩側(cè)邊墻分別圍繞成封閉巷道的斷面面積比接近2∶1，將其中斷面面積較小的封閉巷道作為輸送新鮮風(fēng)的新鮮風(fēng)進風(fēng)巷道(4)，掌子面回流的污染風(fēng)則從斷面面積較大的污染風(fēng)排出巷道(5)內(nèi)排出隧道外；在隧道洞口出口處，施工通風(fēng)臨時隔墻(2)延伸出洞外，將洞口附近區(qū)域的新鮮風(fēng)源與污染風(fēng)分離；本發(fā)明采用射流巷道式通風(fēng)方式，解決了單洞大斷面特長隧道施工時超長距離送風(fēng)的難題，有效提高對掌子面送風(fēng)效率，并節(jié)約了成本，取得了較好的經(jīng)濟效益。

本發(fā)明公開了一種灌注樁樁端樁側(cè)組合后壓漿裝置，包括鋼筋籠、包覆在鋼筋籠下部外側(cè)的側(cè)向彈性腔體、固定于鋼筋籠上的用于為側(cè)向彈性腔體注漿的側(cè)部壓漿裝置和用于為鋼筋籠端部壓漿的端部壓漿裝置，其中所述側(cè)向彈性腔體包括彈性薄膜和位于彈性薄膜上、下兩端并夾緊該彈性薄膜的雙層鋼環(huán)，該雙層鋼環(huán)通過鋼條與鋼筋籠固定連接，并在側(cè)向彈性腔體與鋼筋籠之間形成間隙；所述鋼筋籠

01.  成果簡介 在鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋以及鋼-混凝土組合框架，其中采用的鋼混凝土組合梁均由鋼梁和混凝土板組成，兩者通常采用栓釘連接件相連。栓釘連接件的主要作用包括：(1)抗剪：承擔(dān)鋼梁與混凝土板之間的界面縱向剪力，限制兩者之間的界面縱向自由滑動，從而保證鋼梁與混凝土板協(xié)同變形、共同工作，充分發(fā)揮組合作用，提高截面剛度和承載能力；(2)抗拔：抵抗混凝土板因整體縱向彎曲以及局部橫向彎曲導(dǎo)致的豎向分離和掀起。 鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋以及鋼-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)目前尚缺少一種用于負彎矩區(qū)只抗拔但縱向不抗剪的新型連接件，從而制約了這兩種結(jié)構(gòu)形式的推廣和應(yīng)用。 本成果提出的縱向不抗剪螺桿式抗拔連接件（簡稱“抗拔不抗剪連接件”）及其施工方法于2012年提出，通過改進普通栓釘連接件在鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁中的構(gòu)造方式，釋放鋼梁與混凝土板的組合作用，使得在負彎矩作用下，混凝土板不隨鋼梁發(fā)生變形，從而降低了混凝土板拉應(yīng)力水平，防止了混凝土板的開裂，提升了橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性能。 該連接件用于連接鋼梁和混凝土板，連接件包括螺桿和螺帽，螺桿與螺帽通過螺紋機械連接，螺桿周圍外包彈性材料管，并焊接于鋼梁的上翼緣板上，若鋼梁和混凝土相對滑移量需求較大，可進一步在螺帽周圍外包彈性材料管。在鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋以及鋼-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)的負彎矩區(qū)采用該連接件，能有效減小負彎矩區(qū)混凝土板的拉應(yīng)力，提高混凝土板的縱向預(yù)應(yīng)力導(dǎo)入度，改善混凝土板的長期性能和耐久性，同時該連接件具有可靠的抗拔能力，能抵抗混凝土板相對于鋼梁的掀起作用。 抗拔不抗剪連接件屬于一種橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)領(lǐng)域的混凝土防開裂技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的混凝土防開裂技術(shù)（例如預(yù)應(yīng)力技術(shù)、強配筋技術(shù)、非張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù)等），該技術(shù)無復(fù)雜的工藝流程，施工速度快，構(gòu)造簡單，材料成本更低，因此具有非常廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟效益。 抗拔不抗剪連接件目前在國內(nèi)部分鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁中得到了應(yīng)用，實踐表明，采用該連接件的橋梁結(jié)構(gòu)的混凝土板未發(fā)生開裂現(xiàn)象，運營良好，且建造成本更低。目前，鋼混組合結(jié)構(gòu)橋梁在全國的應(yīng)用不斷增加，這種防開裂技術(shù)將會得到更多的認可。02.  應(yīng)用前景 可用于橋梁結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)，特別是鋼-混凝土連續(xù)組合梁橋以及鋼-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)負彎矩區(qū)的連接件。   