大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统的制作方法

本实用新型属于高压管道输送工程技术领域，涉及一种大口径高压天然气管道的爆破试验的参数测量单元。

背景技术：

高压输气管道在运行过程中，但由于近域施工行为、环境腐蚀、机械或材料失效、自然灾害及其他未知因素的影响，天然气管道爆裂事故时有发生，爆炸产生的爆破冲击波、地震波不仅会造成严重经济损失和环境污染，还将形成地面人员伤亡、建筑物及设施破坏受损等灾难性事故。

为尽量减小损失、加快事故发生后的抢修进程，国内外广泛开展了大口径高压金属管道的裂缝形成及扩展的力学行为研究。目前的研究方法是对天然气管道爆破冲击波、地震波的产生机理、传播规律进行理论分析研究，但其与实际的爆炸试验还有较大的差异，很有必要对所使用的金属管进行全尺寸爆破试验，测量获得爆炸冲击波、地震波等参数，用于其防护研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提出一种大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统，通过在天然气管道爆炸起始裂纹附近设置冲击波和地震传感器阵列，获得管道布设区域的爆炸参数。

本实用新型的技术方案如下：

大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统，包括布设在天然气管道两侧的冲击波传感器阵列和地震波传感器阵列，所述的冲击波传感器分为平行通道阵列、垂直通道阵列和倾斜通道阵列，所述的平行通道阵列设置在天然气管道的爆破起始裂缝点为起始点平行于天然气管道方向的位置；所述的垂直通道阵列设置在爆破起始裂缝点为起始点垂直于天然气管道方向的位置，所述的倾斜通道阵列设置在爆破起始裂缝点为起始点与天然气管道方向呈45°的方向位置；所述的地震波传感器阵列分为若干通道阵列，每个通道阵列以天然气管道上的爆破起始裂缝点为起始点，并与天然气管道方向呈不同夹角。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，平行通道阵列中相邻传感器的间距相等，垂直通道阵列、倾斜通道阵列和地震波通道阵列中相邻传感器的间距从起始点向外逐步增加。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，冲击波传感器为固定在支杆上的自由场压力传感器；所述的支杆为空心圆柱杆，通过混凝土底座固定在地面上。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，支杆上设置有不同高度的传感器固定孔，传感器根据试验要求固定在不同的高度处。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，自由场压力传感器为子弹型结构，尖头部分的压力敏感单元正对空中冲击波传播方向，传感器尾部固定在支杆上。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，地震波传感器为加速度传感器和速度传感器的组合。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，地震波传感器设置在底板上，底板通过锚杆固定在土壤内。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，地震波传感器设置在固定板上，所述的固定板上设置有弧形通孔，螺钉穿过弧形通孔与下部的底板联接。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，地震波传感器通道阵列与天然气管道方向的夹角分别是0°、30°、60°和90°。

上述大口径高压天然气管道爆破试验综合参数测量系统中，大口径高压天然气管道为充高压气体密封管道，爆破起始裂缝点设置在天然气管道的中间位置。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

一、本实用新型在天然气管道的两侧分别布设了地震波传感器阵列和冲击波传感器阵列，实现了爆炸冲击综合参数的测量，并以此参数类推，在传感器数量有限的前提下，获得整个区域内的爆炸冲击综合参数；

二、本实用新型冲击波传感器布置成平行通道、垂直通道和倾斜通道，测量获得以天然气管道爆破起始裂缝点为起点的冲击波参数，而且不同传感器通道布设的传感器间距不同，与爆炸冲击波传播速率相匹配，满足了测量分辨率的要求。

三、本实用新型的冲击波传感器采用子弹型的自由场压阻传感器，测试中将尖头部分的压敏单元正对爆破起始裂缝点，传感器尾部固定在支杆上，并采用弹性支架，有效减弱了冲击波在大地中传播时对自由场冲击波测量结果的影响。

四、本实用新型的地震波传感器阵列沿管道夹角不同方向进行布置，而且传感器采用近密远疏的方式排布方式，与爆炸地震波传播速率相匹配，满足了测量分辨率的要求。

五、本实用新型将加速度传感器和速度传感器通过钢板和锚杆固定地面，克服了土质松软或软硬不均匀造成的介质传播特性不一对测量结果的影响。

六、本实用新型将加速度传感器和速度传感器设置在固定板上，通过螺钉和弧形板进行安装角度微调，使得传感器的X方向与地震波方向保持一致，确保了地震测量中三个方向加速度和速度测量的准确性。

附图说明

图1为本实用新型综合测量系统中传感器布放位置示意图；

图2为本实用新型爆破冲击波测量系统中传感器支架示意图；

图3为本实用新型自由场冲击波传感器布设示意图；

图4为本实用新型地震波传感器与土壤布置示意图；

图5为本实用新型地震波测量传感器角度微调原理示意图；

图6为本实用新型传感器动态信号测试分析系统的原理框图。

附图标记为：1—管道；2—爆破起始裂缝点；3—冲击波传感器布点；4—平行通道阵列；5—垂直通道阵列；6—倾斜通道阵列；7—土中冲击波传播方向；8—混凝土底座；9—支杆；10—自由场冲击波传感器；11—传感器固定孔；12—空中冲击波传播方向；14—地震波传感器通道阵列；15—土壤；16—底板；17—螺钉；18—固定板；19—速度传感器；20—加速度传感器；21—锚杆；22—弧形通孔；23—地震波传播方向。

