狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在壓縮天然氣長管拖車在線監(jiān)控上的智慧應(yīng)用研究

李寧寧 楊丹 王寶良 董愛鴻

河北省特種設(shè)備檢測研究院 河北 石家莊 050200

引言

壓縮天然氣長管拖車是天然氣能源運(yùn)輸?shù)闹匾d具。在2022年北京-張家口冬季奧運(yùn)會(huì)期間清潔能源的重要保障設(shè)施。其運(yùn)行狀態(tài)與公共安全、國家形象息息相關(guān)。一般而言，設(shè)備從正常到故障會(huì)有一個(gè)發(fā)生、發(fā)展的過程，因此對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行日常的、連續(xù)的、規(guī)范的工作狀態(tài)的檢查和測量，即狀態(tài)監(jiān)測，為設(shè)備預(yù)防檢修提供依據(jù)[1]。長管拖車作為特種設(shè)備，也是狀態(tài)監(jiān)測的適用對象。為確保壓縮天然氣長管拖車安全，進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的長管拖車天然氣泄漏、結(jié)構(gòu)和承壓安全的狀態(tài)監(jiān)測是十分必要的。

長管拖車多由幾只到十幾只長度和直徑之比大于10的大容積鋼制無縫氣瓶采用框架或捆扎方式頭-頭相連組裝而成移動(dòng)儲(chǔ)罐用于充裝超過20MPa壓力的壓縮天然氣，其充裝量高達(dá)7000NM3（圖1）。

圖1 長管拖車外形

長管拖車一般的運(yùn)行流程是：從長輸天然氣門站或母站充裝壓縮天然氣→公路運(yùn)輸→到達(dá)天然氣子站或終端用戶向地瓶組充裝或減壓供氣，降壓至規(guī)定壓力→返回長輸門站或母站充裝壓縮天然氣。繼續(xù)下一流程，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)天然氣的異地搬運(yùn)。在這一充壓、道路運(yùn)輸、泄壓過程中，長管拖車氣瓶經(jīng)歷了一個(gè)充壓膨脹、振動(dòng)顛簸、泄壓收縮的過程?？蚣芑蚶υ鷰б步?jīng)歷了振動(dòng)顛簸、甚至劇烈共振的過程。由于這一過程是周期性重復(fù)進(jìn)行，具備疲勞損傷的形成條件。

作為承載易燃易爆介質(zhì)-天然氣的移動(dòng)儲(chǔ)罐，高壓力、大容積、公路運(yùn)輸，決定了長管拖車必須嚴(yán)密監(jiān)控，做好定期檢驗(yàn)和運(yùn)行監(jiān)控。

1 長管拖車的監(jiān)管現(xiàn)狀

目前長管拖車的監(jiān)管主要體現(xiàn)在法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)定期檢驗(yàn)和用戶定期自行檢查上?！秹毫θ萜鞫ㄆ跈z驗(yàn)規(guī)則》（TSG R7001-2013）附件D“長管拖車、管束式集裝箱定期檢驗(yàn)專項(xiàng)要求”規(guī)定長管拖車的檢驗(yàn)周期為：充裝天然氣（煤層氣）級和充裝氫氣的介質(zhì)組別均為A級，首次定期檢驗(yàn)周期為3年，以后定期檢驗(yàn)周期為5年[2]。定期檢驗(yàn)由具備資質(zhì)的法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)執(zhí)行?！兑苿?dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG R0005-2011）規(guī)定：使用單位應(yīng)做好移動(dòng)式壓力容器的日常檢查和維護(hù)保養(yǎng)與定期自行檢查工作。使用單位是保證移動(dòng)式壓力容器安全運(yùn)行的責(zé)任主體[3]。

由此可見，無論是由法定檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)還是使用單位所做的定期檢驗(yàn)

