基于物联网的在线膨胀节检漏系统设计

0 前 言

物联网的定义是指“采用各式各样的信息采集传感仪器或设备（包括红外传感器、 GPS 定位仪、 射频识别系统、 温度传感器等）， 将采集到的信息发送到互联网， 这些信息采集仪器装置与互联网连接进行组网， 成为物联网”

。 国内关于物联网在线监测技术的研究已广泛应用于各行各业， 如建筑、 农业、 化工管网等， 这也反映出一种发展趋势， 即未来设计行业智能化理念， 该理念将信息技术与传统制造业结合， 形成人性化、 智能化、 更具市场竞争力的高科技产品。于尧等

设计出一款应用于田间玉米播种的监测系统， 该系统应用了大量传感器， 传感器接口通过RS485 通讯协议与播种车载计算机进行数据传递， 车载计算机与外围监测系统工作站通过无线局域网实现对播种机播种深度、 施肥深度的在线监测。 钟胜华

基于ZigBee 技术设计了一种贝雷梁桥位移监测系统， 以某地下停车场项目2 m×21 m 贝雷梁为实际工程背景， 构建了桥梁无线监测系统， 该系统通过布置位移传感器获取贝雷梁片和桥墩的位移数据， 并利用ZigBee技术将数据传输至PC 机终端， 从而监测桥梁位移动态变化数据。 由此可见， 物联网技术可将传统的产品与信息技术相关联， 实现双向数据传递与反馈， 也就是所谓的“物物相连” 的思想。

将物联网技术与压力管道、 压力容器以及膨胀节产品相结合的研究在国内已有报道， 杨斌等

基于超声导波提出了纤维缠绕压力容器的在线监测方案。 陈金忠

介绍了智慧管道监测数据的综合应用。 沈阳化工大学倪洪启等

专注于这方面的研究， 设计出了一套基于物联网的波纹补偿器无线监测系统， 该系统利用温度、 位移、 压力传感器采集波纹补偿器的温度、 位移、 压力信号， 从而监测整个管道系统中各个波纹补偿器的温度、位移、 压力情况； 采集的信号数据可通过无线网络实时发送到计算机进行分析， 当数据异常时发出警报， 还可以通过互联网传输到远端主机。

1 在线膨胀节检漏系统设计

实现膨胀节温度、 位移、 压力的在线监测是膨胀节技术发展的一次进步， 但从产品本身使用的安全性来讲， 温度、 位移、 压力的监测仅是膨胀节工况的一种描述， 膨胀节是否发生泄漏以及泄漏后能否继续使用才是关注的重点。 基于物联网的实时在线监测膨胀节检漏系统， 在膨胀节工作状态下， 可以监测膨胀节是否发生泄漏， 同时保证在膨胀节发生泄漏后能够短暂地安全运行，从而给管网管理者提供充足的决策和维护时间。

1.1 危险介质在线检漏系统设计方案

当膨胀节内介质为强酸、 强碱或是易燃易爆物质时， 一旦发生泄漏将会造成巨大的安全事故。 传统泄露报警装置如图1 所示， 传统报警装置的波纹管补偿器一般采用双层波纹管贴合成形， 层间充入氮气， 通过设置压力表监测波纹管层间压力变化来判断波纹管是否出现内层泄漏。这种方式虽然比较经济， 但是由于双层波纹管封焊后再与接管焊接， 导致波纹管与接管在同一位置共用一道环焊缝， 此操作引发的安全隐患在于由承压与否决定的漏点大概率产生在接管与波纹管相连接的环向角焊缝位置。 当接管与波纹管连接的环焊缝出现漏点， 管内介质从波纹管与接管贴合的壁面处泄漏， 而波纹管层间封闭环焊缝仍完好时， 压力表数值不会发生变化， 从而无法起到预警作用。

2018年5月3日，广西召开了2017年省级党委和政府扶贫开发工作成效考核国家反馈问题整改落实工作动员部署视频会议。会议强调各级资金政策专责小组要认真贯彻落实自治区会议的有关要求，逐一对照反馈问题进行自查自纠。

针对传统报警装置的弊端， 考虑膨胀节采用双层报警结构， 辅助以传感器， 提高在线监测管网中膨胀节的安全性能， 当出现单层膨胀节破裂时发出报警， 使管理人员关注此处膨胀节， 并采取相关措施， 将安全隐患降至最低。 在线膨胀节检漏系统设计如图2 所示， 主要设计思想是将波纹管与接管环焊缝分开， 相比传统报警结构， 波纹管层间留有足够间隙便于打压充气。 检漏方案为层间充入纯CO

