高壓管件壓力監(jiān)測(cè)儀表研究

摘 要：管道工程運(yùn)營(yíng)安全的有效監(jiān)控，是工業(yè)工程中的重點(diǎn)問(wèn)題。本文的目的是開(kāi)發(fā)一套對(duì)管道工程可以實(shí)時(shí)有效監(jiān)控的非接觸式壓力感測(cè)裝置。方法是首先以三通管件作為主要測(cè)試載具，并依據(jù)管道耐壓參數(shù)設(shè)計(jì)三通管件的承載壓力值，再設(shè)計(jì)出傳感器位于三通管件的安裝位置，將傳感器裝置安裝在三通的感測(cè)位置，使流體通過(guò)載體時(shí)不會(huì)與應(yīng)變規(guī)傳感器有直接接觸，而通過(guò)應(yīng)變規(guī)傳感器與單板計(jì)算機(jī)可以獲取到高分辨率管道壓力變化的訊號(hào)。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)是訊號(hào)截取中遇到變化量較微小的訊號(hào)情況，造成單板計(jì)算機(jī)擷取訊號(hào)無(wú)法處理的限制問(wèn)題，解決辦法為加入高階 ADC 芯片來(lái)進(jìn)行訊號(hào)擷取問(wèn)題的改善。結(jié)果顯示本文開(kāi)發(fā)的非接觸式壓力感測(cè)裝置對(duì)管道工程安全具有實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：高壓，管件，壓力，監(jiān)測(cè)，儀表

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.12.027

現(xiàn)有的管路在傳感器的配置上多在管路輸出端（頭段）和管路輸入端（尾段）安裝傳感器，如曹闖明[1]提到的管道工業(yè)的快速發(fā)展中針對(duì)泄露的檢測(cè)是主要任務(wù)，運(yùn)用最普遍的是通過(guò)負(fù)壓波法對(duì)管道系統(tǒng)泄露問(wèn)題的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的實(shí)施主要在管道輸送端取得管道壓力及遠(yuǎn)端接收壓力訊息，對(duì)管道的壓力進(jìn)行分析，當(dāng)壓力梯度變陡時(shí)，極有可能發(fā)生了泄漏。如何在輸送管路的中間段，以有效且合理成本的方式進(jìn)行壓力監(jiān)控，是本文欲解決的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)整合說(shuō)明

本文開(kāi)發(fā)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力的非接觸式壓力感測(cè)裝置，首先，改變?cè)兄圃烊ü芗渲幸坏乐瞥?，以成為符合本?jì)劃需求載具。將三通中孔加工至適當(dāng)?shù)暮穸鹊回灤?，此適當(dāng)?shù)暮穸仍谟?jì)劃中稱(chēng)為感測(cè)結(jié)構(gòu)段，應(yīng)變規(guī)傳感器將會(huì)安裝于此段；此感測(cè)結(jié)構(gòu)段有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)原則：承受管內(nèi)壓力及高靈敏度（High sensitivity）應(yīng)變效率。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：當(dāng)流體流通中段依原制程設(shè)計(jì)承受管內(nèi)壓力，此感測(cè)結(jié)構(gòu)段以高剛性（High stiffness）為佳；但又須從高靈敏度應(yīng)變的效率來(lái)反推壓力值，解決辦法是設(shè)計(jì)3個(gè)尺寸模塊，并使用ANSYS SimulationWorkbench進(jìn)行有限元素模擬分析，驗(yàn)證最佳化結(jié)構(gòu)，最后，通過(guò)單板計(jì)算機(jī)，由水壓實(shí)驗(yàn)實(shí)際驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)管路監(jiān)控IOT的功能。

1.1 網(wǎng)格型式參數(shù)說(shuō)明

實(shí)驗(yàn)載體為三通螺紋型式（2 - T E E -NPT-2000#）-5.0 mm規(guī)格，本文選擇使用C3D10網(wǎng)格，因?yàn)镃3D10是一個(gè)通用的十節(jié)點(diǎn)四面體元素（Quadratic Tetrahedron）[2]，MESH200元素的特點(diǎn)為可產(chǎn)品應(yīng)用廣泛不限制材料的自由度與屬性，無(wú)需設(shè)定實(shí)數(shù)常數(shù)，而且其存在不會(huì)影響解決方案的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.2 邊界及負(fù)載條件說(shuō)明

