燃气管道的结构补偿及状态监测系统设计

摘 要

摘要：针对建筑地基沉降引发的建筑燃气管道变形、断裂，分析了问题产生的原因，提出了管件结构补偿措施。作为该措施的补充，设计了一种燃气管道状态自动监测系统。通过分布式数据采
摘要：针对建筑地基沉降引发的建筑燃气管道变形、断裂，分析了问题产生的原因，提出了管件结构补偿措施。作为该措施的补充，设计了一种燃气管道状态自动监测系统。通过分布式数据采集技术和通信技术，实现燃气管道实时监测。
关键词：结构补偿；数据采集；自动监测
Structural Compensation of Gas Pipeline and Design of State Monitoring System
ZHAO Jingsheng
Abstract：Aimed at the deformation and rupture of gas pipeline caused by building foundation sinking，the reasons of the problem are analyzed，and the compensation measures of pipeline structure are proposed.As a supplementary measure，an automatic monitoring system of gas pipeline state is designed.The real-time monitoring of gas pipeline is achieved by distributed data acquisition technology and communication technology.
Key words：structural compensation；data acquisition；automatic monitoring
1 概述
    北京市昌平区的天通苑和回龙观社区是近年来新建的大型住宅区，随着房地产业快速发展，开发商追求开发速度的同时却忽略了建筑地基的夯实。表现为回填选用的土质较差，回填施工过程未严格执行相关规范，致使建筑地基土质松散，在雨雪水长期渗透作用下，小区部分地面发生沉降。地面沉降导致建筑楼体燃气管道变形甚至发生断裂漏气事故，直接影响到燃气的正常供应，给居民生活带来了严重安全隐患。例如，回龙观某居民小区，陆续检查出40处燃气管道隐患，涉及6栋楼、240户居民的用气安全；天通苑某居民小区检查出1254处管道隐患，涉及100栋楼、7524户的用气安全。目前，此类问题已上升为北京市燃气行业重大安全隐患之一。
    通过调查发现，隐患位置多集中在建筑一层燃气立管三通分流处和水平燃气管道变径弯头处。燃气立管是因为在沉降过程中受外力拉伸，所以在连接处发生逸扣或断裂；而水平燃气管道变径弯头处是受力薄弱点，它是受立管沉降拉伸而变形或断裂。针对上述问题，技术解决方案如下。
   ① 在管件结构上做技术应急补救工作
   我们首先在管件结构上做改进和完善工作。依据结构力学，测量计算出燃气管道产生的位移量，依据位移量来选择检修措施。考虑到未来可预期的变形量及相应的安全尺寸余量来决定选用管件的材质及安装结构，以便对这个位移量进行补偿。
    ② 设计燃气管道自动监测的长效方案
    作为管件结构补偿的后续措施，考虑到施工损毁、地震等不可预测的外力因素，单纯的结构维护不能满足管道长期安全运行的需求。为此，本文设计了一种燃气管道状态自动监测方案，建立了管道状态主动监测机制，满足了燃气管道安全稳定运行的长远需要，也为国内同行业应用作了一次有益的探索。
2 管件结构补偿方案
    小区建筑物通过几年的不断下沉，建筑结构沉降区的沉积量已形成固量，解决方案须使管件处于持续可预期的伸缩变形状态，保证管件形状尺寸处于相对稳定的状态。
2.1 结构补偿计算
   据调查，现有管材结构设计变形补偿能力不能满足实际变形补偿要求，该问题解决的关键在于设计可行的预补偿量。
例如，楼宇建筑已建成8年，地基沉降导致管道水平位移5cm，管道垂直位移7cm。根据目前的实测结果，再考虑到未来的极限条件情况，即按同等沉降偏移速率在建成10年后地基达到基本稳定。可确定该楼宇建筑结构全寿命中的附属燃气管道的伸缩量，公式如下：
 
式中δd——预伸缩量，m
    n——安全系数，一般取1.5～2.5
    δc——样本测量位移量，m
    td——预期建筑持续沉降时间，a
    tc——样本的建筑年龄，a
    经计算得出，该楼宇建筑燃气管道水平设计预伸缩量约为9.4cm，垂直设计预伸缩量约为13.1cm。
2.2 结构补偿的具体措施
 计算得出预伸缩量后，决定选用波纹管来补偿伸缩量。技术实施方案是在立管前的管道上加一段波纹管来满足立管下沉产生的补偿需求。
    从楼前管上重新接一个引入管，在引入管的水平段上加装带护套的金属波纹管(外径57mm)，金属波纹管总长500mm，设计压力1.0MPa，气密性试验压力1.1MPa。其中，波纹管为0.4mm厚的不锈钢波纹管，长度为400mm，波纹管两头各焊接了长50mm优质碳钢接头，便于与现场的钢管焊接。将金属波纹管部分砌管沟，管道上方填沙，其余部分防腐后直埋。
    同样，在室内一层水平管道上也设置了金属波纹管，一方面能有效释放户内各支管的应力，避免再次发生应力破坏；另一方面，地面如果进一步沉降，波纹管将随之变形，应力也得到了释放，户内各支管就不会产生额外负荷，防止支管发生断裂漏气。具体措施如下：
   ① 在户内一层燃气立管底部安装抱卡固定，防止管道下沉，并且每隔一层加一个抱卡固定。
    ② 更换阀门至三通之间的管道，加长管道的长度来弥补沉降量。
    ③ 对于部分具备入户条件的用户，将入户支管DN 15mm的穿墙镀锌钢管更换成金属波纹管。
    ④ 为了防止管道继续下沉，在户外管道下端填实沙土。
3 燃气管道状态自动监测系统的设计
    燃气管道状态自动监测系统是通过分布式数据采集终端对燃气管道结构变化进行跟踪测量，并将采集到的数据经由无线网络汇总到管理中心实现集中监控。燃气管道监测设计方案实现了管道结构变化的数据统计及设备状态的在线监测，它是一种长效的安全管理措施，可以在出现问题的第一时间内采取补救措施，消除隐患。这些实测数据也将成为今后燃气管道的设计依据。
3.1 系统构成
    燃气管道状态自动监测系统包括监测管理中心、GPRS/GSM(GPRS为通用分组无线业务，GSM为全球移动通信系统)、分布式管道数据采集终端，系统组成见图1。
 

