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非金屬管道智慧管件系統(tǒng)

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(jì)的發(fā)展和穩(wěn)定至關(guān)重要，被稱為國民經(jīng)濟(jì)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?xì)夤芫W(wǎng)的管道長度已達(dá)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(jì)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(qiáng)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(dá)15%。隨著聚乙烯及其增強(qiáng)復(fù)合管的不斷發(fā)展，其在燃?xì)夂洼斔阮I(lǐng)域應(yīng)用不斷擴(kuò)展。在燃?xì)忸I(lǐng)域，在燃?xì)忸I(lǐng)域，美國、英國、丹麥等的城市燃?xì)夤艿乐芯垡蚁┕軕?yīng)用比例均接近100%，而我國新鋪設(shè)的中低壓城市燃?xì)夤?0%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(dá)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?xì)夂徒o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(dá)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(dá)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(dá)到4MPa，平均工作溫度高達(dá)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?xì)狻⒐┧阮I(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(jì)損失4784萬元。臺灣“8.1”燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿手卸鄺l街道陸續(xù)發(fā)生可燃?xì)怏w外泄，并引發(fā)多次大爆炸，造成32人死亡，321人受傷，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)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?xì)狻⒐┧阮I(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(dāng)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(dāng)，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(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)對被控對象內(nèi)部情況的“一無所知”，智能焊機(jī)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(tuán)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(qiáng)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(jìn)行控制是應(yīng)對過焊和冷焊缺陷的重要方式。智能焊機(jī)對質(zhì)量進(jìn)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(biāo)組成的代價函數(shù)對不同調(diào)整策略進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(dāng)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。

浙江大學(xué) 2021-05-10

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