03. 知識產(chǎn)權(quán) 成果涉及1項授權(quán)專利。   04. 團隊介紹 團隊負責(zé)人現(xiàn)任清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點實驗室主任、清華大學(xué)未來城鎮(zhèn)與基礎(chǔ)設(shè)施研究院院長。長期從事鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究與推廣應(yīng)用工作，研發(fā)了一系列組合結(jié)構(gòu)新形式和新技術(shù)，發(fā)展了組合結(jié)構(gòu)設(shè)計計算理論和設(shè)計方法，解決了建筑、橋梁、特殊結(jié)構(gòu)和加固改造等領(lǐng)域的諸多難題，拓寬了組合結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用領(lǐng)域。獲中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會首屆鋼結(jié)構(gòu)杰出人才獎、光華工程科技獎、何梁何利科技進步獎。以第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎、國家科技進步獎(創(chuàng)新團隊)、國家科技進步二等獎各1項。   05. 合作方式 技術(shù)許可。   06. 聯(lián)系方式 電話：18811351491 郵箱：[email protected], [email protected]

本發(fā)明公開了一種混凝土連續(xù)箱梁橋的橫向拼接結(jié)構(gòu)及其施工方法，包括位于相鄰箱梁橋翼緣板拼接縫處的波紋鋼板，該波紋鋼板的波紋方向與拼接縫長度方向相一致；所述波紋鋼板通過橫向連接鋼筋與兩側(cè)的箱梁橋固定連接，且該橫向連接鋼筋的一端固定于相鄰的箱梁橋翼緣板內(nèi)，另一端與波紋鋼板相固定連接，并與波形鋼板兩側(cè)的縱向分布鋼筋焊接形成鋼筋骨架； 在所述波形鋼板波間范圍內(nèi)，填充彈性極好的瀝青砂，拼接縫其它區(qū)域填充彈性混凝土，形成與兩側(cè)翼緣板齊平的后澆帶。本發(fā)明為設(shè)置在新舊混凝土箱梁橋翼緣板之間的橫向拼接結(jié)構(gòu)，不但吸收新舊箱梁橋主體結(jié)構(gòu)之間的縱向變形差，同時還能夠承受新舊箱梁橋之間的橫向內(nèi)力及相關(guān)變形差。

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特的優(yōu)點。為了進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、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。

該軋機屬機電一體化產(chǎn)品。開式工作機架采用了環(huán)孔型軋輥對管坯進行長行程軋制，行程長度與德國SKW－75－VMR軋管機相同。 回轉(zhuǎn)送進機構(gòu)由原來復(fù)雜的機械傳動改為簡單可靠的電氣傳動完成，由于自行開發(fā)的電控系統(tǒng)采用獨有技術(shù)解決了管坯送進量準確、穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)角度任意可調(diào)的難題，大大簡化了機械傳動的調(diào)整、維護，不僅明顯降低了機械傳動中的剛性沖擊和噪音，也大大減少了使用和維護成本。 由于該軋機可實現(xiàn)正、反向無扭回轉(zhuǎn)，出料系統(tǒng)中設(shè)置了由水平料槽、卷取機、料筐裝置等組成的直線在線卷取系統(tǒng)，實現(xiàn)邊軋制邊卷取，從而大大節(jié)省了車間占地面積。 本軋機是在吸收了國內(nèi)外SKW―VMR、LG―GH、XЛT 等系列軋管機的基礎(chǔ)上采取洋為中用，新老結(jié)合的方式，自主研制開發(fā)的新型冷軋管機。

本項目產(chǎn)品目前超級電容器的致命缺陷，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)作為超級電容器正極材料時，CNT形成一維電子“快速通道”，在充放電過程中，電荷能通過CNT快速通道進行超高速交換。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)點為在電容器制備過程中可以高效地避免納米材料很容易出現(xiàn)的團聚現(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，充電時間遠小于鋰離子電池和鉛酸電池，在充電設(shè)備允許情況下，充電時間可以減小到2分鐘以內(nèi)；循環(huán)壽命也高于鋰離子電池10倍以上；并且該超級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)用于電動自行車、新能源汽車、電站儲能、工業(yè)電動運輸裝置、電動工具、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、瞬時大推力陸用裝備、無人機、空間飛行器等）等，具有千億級的市場規(guī)模。 