燃氣管道的結構補償及狀態監測系統設計

摘 要

摘要：針對建筑地基沉降引發的建筑燃氣管道變形、斷裂，分析了問題產生的原因，提出了管件結構補償措施。作為該措施的補充，設計了一種燃氣管道狀態自動監測系統。通過分布式數據采
摘要：針對建筑地基沉降引發的建筑燃氣管道變形、斷裂，分析了問題產生的原因，提出了管件結構補償措施。作為該措施的補充，設計了一種燃氣管道狀態自動監測系統。通過分布式數據采集技術和通信技術，實現燃氣管道實時監測。
關鍵詞：結構補償；數據采集；自動監測
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
    北京市昌平區的天通苑和回龍觀社區是近年來新建的大型住宅區，隨著房地產業快速發展，開發商追求開發速度的同時卻忽略了建筑地基的夯實。表現為回填選用的土質較差，回填施工過程未嚴格執行相關規范，致使建筑地基土質松散，在雨雪水長期滲透作用下，小區部分地面發生沉降。地面沉降導致建筑樓體燃氣管道變形甚至發生斷裂漏氣事故，直接影響到燃氣的正常供應，給居民生活帶來了嚴重安全隱患。例如，回龍觀某居民小區，陸續檢查出40處燃氣管道隱患，涉及6棟樓、240戶居民的用氣安全；天通苑某居民小區檢查出1254處管道隱患，涉及100棟樓、7524戶的用氣安全。目前，此類問題已上升為北京市燃氣行業重大安全隱患之一。
    通過調查發現，隱患位置多集中在建筑一層燃氣立管三通分流處和水平燃氣管道變徑彎頭處。燃氣立管是因為在沉降過程中受外力拉伸，所以在連接處發生逸扣或斷裂；而水平燃氣管道變徑彎頭處是受力薄弱點，它是受立管沉降拉伸而變形或斷裂。針對上述問題，技術解決方案如下。
   ① 在管件結構上做技術應急補救工作
   我們首先在管件結構上做改進和完善工作。依據結構力學，測量計算出燃氣管道產生的位移量，依據位移量來選擇檢修措施。考慮到未來可預期的變形量及相應的安全尺寸余量來決定選用管件的材質及安裝結構，以便對這個位移量進行補償。
    ② 設計燃氣管道自動監測的長效方案
    作為管件結構補償的后續措施，考慮到施工損毀、地震等不可預測的外力因素，單純的結構維護不能滿足管道長期安全運行的需求。為此，本文設計了一種燃氣管道狀態自動監測方案，建立了管道狀態主動監測機制，滿足了燃氣管道安全穩定運行的長遠需要，也為國內同行業應用作了一次有益的探索。
2 管件結構補償方案
    小區建筑物通過幾年的不斷下沉，建筑結構沉降區的沉積量已形成固量，解決方案須使管件處于持續可預期的伸縮變形狀態，保證管件形狀尺寸處于相對穩定的狀態。
2.1 結構補償計算
   據調查，現有管材結構設計變形補償能力不能滿足實際變形補償要求，該問題解決的關鍵在于設計可行的預補償量。
例如，樓宇建筑已建成8年，地基沉降導致管道水平位移5cm，管道垂直位移7cm。根據目前的實測結果，再考慮到未來的極限條件情況，即按同等沉降偏移速率在建成10年后地基達到基本穩定。可確定該樓宇建筑結構全壽命中的附屬燃氣管道的伸縮量，公式如下：
 
式中δd——預伸縮量，m
    n——安全系數，一般取1.5～2.5
    δc——樣本測量位移量，m
    td——預期建筑持續沉降時間，a
    tc——樣本的建筑年齡，a
    經計算得出，該樓宇建筑燃氣管道水平設計預伸縮量約為9.4cm，垂直設計預伸縮量約為13.1cm。
2.2 結構補償的具體措施
 計算得出預伸縮量后，決定選用波紋管來補償伸縮量。技術實施方案是在立管前的管道上加一段波紋管來滿足立管下沉產生的補償需求。
    從樓前管上重新接一個引入管，在引入管的水平段上加裝帶護套的金屬波紋管(外徑57mm)，金屬波紋管總長500mm，設計壓力1.0MPa，氣密性試驗壓力1.1MPa。其中，波紋管為0.4mm厚的不銹鋼波紋管，長度為400mm，波紋管兩頭各焊接了長50mm優質碳鋼接頭，便于與現場的鋼管焊接。將金屬波紋管部分砌管溝，管道上方填沙，其余部分防腐后直埋。
    同樣，在室內一層水平管道上也設置了金屬波紋管，一方面能有效釋放戶內各支管的應力，避免再次發生應力破壞；另一方面，地面如果進一步沉降，波紋管將隨之變形，應力也得到了釋放，戶內各支管就不會產生額外負荷，防止支管發生斷裂漏氣。具體措施如下：
   ① 在戶內一層燃氣立管底部安裝抱卡固定，防止管道下沉，并且每隔一層加一個抱卡固定。
    ② 更換閥門至三通之間的管道，加長管道的長度來彌補沉降量。
    ③ 對于部分具備入戶條件的用戶，將入戶支管DN 15mm的穿墻鍍鋅鋼管更換成金屬波紋管。
    ④ 為了防止管道繼續下沉，在戶外管道下端填實沙土。
3 燃氣管道狀態自動監測系統的設計
    燃氣管道狀態自動監測系統是通過分布式數據采集終端對燃氣管道結構變化進行跟蹤測量，并將采集到的數據經由無線網絡匯總到管理中心實現集中監控。燃氣管道監測設計方案實現了管道結構變化的數據統計及設備狀態的在線監測，它是一種長效的安全管理措施，可以在出現問題的第一時間內采取補救措施，消除隱患。這些實測數據也將成為今后燃氣管道的設計依據。
3.1 系統構成
    燃氣管道狀態自動監測系統包括監測管理中心、GPRS/GSM(GPRS為通用分組無線業務，GSM為全球移動通信系統)、分布式管道數據采集終端，系統組成見圖1。
 