三通螺紋牙型式（2 -T E E -N P T-2 0 0 0 #）-5.0mm（3000Psi）（stainless steel）作為此次試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行模擬，圖1中ZX方向管件兩端為螺紋固定端，以螺牙承接其他管件，因圖形上并無(wú)特別標(biāo)示故于此說(shuō)明。而管件內(nèi)部中間段是模擬載體，承受流體的壓力3000 PSI約為20.69 MPa的部位如圖2所示。

1.3 分析結(jié)果

模擬分析結(jié)果可看出載體設(shè)計(jì)當(dāng)承受管道內(nèi)部壓力時(shí)，載具應(yīng)力會(huì)集中在中間的位置，預(yù)設(shè)將應(yīng)變規(guī)黏貼在這個(gè)位置；再依據(jù)不同尺寸及壓力取得靈敏反應(yīng)，在尺寸4.3 mm、4.5 mm、5.0 mm 3點(diǎn)取應(yīng)變平均值，分別在承受500～3000 PSI的加壓測(cè)試下，應(yīng)變值均呈現(xiàn)線型成長(zhǎng)。

1.4 載具加工及組裝

三通管件加工改變制程，在鉆孔加工時(shí)先將兩邊孔鉆通，中孔加工即預(yù)設(shè)安裝應(yīng)變規(guī)位置，最后將雙邊螺紋及內(nèi)孔加工完成，在由計(jì)算機(jī)數(shù)控車(chē)床精加工控制，感應(yīng)器安裝位置，加工完成尺寸量測(cè)，完成設(shè)計(jì)測(cè)試組件BON表；流程：鉆孔→管件接口車(chē)床加工→車(chē)床鉆孔及精修感應(yīng)器安裝位置→尺寸量測(cè)→組裝→實(shí)驗(yàn)。

1.5 訊號(hào)擷取分辨率

類(lèi)比數(shù)位資料轉(zhuǎn)換器A DC（Analog to DigitalConverter）[4]，所擷取的訊號(hào)有單極性（unipolar）、雙極性（bipolar）兩種，單極性代表所有輸入訊號(hào)介于OV至參考電壓V之間，因此極性只有正電位；相對(duì)的雙極性意味著正電位與負(fù)電位同時(shí)存在，由于總參考電位差為，因此雙極性的輸入訊號(hào)介于-V/2至V/2之間。因此取樣率（Sampling rate）越高則訊號(hào)越不易失真，亦即分辨率越高[4]。

1.6 實(shí)驗(yàn)硬設(shè)備模塊

實(shí)驗(yàn)?zāi)K元件運(yùn)用到Stain gauge有KYOWA的KFG-2-350-C1-11、Sanlien的SD1000-3EB-11，單板計(jì)算機(jī)Arduino mega2560；NI 9949、NI 9237模塊，16bit、24bit（ADC），WIFI模塊，由以上元件組合出監(jiān)控模塊，模塊一運(yùn)用1/4橋應(yīng)變規(guī)量測(cè)應(yīng)變，要使用1/4橋及1/2橋完成全橋平衡，以利于量測(cè)；模塊二以全橋應(yīng)變規(guī)搭配（16/32bit）ADC及使用單板計(jì)算機(jī)連接WIFI模塊以實(shí)現(xiàn)IOT模塊設(shè)計(jì)。

1.7 水壓試驗(yàn)作業(yè)說(shuō)明

一般工程管路設(shè)置完成也要依施工規(guī)范進(jìn)行管路耐壓及氣密試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)因管種及管路長(zhǎng)度不同而有所差異，例如：導(dǎo)管長(zhǎng)度不足15M鋼管，以最高使用壓力的1.5倍壓力做耐壓試驗(yàn)，保持10分鐘以上[5]。使用TAF認(rèn)證的水壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，水壓試驗(yàn)設(shè)備架構(gòu)為利用水壓試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬載具在承受管路運(yùn)行的工作壓力，以獲取記錄感應(yīng)器對(duì)管路運(yùn)作壓力的反應(yīng)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試前需先測(cè)試過(guò)壓力組件在測(cè)試壓力0～3000 PSI下確定不會(huì)有滲漏發(fā)生才進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試；測(cè)試目的：主要記錄載體承受管件工作壓力0～3000 PSI升壓過(guò)程的應(yīng)變值反應(yīng)，并每升壓500 PSI做一次50筆資料記錄；測(cè)試步驟：將測(cè)試模塊注入水滿至壓力表歸0，隨即記錄應(yīng)變規(guī)數(shù)據(jù)資料，再升壓至500 PSI，記錄應(yīng)變規(guī)數(shù)據(jù)資料，反覆直至3000 PSI。