    系统的工作流程是由分布式管道数据采集终端将现场采集到的燃气管道参数进行处理和初步的故障诊断，定时通过GPRS/GSM数据通信网络发送到监测管理中心。
   ① 分布式管道数据采集终端
   它主要负责燃气管道变形参数监测和燃气泄漏监测并实现状态信息上传。实现的主要功能如下。
    a. 管道变形参数采集。包括水平管、立管、三通和弯头的变形位移量。
    b. 燃气泄漏监测。负责监测管道设备周边的燃气浓度。
    c. 数据参数上传。将监测结果回传给上位机。
    ② 通信网络
    “永远在线”是其最大的特点，满足了燃气管道无线遥测数据的通信要求。GPRS用户所需支付的数据通信费用是按其实际发生的数据流量来计算，因此通信时间长短对资费没有影响，非常适合间断性和突发性的数据传输，适合燃气管道远端通信频繁但数据量较少的监测特点，可满足常规定时报告和突发故障自报告的使用需求。
   ③ 监测管理中心
   监测管理中心负责自动收集前端获取的管道参数及状态，汇总并储存相关数据文件，担负管道状态言息数据库的运行与维护，提交设备状态报告，实现管道状态查询、历史数据对比等多项业务需求。主要功能如下。
   a. 数据采集功能。定时接收和显示最新管道状态数据，获取各类故障代码及采集终端的状态信息。
   b. 数据处理功能。建立监测数据基础数据库，实现数据比对、历史数据查询等基本功能。采用深度数据挖掘技术，建立管道状态智能判别预警机制。
   c. 信息发布功能。可根据需求在企业内部局域网内同步发布信息，将故障报警通过短信或语音电话即时通知所设定的相关人员。
3.2 分布式管道数据采集终端
   分布式管道数据采集终端是整个监测系统的关键环节。由于它担负前端持续的数据采集任务，设备工作时间长，所处环境恶劣，且设备数量庞大，不易维护，因此需要加以特别设计。
3.2.1采集终端的构成
采集终端包括传感器单元、信号处理单元、系统控制(CPU)单元、无线通信单元和电源单元等。采集终端结构见图2。
 

① 传感器单元
传感器单元用于完成燃气管道参数的原始测量，以位移传感器为主。另外还可选装气体检测传感器，并可根据用户的要求进行扩展。主要包括如下内容。
    a. 位移信号采集：终端的位移传感器采用磁致伸缩位移传感器检测管道的实时位移，该方法是借助两个不同磁场相交产生的应变脉冲信号的磁致伸缩原理来测量位移的。由于磁环和敏感元件没有直接接触，传感器不易受液体、灰土等污染的影响，也没有磨损。此外，传感器能适应在高温高压的环境，因此非常适合安装在条件恶劣的燃气管道上。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接。数据也不会丢失。该方法结构简单，易于实现且成本低廉，分辨率可达0.001mm。
    b. 燃气泄漏信号采集：采用半导体气体传感器，该类传感器采用金属氧化物半导体烧结工艺。报警浓度为爆炸下限的4%±3%(绝对值)；响应速度约6s。具有灵敏度高、响应时间短、成本低、长期稳定性好等优点。
    ② 信号处理单元
    它具有多路高速处理通道，担负着模拟量到数字量的转换工作。
    ③ 系统控制单元
    控制系统单元是数据采集终端的核心部分，担负着其他单元的管理控制功能。主要包括：
    a. 信号的采集和转换。
    b. 数据预处理和存储。
    c. 故障初步诊断。
    d. 通信控制。
    这部分以ARM(Advanced RISC Machines)处理芯片为核心进行设计，该芯片具有低功耗、高性能、低成本等特点。此外，该款芯片集成了许多系统级的功能，可大大减少电子元件的数目和电路板的面积。
    ④ 无线通信单元(GPRS/GSM通信模块)
    GPRS/GSM通信模块内置有无线收发模块和TCP/IP协议模块。结合相关的软硬件驱动，具有数据传输差错率低、不易死机的优点，使得数据采集终端的可靠性及实时眭大大增强。
3.2.2采集终端的健壮性设计
    由于采集终端处于高危险的燃气管道周围，环境十分恶劣。因此充分考虑了健壮性设计要求。数据采集终端在正常使用条件下，平均无故障时间(MTBF)应大于等于8000h。采集终端的电源和所有的I/O接口设计有多级保护电路，防止带电部分对燃气管道带来潜在隐患。采集终端特别配置了看门狗电路和电源复位监控电路，有效防止死锁故障。此外，采集终端采取完全密闭设计，选用特殊材质，抵御现场恶劣环境对电路板的腐蚀和破坏，达到防水、防腐蚀、防静电的要求。
4 结语
    管道结构补偿方案实施后，通过对回龙观小区燃气管道的跟踪调查，再未发现管道断裂漏气现象，实现了技术解决方案的初步设计目标。同时，我们也在跟踪先进国家燃气设备无线遥测技术，不断完善燃气管道状态自动监测系统的设计，以期最终实现对城市燃气管网系统科学、安全、有效管理的目标。
 
(本文作者：赵京生 北京市燃气集团有限责任公司第五分公司 北京 100044)