    系統的工作流程是由分布式管道數據采集終端將現場采集到的燃氣管道參數進行處理和初步的故障診斷，定時通過GPRS/GSM數據通信網絡發送到監測管理中心。
   ① 分布式管道數據采集終端
   它主要負責燃氣管道變形參數監測和燃氣泄漏監測并實現狀態信息上傳。實現的主要功能如下。
    a. 管道變形參數采集。包括水平管、立管、三通和彎頭的變形位移量。
    b. 燃氣泄漏監測。負責監測管道設備周邊的燃氣濃度。
    c. 數據參數上傳。將監測結果回傳給上位機。
    ② 通信網絡
    “永遠在線”是其最大的特點，滿足了燃氣管道無線遙測數據的通信要求。GPRS用戶所需支付的數據通信費用是按其實際發生的數據流量來計算，因此通信時間長短對資費沒有影響，非常適合間斷性和突發性的數據傳輸，適合燃氣管道遠端通信頻繁但數據量較少的監測特點，可滿足常規定時報告和突發故障自報告的使用需求。
   ③ 監測管理中心
   監測管理中心負責自動收集前端獲取的管道參數及狀態，匯總并儲存相關數據文件，擔負管道狀態言息數據庫的運行與維護，提交設備狀態報告，實現管道狀態查詢、歷史數據對比等多項業務需求。主要功能如下。
   a. 數據采集功能。定時接收和顯示最新管道狀態數據，獲取各類故障代碼及采集終端的狀態信息。
   b. 數據處理功能。建立監測數據基礎數據庫，實現數據比對、歷史數據查詢等基本功能。采用深度數據挖掘技術，建立管道狀態智能判別預警機制。
   c. 信息發布功能。可根據需求在企業內部局域網內同步發布信息，將故障報警通過短信或語音電話即時通知所設定的相關人員。
3.2 分布式管道數據采集終端
   分布式管道數據采集終端是整個監測系統的關鍵環節。由于它擔負前端持續的數據采集任務，設備工作時間長，所處環境惡劣，且設備數量龐大，不易維護，因此需要加以特別設計。
3.2.1采集終端的構成
采集終端包括傳感器單元、信號處理單元、系統控制(CPU)單元、無線通信單元和電源單元等。采集終端結構見圖2。
 

① 傳感器單元
傳感器單元用于完成燃氣管道參數的原始測量，以位移傳感器為主。另外還可選裝氣體檢測傳感器，并可根據用戶的要求進行擴展。主要包括如下內容。
    a. 位移信號采集：終端的位移傳感器采用磁致伸縮位移傳感器檢測管道的實時位移，該方法是借助兩個不同磁場相交產生的應變脈沖信號的磁致伸縮原理來測量位移的。由于磁環和敏感元件沒有直接接觸，傳感器不易受液體、灰土等污染的影響，也沒有磨損。此外，傳感器能適應在高溫高壓的環境，因此非常適合安裝在條件惡劣的燃氣管道上。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接。數據也不會丟失。該方法結構簡單，易于實現且成本低廉，分辨率可達0.001mm。
    b. 燃氣泄漏信號采集：采用半導體氣體傳感器，該類傳感器采用金屬氧化物半導體燒結工藝。報警濃度為爆炸下限的4%±3%(絕對值)；響應速度約6s。具有靈敏度高、響應時間短、成本低、長期穩定性好等優點。
    ② 信號處理單元
    它具有多路高速處理通道，擔負著模擬量到數字量的轉換工作。
    ③ 系統控制單元
    控制系統單元是數據采集終端的核心部分，擔負著其他單元的管理控制功能。主要包括：
    a. 信號的采集和轉換。
    b. 數據預處理和存儲。
    c. 故障初步診斷。
    d. 通信控制。
    這部分以ARM(Advanced RISC Machines)處理芯片為核心進行設計，該芯片具有低功耗、高性能、低成本等特點。此外，該款芯片集成了許多系統級的功能，可大大減少電子元件的數目和電路板的面積。
    ④ 無線通信單元(GPRS/GSM通信模塊)
    GPRS/GSM通信模塊內置有無線收發模塊和TCP/IP協議模塊。結合相關的軟硬件驅動，具有數據傳輸差錯率低、不易死機的優點，使得數據采集終端的可靠性及實時眭大大增強。
3.2.2采集終端的健壯性設計
    由于采集終端處于高危險的燃氣管道周圍，環境十分惡劣。因此充分考慮了健壯性設計要求。數據采集終端在正常使用條件下，平均無故障時間(MTBF)應大于等于8000h。采集終端的電源和所有的I/O接口設計有多級保護電路，防止帶電部分對燃氣管道帶來潛在隱患。采集終端特別配置了看門狗電路和電源復位監控電路，有效防止死鎖故障。此外，采集終端采取完全密閉設計，選用特殊材質，抵御現場惡劣環境對電路板的腐蝕和破壞，達到防水、防腐蝕、防靜電的要求。
4 結語
    管道結構補償方案實施后，通過對回龍觀小區燃氣管道的跟蹤調查，再未發現管道斷裂漏氣現象，實現了技術解決方案的初步設計目標。同時，我們也在跟蹤先進國家燃氣設備無線遙測技術，不斷完善燃氣管道狀態自動監測系統的設計，以期最終實現對城市燃氣管網系統科學、安全、有效管理的目標。
 
(本文作者：趙京生 北京市燃氣集團有限責任公司第五分公司 北京 100044)