技術(shù)指標： ？ 能量密度：30-80Wh/kg（目前商業(yè)超級電容器的最高僅為8Wh/kg） ？ 功率密度：2-20kW/kg ？ 充電時間：小于5分鐘 ？ 循環(huán)壽命：大于5000次 項目產(chǎn)品的技術(shù)和性能優(yōu)勢： ？ 超大的電容量：比傳統(tǒng)電容器容量高6個數(shù)量級，比現(xiàn)有商業(yè)化的超級電容器的比能量高10倍，已經(jīng)超過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數(shù)量級以上。 ？ 充電速度快：比鋰離子電池快10倍以上。 ？ 更長的充放電循環(huán)使用壽命：比鋰離子電池的壽命高1個數(shù)量級以上。 ？ 具有免維護：可隨時淺充、滿充和過充電、淺放電、全放電，對電池不會損害，無記憶效應(yīng)。 ？ 高可靠性：超級電容器從生產(chǎn)至使用過程中，均不會出現(xiàn)鋰離子電池爆炸問題，即使在嚴重擠壓和高溫下也是安全可靠的。 ？ 環(huán)保無污染：從生產(chǎn)、使用到報廢回收，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設(shè)備，但工藝要求更加簡單。

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特的優(yōu)點。為了進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、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)，實現(xiàn)了大功率輸出

該項目產(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)用于電動自行車、新能源汽車、電站儲能、工業(yè)電動運輸裝置、電動工具、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、瞬時大推力陸用裝備、無人機、空間飛行器等）等，具有千億級的市場規(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，對國民經(jīng)濟的發(fā)展和穩(wěn)定至關(guān)重要，被稱為國民經(jīng)濟的“生命線”。我國壓力管道發(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5220km，設(shè)計年輸量3×1010m3。此外，油田集輸管網(wǎng)和城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)的管道長度已達到數(shù)十萬公里，且仍在不斷增長，成為油氣管道重要組成部分。在水資源輸送領(lǐng)域，為解決我國的水資源時空分布不均問題，我國已經(jīng)實施了多項跨流域、跨地區(qū)的長距離管道輸水工程，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15.5萬平方千米，惠及沿線6000萬人口。 以聚乙烯及其增強復(fù)合管為代表的非金壓力屬管道具有耐腐蝕、抗震、柔性好、壽命長等優(yōu)勢，在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域替代金屬管道，成為世界各國競先研發(fā)的未來管道發(fā)展方向。全球非金屬管道的年均增速約5.9%，我國聚乙烯管道年平均增速更是達15%。 隨著聚乙烯及其增強復(fù)合管的不斷發(fā)展，其在燃氣和輸水等領(lǐng)域應(yīng)用不斷擴展。在燃氣領(lǐng)域，在燃氣領(lǐng)域，美國、英國、丹麥等的城市燃氣管道中聚乙烯管應(yīng)用比例均接近100%，而我國新鋪設(shè)的中低壓城市燃氣管90%以上采用聚乙烯管材。在輸水領(lǐng)域，我國城市建筑排水管道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)國家已經(jīng)在燃氣和給水領(lǐng)域選擇聚乙烯管逐漸替代金屬管道，實現(xiàn)以塑代鋼。 近年來，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)達到4MPa，平均工作溫度高達60℃。