還是日常檢查，都是長管拖車處于停止運(yùn)行狀態(tài)下，即離線狀態(tài)下的檢驗(yàn)檢查。截至目前，長管拖車在運(yùn)行狀態(tài)下，即在線狀態(tài)下的安全監(jiān)管處于空白狀態(tài)。

2 長管拖車在線狀態(tài)下的狀態(tài)監(jiān)控

長管拖車作為承載移動(dòng)式壓力容器的道路運(yùn)輸車輛，穿行在城市鄉(xiāng)村，路況不同，裝載量變化，造成其處于變振幅頻繁振動(dòng)狀態(tài)。振動(dòng)自然而然傳遞給長徑比很大的氣瓶和固定氣瓶的框架和捆扎帶，引起氣瓶和框架和捆扎帶的自振和共振。而且在充氣和泄壓的交替過程中周期性的膨脹和收縮，特別是氣瓶在出現(xiàn)腐蝕減薄或機(jī)械損傷時(shí)，膨脹量超標(biāo)也是引發(fā)疲勞破壞的誘因之一，需要引起足夠重視。因此，開展長管拖車氣瓶變形和框架振動(dòng)的在線監(jiān)控，特別是安全狀態(tài)低，運(yùn)行環(huán)境惡劣，處于壽命周期后期的長管拖車，實(shí)時(shí)監(jiān)控，提前預(yù)警，是十分必要的。

長管拖車頻繁的充裝氣，瓶體實(shí)際上處于周期性的升降壓狀態(tài)，管接頭，端塞密封件極易發(fā)生泄漏。泄漏的持續(xù)發(fā)展，造成易燃易爆氣體的集聚，達(dá)到爆炸極限，遇見明火就會(huì)爆炸起火為，造成嚴(yán)重事故。因此利用易燃易爆氣體泄漏在線檢測技術(shù)，對長管拖車進(jìn)行狀態(tài) 監(jiān)測具有現(xiàn)實(shí)意義。

長管拖車在線狀態(tài)監(jiān)控的方案是：采用安裝在運(yùn)行車輛上密封部位的防爆天然氣泄漏傳感器，安全激光器，利用無線泄漏測量技術(shù)、激光測距技術(shù)對其天然氣密封性、結(jié)構(gòu)和承壓穩(wěn)定性進(jìn)行在線監(jiān)控。集成智能化數(shù)據(jù)采集處理和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建車輛識(shí)別，變形量智能采集、無線遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、云端大數(shù)據(jù)管理的監(jiān)檢機(jī)構(gòu)輔助決策處置平臺(tái)。天然氣激光測距以0.1~1.0mm最小單位實(shí)現(xiàn)長管拖車氣瓶支架的結(jié)構(gòu)變形以及氣瓶充放氣變形的實(shí)時(shí)測量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危害運(yùn)行安全的垮塌和爆炸危險(xiǎn)并及時(shí)預(yù)警，間接監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)，為檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)定期檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

3 激光測距技術(shù)在長管拖車結(jié)構(gòu)振動(dòng)和氣瓶變形上的應(yīng)用

激光具有方向性強(qiáng)、單色性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，由此開發(fā)的激光位移傳感器非常適合距離和位移測量。激光位移傳感器測距的基本原理是：由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到光電二極管上。光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測定目標(biāo)距離。根據(jù)激光測距的量程大小，其分辨率可在0.01~1.0mm范圍內(nèi)。例如DZ2型激光位移傳感器在7~13mm量程范圍內(nèi)，其分辨率可達(dá)0.01mm。DZ5型激光位移傳感器在0.1~3m量程范圍內(nèi)，其分辨率可達(dá)1mm。下圖2即為其在長管拖車氣瓶膨脹收縮變形量測量上的應(yīng)用。

圖2 長管氣瓶變形量測量

長管拖車氣瓶膨脹收縮變形量測量的具體做法是：沿氣瓶軸線方向水平等距對稱布置激光位移傳感器7個(gè)或9個(gè)。要確保氣瓶中間位置即變形量最大的部位布置有位移傳感器。