2 結(jié)果討論

模塊一在經(jīng)過(guò)3個(gè)測(cè)試循環(huán)，使用N I 9 2 3 7（24bit）模塊擷取應(yīng)變訊號(hào)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)整理得到折線如圖3所示，由圖3可以看到隨著壓力增長(zhǎng)，應(yīng)變值有往上的趨勢(shì)，由此可證明壓力應(yīng)變趨勢(shì)的可重現(xiàn)性；也證明了可以通過(guò)應(yīng)變規(guī)量測(cè)應(yīng)變值，來(lái)驗(yàn)證管內(nèi)壓力及管道本身的壽命是可執(zhí)行的。

模塊二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由單板計(jì)算機(jī)搭配使用16bit A DC所測(cè)得數(shù)據(jù)，如圖4所示。由圖4可看到從5 0 0 ～10 0 0 P SI間距2 61、10 0 0 ～15 0 0 P SI間距216、1500～2000 PSI間距234、2000～2500 PSI間距201、2500～3000 PSI間距172，平均間距216，再以16bitADC來(lái)解析約2電壓（ uv）可測(cè)得1PSI訊號(hào)，分辨率比高壓指針式壓力表要高。

由單板計(jì)算機(jī)搭配使用2 4bit A DC所測(cè)得數(shù)據(jù)，可看到從0～500 PSI間距610、500～1000 PSI間距461、1000～1500 PSI間距508、1500～2000 PSI間距603、2000～2500 PSI間距404、2500～3000 PSI間距486，平均間距512，在24bitADC解析下接近1電壓（uv ）即可測(cè)得1 PSI訊號(hào)。

3 結(jié) 論

本文以開(kāi)發(fā)一個(gè)非接觸式及無(wú)線傳輸?shù)?，嵌入式高壓管件壓力監(jiān)測(cè)裝置，在管道運(yùn)行間能實(shí)時(shí)監(jiān)控管道工作壓力、無(wú)線傳輸資料給遠(yuǎn)端機(jī)房及偵測(cè)管道本體壽命（機(jī)械性質(zhì)負(fù)載）；選擇的三通接頭產(chǎn)品改良做為初期載體，設(shè)計(jì)過(guò)程以CAD繪制，透過(guò)有限元素分析，以解決載具本體需要具有高剛性，能夠承受管道工作壓力需求，及具有能靈敏反應(yīng)應(yīng)變做為SENSOR的設(shè)計(jì)；在進(jìn)行實(shí)體加工過(guò)程中，以不增加成本、不影響量化生產(chǎn)及加工精準(zhǔn)度考量，使用原有生產(chǎn)機(jī)臺(tái)進(jìn)行加工制程、程序規(guī)劃調(diào)整，以提高加工精準(zhǔn)度確保載具的穩(wěn)定性；裝置硬件開(kāi)發(fā)以單板計(jì)算機(jī)為核心，外加高階訊號(hào)處理器來(lái)解決單板計(jì)算機(jī)原本無(wú)法處理的訊號(hào)及WIFI模板組合，以取代市售昂貴的資料擷取模塊；載具在經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)機(jī)的驗(yàn)證試驗(yàn)，證實(shí)載體在承受工作運(yùn)行壓力時(shí)SENSOR可得到穩(wěn)定的線性訊號(hào)達(dá)到管道監(jiān)控IOT理想。

參考文獻(xiàn)

曹闖明.油氣長(zhǎng)輸管道巡檢中的智能視頻監(jiān)控技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2018，37（10）：1192-1195+1200.

趙建軍，鐘毅芳.子分元素法：一種體網(wǎng)格壓縮算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2001（15）：28-30+75.

梁遠(yuǎn)遠(yuǎn)，楊生勝，文軒，等.脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)中缺陷定量化技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2018，39（11）：70- 78.

張冬娜，戚東濤，丁楠，等.復(fù)合材料增強(qiáng)管線鋼管的預(yù)應(yīng)力處理及水壓試驗(yàn)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2017，36（5）：502-507.

作者簡(jiǎn)介

唐志成，本科，工程師，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）