在核電站冷卻水輸送領(lǐng)域，美國的Callaway核電站率先鋪設(shè)聚乙烯管道的外圍冷卻水系統(tǒng)，我國新建的AP1000核電站（浙江三門核電、山東海陽核電）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，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)在燃氣、供水等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，其安全問題受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)中國城市規(guī)劃協(xié)會地下管線專業(yè)委員會的統(tǒng)計報告，2009年至2013年中國城市管線典型事故共計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，爆燃點周邊部分建筑物受損，直接經(jīng)濟損失4784萬元。臺灣“8.1”燃氣泄漏爆炸事故中多條街道陸續(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷，經(jīng)濟損失高達1.4億元。類似的管道泄漏導(dǎo)致爆燃的事故給全社會帶來了重大的公共環(huán)境和人身安全的威脅。 隨著聚乙烯管道系統(tǒng)在燃氣、供水等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，全社會對管道系統(tǒng)安全性的要求也日益迫切。 1.3 焊接過程的溫度控制是提升管道系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵 當我們追溯這些事故的源頭，會發(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（來自塑料管道數(shù)據(jù)庫委員會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)量影響到整個管道系統(tǒng)的安全運行。 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)致的焊接過程的溫度控制不當，引發(fā)冷焊和過焊等缺陷。內(nèi)部溫度過高會使得金屬絲周圍的聚乙烯材料因溫度過高而裂解，從而導(dǎo)致接頭強度不足，產(chǎn)生過焊現(xiàn)象；內(nèi)部溫度不足則會導(dǎo)致熔合區(qū)深度和界面強度不足，產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。冷焊缺陷很難從外觀上或通過常規(guī)液壓試驗分辨，但其可能導(dǎo)致焊接接頭在服役過程中沿熔合面發(fā)生貫穿裂紋擴展失效，具有很大的安全隱患。 1.4 應(yīng)用過程的安全狀態(tài)監(jiān)測是保障管道系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵 接頭是管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。美國塑料管研究所（PPI）技術(shù)總監(jiān)Sarah Patterson在2016年美國機械工程師協(xié)會（ASME）壓力容器與管道（PVP）50周年會的大會報告上指出，非金屬管道的無損檢測與安全監(jiān)測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)測方面，管道的服役過程安全監(jiān)測研究主要有以下四種：（1）基于應(yīng)變的監(jiān)測技術(shù)：主要采用應(yīng)變片等傳感器測量管道應(yīng)變。該方法技術(shù)成熟，但測點多、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)測技術(shù)：如內(nèi)嵌連續(xù)碳纖維的復(fù)合材料，可以實時提供結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。采用連續(xù)碳纖維自監(jiān)測的應(yīng)變靈敏度系數(shù)小于傳統(tǒng)應(yīng)變片，且應(yīng)變檢測范圍很小。（3）基于埋入傳感器的監(jiān)測技術(shù)：如利用嵌入式光纖光柵的管道應(yīng)變場監(jiān)測。光纖檢測集成度高、精度高，已經(jīng)在管道、橋梁等結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。（4）基于導(dǎo)電填充材料的監(jiān)測技術(shù)：在不導(dǎo)電的聚乙烯或其他非金屬基體樹脂中摻入少量導(dǎo)電纖維或顆粒，從而在材料中建立導(dǎo)電傳感網(wǎng)絡(luò)，當材料產(chǎn)生變形或局部損傷時，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)地產(chǎn)生導(dǎo)通節(jié)點數(shù)變化或局部斷開，通過測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。其關(guān)鍵問題是如何通過合理的傳感器設(shè)計，在不影響監(jiān)測對象本身工作特性的同時，有效地提取監(jiān)測對象的服役狀態(tài)和結(jié)構(gòu)損傷信息。