气体， 层间压力值可保持在较低水平， 通过CO

气敏传感器监测层间CO

浓度变化来判断波纹管是否出现泄漏。 该系统相比传统报警结构的优势在于， 无论是外层波纹管还是内层波纹管与接管贴合面环焊缝出现泄漏时，另一层波纹管可继续工作， 保证整体不出现泄漏， 同时通过远端报警提醒工作人员对此处膨胀节进行检查维修， 提高膨胀节运行的安全性。

1.2 高温介质在线检漏系统设计方案

波纹管补偿器正常运行时， 隔温腔体内空气的热量主要来自于波纹管外壁的热辐射， 波纹管内壁设有隔温措施， 当管道高温介质正常运行时，隔温腔体内空气的温度处于一个较低值。 如图4所示， 当波纹管补偿器发生泄漏， 管道内高温介质在压力作用下迅速窜入隔温腔体内， 在有限的空间内形成强烈对流， 导致隔温腔体内空气温度短时间内大幅度升高。 当监测到隔温腔体内空气温度的瞬间陡增并且接近管道内介质温度时， 此处波纹管补偿器开始泄漏报警， 保证及时发现管道中泄漏的波纹管补偿器位置。 当出现高温介质泄漏时， 由于波纹管外侧增加了保温结构， 从而避免了高温介质对人员以及外界环境的直接伤害。

（1） 在线膨胀节检漏系统采用的传感器应为智能传感器， 如MEMS 传感器即微机电系统传感器

。 与传统传感器相比， 其具有体积小、 质量轻、 成本低、 功耗低、 可靠性高、 适于批量化生产、 易于集成和实现智能化的特点。

“比如说我们到北京，到云南旅游，但你的钱肯定是交给旅行社的。比如说500块钱，但是500块钱到了云南之后它就没了，就被上交旅行社，就把这个利润给缩掉了，然后到我们这儿等于就是没有钱。所以说有个恶性的竞争，就是抢团之后，我的团低，你的团更低，结果就是强迫在游客身上，要购物，去贴补这个团费，或者最多的是贴补在导游身上。让导游去贴补团费，因为门票毕竟需要买的。”⑧导游叶军，玉龙雪山线路。

在高温介质场合， 通常温差较大， 管道热胀冷缩明显， 波纹管补偿器起到至关重要的作用，因此应用广泛。 如钢厂的热风炉管道（介质温度1 300 ℃左右）、 石化行业的再生斜管与烟气能量回收系统 （介质温度700 ℃左右） 等领域

。在高温场合下， 管内工作介质泄漏可能会危害到人身安全， 并造成经济损失， 因此有必要采取措施预防波纹管补偿器的泄漏， 提高其使用安全性。 复杂系统的高温管线常常布有大量的波纹管补偿器， 且设备不停机， 对管线波纹管补偿器不间断的巡检工作既不能保证巡检人员能够及时发现泄漏的补偿器， 同时也增加了运维人员的劳动强度和安全隐患。

1.3 高压介质在线检漏系统设计方案

图5 所示为一种应用于高压介质场合的在线膨胀节检漏系统 （检漏波纹管补偿器）， 包括波纹管、 长度可变的隔音结构、 至少1 个声音传感器、 数据处理设备和终端显示设备。 波纹管连接在检测管路上， 在波纹管的外侧设置隔音结构，隔音结构一端与波纹管一侧的检测管路固定连接， 另一端与波纹管另一侧的检测管路固定连接， 检测管路、 波纹管外壁、 隔音结构形成周向的隔音腔体， 至少1 个声音传感器安装在隔音腔体内， 声音传感器与数据处理设备连接， 数据处理设备连接终端显示设备。 当高压介质经波纹管补偿器发生泄漏时， 介质经微小裂口高速喷射，瞬间产生较高声压， 此时通过隔音腔室内的声音传感器捕捉到持续的高分贝声压信号并传输至数据处理系统进行分析， 报警提醒相关人员及时采取措施。

在高压及大直径管道系统使用的膨胀节，Ω 形波纹管通常是较好的选择

。 如一些石化设备反应容器， 常常伴随着温度的变化， 需使用Ω 形波纹管补偿器消除热应力的影响。 由于容器内压力值较高 （一般大于5 MPa）， 一旦波纹补偿器出现裂缝发生泄漏， 容器内介质将在压力作用下从裂缝处高速喷出， 波纹管裂纹扩展迅速，呈爆裂趋势， 对系统稳定运行以及人员安全造成威胁。 因此， 有必要对高压介质场合波纹管补偿器的泄漏情况进行实时在线监控， 及时发现泄漏的波纹管补偿器， 提高其使用安全性能。