下圖3即為其在長管拖車振動(dòng)測量上的應(yīng)用。

圖3 長管拖車狀態(tài)監(jiān)測傳感器布置

長管拖車振動(dòng)測量的具體做法是：在氣瓶或框架振動(dòng)較大的部位底部垂直布置向下的位移傳感器，測量氣瓶或框架與地面之間的位移波動(dòng)和時(shí)間來表征振動(dòng)的振幅和頻率。

4 天然氣密封測量技術(shù)在長管拖車泄漏監(jiān)控中的應(yīng)用

天然氣泄漏測量技術(shù)是利用催化燃燒原理，對長管拖車密封部位進(jìn)行PPM量級測量的技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)引發(fā)爆燃的泄漏點(diǎn)并進(jìn)行報(bào)警。基本做法是將電池供電的天然氣傳感器安裝在長管拖車氣瓶端塞、管接頭等靜密封點(diǎn)進(jìn)行泄漏監(jiān)控。

5 2022年北京冬奧會(huì)的監(jiān)管需求

2022年北京冬奧會(huì)舉辦在即，壓縮天然氣長管拖車的監(jiān)管需要引起極大重視。作為移動(dòng)壓力容器定期檢驗(yàn)的政府機(jī)關(guān)，市場監(jiān)管系統(tǒng)的特種設(shè)備檢驗(yàn)監(jiān)察部門在長管拖車的注冊登記，設(shè)計(jì)制造、定期檢驗(yàn)，維修、報(bào)廢等環(huán)節(jié)等靜態(tài)環(huán)節(jié)已經(jīng)依法進(jìn)行了監(jiān)督管理。定期檢驗(yàn)和檢查只是實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)式監(jiān)管，而長管拖車在長期的道路運(yùn)輸在線運(yùn)行過程中是否存在過量充裝、超壓、罐壁腐蝕減薄、泄漏、結(jié)構(gòu)變形、安全閥動(dòng)作異常、緊急切斷閥是否動(dòng)作可靠、是否發(fā)生過違規(guī)操作、震動(dòng)、沖擊、噪聲是否異常以及是否發(fā)生過交通事故、駕乘人員資質(zhì)是否合規(guī)等動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的運(yùn)行記錄則掌握不全面。由于長管拖車運(yùn)營單位法律意識(shí)淡漠或利益相關(guān)，這些運(yùn)行記錄很多不完整，甚至有虛假和掩蓋的成分存在。

因此基于2022年北京冬奧會(huì)需求，需要利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)思維，研究設(shè)計(jì)智慧型天然氣泄漏數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，智慧型振動(dòng)、變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將天然氣泄漏數(shù)據(jù)采集器、激光變形傳感器和振動(dòng)傳感器采集的數(shù)據(jù)，無線傳輸?shù)皆品?wù)器，形成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并設(shè)定基于報(bào)警門檻以及記錄閾值。將相關(guān)示警和記錄信息經(jīng)判斷整理后同時(shí)推送到監(jiān)管機(jī)構(gòu)的移動(dòng)客戶端和電腦客戶端。為特種設(shè)備檢驗(yàn)提供客觀真實(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，不留監(jiān)管空白，補(bǔ)齊特種設(shè)備壽命周期中運(yùn)行環(huán)節(jié)的監(jiān)管短板。

6 基于特聯(lián)網(wǎng)的長管拖車狀態(tài)監(jiān)測

長管拖車狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式：特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為三個(gè)層級：國家級特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（平臺(tái)），?。ㄊ校┘壧胤N設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)（平臺(tái)）、企業(yè)級特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（平臺(tái)）[4]。長管拖車作為移動(dòng)特種設(shè)備，而且是舉辦冬奧期間，可以建成省（市）級特種設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成[5]，具體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 長管拖車狀態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用