開展結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)研究，智能監(jiān)測感知壓力容器與管道結(jié)構(gòu)失效特征參量，實現(xiàn)損傷失效的預(yù)警和運行的自主優(yōu)化，是未來壓力容器行業(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)包含管件焊接過程的溫度場智能調(diào)控和管件使用過程的損傷自監(jiān)測兩個功能，如圖1所示。 2.1 焊接過程溫度場調(diào)控 電熔焊接過程從本質(zhì)上是電阻絲通電生熱、聚乙烯材料相變?nèi)酆系倪^程，熔區(qū)溫度在時間和空間上的變化很大程度上體現(xiàn)出焊接過程的發(fā)展。如圖2所示，智能焊機的“智能”正是來源于我們所提出的熔區(qū)復(fù)合溫度場理論模型。該模型能夠根據(jù)采集到的實際電壓電流數(shù)據(jù)，小成本、高精度地實時推演焊接過程的發(fā)展。不同于傳統(tǒng)焊機對被控對象內(nèi)部情況的“一無所知”，智能焊機首次采用基于熔區(qū)溫度場的方式在線監(jiān)測焊接過程，使得參數(shù)的調(diào)節(jié)和設(shè)計有堅實的理論依據(jù)。 在溫度場模型的基礎(chǔ)上，本作品能實現(xiàn)對焊接過程的質(zhì)量控制。在焊接接頭性能與加工條件的研究上，團隊通過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PE100材料的允許焊接最高溫度在270℃的結(jié)論。同時，通過超聲檢測和梯度試驗的方法證實了管材熔區(qū)深度與焊接界面強度的關(guān)聯(lián)。 基于上述理論研究和多次實踐，對聚乙烯最高溫度和熔區(qū)拓展深度進行控制是應(yīng)對過焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊機對質(zhì)量進行控制的思路即通過實時溫度場計算聚乙烯最高溫度和熔區(qū)邊界，讓最高溫度在不超過270℃，熔區(qū)深度控制在2～3mm。為使焊接效率最高，通過由調(diào)整次數(shù)、焊接時長、最高溫度等指標組成的代價函數(shù)對不同調(diào)整策略進行評價，從而獲得最優(yōu)的電壓調(diào)整策略。通過這種溫度主動控制的方式，管道焊接缺陷產(chǎn)生的概率下降超80%。 1.1 服役過程安全狀態(tài)自監(jiān)測 為了實現(xiàn)管道系統(tǒng)服役過程的安全狀態(tài)自監(jiān)測，采用短切碳纖維（SCF）增強聚乙烯復(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)與時間的關(guān)系。可以看出，PE-SCF復(fù)合材料的監(jiān)測電阻能夠及時反映材料承受的應(yīng)變。隨著應(yīng)變增加，材料的電阻值增加；應(yīng)變降低，材料的電阻值也降低；并且監(jiān)測電阻對應(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，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)機制，初步論證采用PE-SCF復(fù)合材料制備具有自監(jiān)測功能的電熔接頭具有可行性。 圖5顯示了爆破試驗過程中所監(jiān)測到的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，兩個電極之間的電阻會不斷增加，電阻變化率曲線的斜率也迅速增加。這是因為在加壓初始階段，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，因此電阻不會產(chǎn)生很大變化。當壓力繼續(xù)增加時，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。初步實驗表明，利用電阻變化率監(jiān)測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時的循環(huán)加載實驗期間，電熔接頭上監(jiān)測到的電阻變化曲線。可見電熔接頭表面電極之間的電阻變化趨勢與接頭內(nèi)部的壓力變化趨勢一致，且每個周期的峰值電阻十分穩(wěn)定。基于電阻測量的內(nèi)壓監(jiān)測靈敏度系數(shù)約為29.56%/MPa。實驗結(jié)果表明，載荷和監(jiān)測到的電阻信號存在較為穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因而用電阻變化監(jiān)測電熔接頭內(nèi)部壓力的變化是可行的。 上述測試結(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)基于電阻測量的管道系統(tǒng)在服役過程中的內(nèi)壓及安全狀態(tài)實時監(jiān)測，提升了管道系統(tǒng)的服役安全性。