2 在线膨胀节检漏系统使用注意事项

至此，矩阵Φ中的每个向量都是非标准正交的，需使这些向量除以对应的得到标准正交基函数{φ1,φ2,…,φN}，即POD模态。将瞬态速度场投影到POD基函数上，求出各模态的系数。通过计算得到所有POD模态及对应的模态系数，可线性重构任意时刻的速度场，有

将表1的数据代入公式(1)即可得到各评价指标的云模型参数，取k为0.01。运用正态云发生器分别对上述10个评价指标生成相对应的综合云模型，并选取其中结构面的倾角指标和mrqd指标的云模型，分别如图1和图2所示。

对此， 可以提供一种适用于高温工况下的在线膨胀节检漏系统 （检漏波纹管补偿器）， 该系统包括波纹管、 变径管道、 外保温设施、 内保温设施、 温度传感器、 数据处理器、 终端显示设备等， 如图3 所示。 补偿器通过两段变径管道形成缩径结构， 将金属波纹管安装在管道的缩径段中。 变径管道与波纹管的内壁按整体管道设计要求安装内保温设施， 在波纹管外侧增加外保温设施， 具体为采用左右保温盒错开对插式结构， 以保证波纹管能够沿轴向自由移动补偿管道热位移。 保温盒内分别安装保温材料。 变径管道以及波纹管外壁与左右保温盒内壁形成周向的隔温腔体。 左右保温盒异径错开， 间隙设置柔性金属网套， 通过网套固定元件安装在下侧保温盒上， 以防止保温材料散落进入隔温腔体内。 外保温设施与管道外表面安装温度传感器， 传感器探头分别深入隔温腔体内以及管道内， 实时将隔温腔体内空气温度以及管道介质温度信号传输至远端显示设备， 实现在线监测。

（2） 为提高检测精度， 传感器的合理选择、多点分布测量的设计以及膨胀节结构的改进等方面值得关注， 可通过搭建试验平台模拟试验进行进一步优化设计。

为适应目前物联网技术的发展， 提高在线膨胀节检漏系统的实用性以及可推广性， 应注意以下方面：

（3） 传感器数据的传输应采用无线技术， 安装维护简单， 整体成本较低。 可以考虑选取Zig-Bee 技术(基于射频的、 低成本、 低功耗、 高可靠、 适于网络的短距离无线通信技术)、 Lora 技术(基于线性调频信号Chirp 的扩频技术)、 NBIoT 技术（基于现有的移动蜂窝网络使用LTE 的无线技术） 进行传感器数据的传输。

（4） 传感器数据的采集应经过数据处理设备最终汇总至智能远程运维平台

， 通过终端显示设备运行参数实现对膨胀节的在线监测。

（5） 膨胀节在线检漏系统需与智能远程运维平台兼容， 并作为平台功能之一， 共同完成设备的智能运维工作。

1.2.2 菌株分离及纯化 用无菌剪刀将植株分为花、茎、叶、根瘤、根表皮和根中柱，将种子及以上组织分别置于50 mL无菌三角瓶，用0.45%～0.55%(w/v)碘伏灭菌3 min，无菌水冲洗5次，无菌滤纸吸干表面明水后研磨至匀浆；制备根际土壤和田间土壤悬浮液；采用稀释涂抹法分别分离组织研磨匀浆中的内生细菌和土壤悬浮液中的非内生细菌。每个处理4个重复。分离和纯化后的菌株于YMA培养基4℃保存。操作参考Miao[23]的方法。

3 结论与展望

（1） 将物联网技术与膨胀节运行维护服务结合， 主要通过膨胀节结构的改进以及气敏传感器、 温度传感器、 声音传感器的灵活运用。 本研究分别给出面对危险介质以及高温高压介质工况下的膨胀节在线检漏系统的设计方案， 后续将通过试验验证设计方案的可行性， 并实现该技术的推广应用。

（2） 通过膨胀节在线检漏系统的构建， 提供膨胀节以外附加产品的使用与维护服务， 不仅能产生经济效益， 同时能提高膨胀节使用的安全性。 每项技术的价值最终将面向市场， 是未来探索智能化膨胀节设计道路一次非常好的尝试， 这是对物联网技术的进一步研究与发展， 将推动传统膨胀节制造业向服务业转型。 随着此项技术日益成熟， 可向石化 （高空）、 核电 （进出不便场合）、 船舶 （狭小空间） 以及危险介质与高温高压介质等场合推广使用。

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