具体实施方式

管道爆破产生的地震波和冲击波是可能导致邻近结构物和管道破坏的重要因素。如果爆破产生的地震波的幅值达到一定阈值且主振频率与附近结构物自振频率接近一致时，将可能引起邻近结构物或其它设施受损破坏。爆破地震波测试的主要目的是研究管道爆破振动作用的介质质点运动规律。通过测试数据的分析，研究爆破地震动介质质点振动位移、速度和加速度的时间历程曲线，通过对波形图的分析、计算得到表征爆破地震波特性的幅值、持续时间和振动频率等基本参量，以及地震波的频谱特性。

爆破地震波对建(构)筑物的破坏程度与地震波质点运动速度幅值和地震波频率有关。地震波的质点运动加速度可反映作用在建筑物上荷载的大小，研究该物理量的变化规律可为揭示结构物受力状态和破坏机理奠定基础。为此，试验方案确定对地震波的质点运动速度和加速度同时进行测试。即在天然气管道附近区域内的测点处同时安放速度与加速度传感器。根据试验方案，在爆破地震波传播范围的一定区域内布置测点，安装选定成对的速度传感器和加速度传感器组合，配接后续放大器以及记录仪器，然后进行后续的分析处理。

而空气冲击波测试采用压阻式压力传感器的测试方法，该测试方法适合于测试爆炸空气冲击波瞬态信号。考虑到实际情形只需研究近地面目标，主要是人员和建筑物等受爆炸冲击波的危害效应，本项目采用近地面二维场测试方案，采用分布式压阻式压力传感器测试系统进行天然气管道爆破冲击波的测试。

如图1所示，为了实现整个爆炸区域内的冲击波参数测量，在天然气管道1附近布置冲击波传感器阵列和地震波传感器阵列，冲击波传感器分为平行通道阵列4、垂直通道阵列5和倾斜通道阵列6，平行通道阵列4设置在天然气管道的爆破起始裂缝点2为起始点平行于天然气管道方向的位置；垂直通道阵列5设置在爆破起始裂缝点2为起始点垂直于天然气管道方向的位置，倾斜通道阵列6设置在爆破起始裂缝点2为起始点与天然气管道1方向呈45°的方向位置；其中每个通道优选布置10个测点，全场共30个自由场压力测点。平行通道阵列4中相邻传感器的间距相等，垂直通道阵列5和倾斜通道阵列6中相邻传感器的间距从起始点向外逐步增加。

地震波传感器阵列分为若干通道阵列14，每个通道阵列以天然气管道上的爆破起始裂缝点2为起始点，并与天然气管道1方向呈不同夹角。图中的夹角分别是0°、30°、60°和90°。地震波通道阵列14中相邻传感器的间距从起始点向外逐步增加。此种布局的原因在于：其一，经前期模型试验研究得到，管道爆破地震波不同于普通集团炸药爆炸地震波的一点是，管道爆破地震波的强度分布具有方向性，即与管道轴线夹角不同的方向上，地震波质点运动速度的峰值和衰减规律有所不同。因此，采用四条走向不同的测线，以研究管道爆破地震波强度空间分布的方向性。其二，经前期模型试验研究得到，管道爆炸地震波衰减服从幂率分布，即近区衰减快，远区衰减慢。因此传感器采用近密远疏的方式排布。

天然气管道采用充有10MPa以上的压力且两端封闭的管道，直径大于1m，长径比大于100，爆破起始裂缝点2设置在天然气管道的中间位置。

如图2和图3所示，自由场压力传感器固定于距离地面一定距离的空气中，设计了自由场压力传感器支架，支架底座是一个0.3m×0.3m×0.3m的混凝土底座8，中心开一个内径为3.5cm的贯通螺纹孔，作为传感器固定孔11，上面接一根2m长、外径为3.5cm的空心圆柱杆，杆的下端通过螺纹与底座固接。在杆上距离底座1.0m、1.3m、1.6m、1.9m处各开两个直径为1.1cm的对孔，对孔连线通过杆的横截面的圆心。根据现场需要，选择一个高度位置的对孔，此次实验选择1.9m高度对孔。将一根直径为1cm的实心钢筋条穿过对孔，铁丝缠绕固定于杆上。安装时，混凝土底座埋入地下约0.3m，使底座顶部与地面齐平，自由场压力传感器通过铁丝和胶带固定在实心钢筋条上。

图3中自由场压力传感器10为子弹型结构，尖头部分的压力敏感单元正对空中冲击波传播方向12，传感器尾部固定在支杆9上，7为土中冲击波传播方向。根据冲击波传输原理，冲击波在固体中的传播速率为空气中传播速率略快一些，为防止起爆点产生的冲击波先通过地面传输至支杆9，给测量结果带来影响，采用这种传感器外伸的固定方式，充分利用子弹型传感器的长度，将传感器尾部固定在支杆9上，而头部沿冲击波传播方向外伸，当从爆炸点传播的冲击波分别沿空气和地面同时传播时，沿空气传播速率慢但是其距离短，可确保尖头部分的压力敏感单元先接收到冲击波信号，然后沿土中的冲击波才传播至支杆，同时利用支架自身的弹性，一定程度上减弱地面震动对测量结果的影响。

地震波测量采用速度传感器和加速度传感器。速度传感器采用磁电式速度传感器，利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号，它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧尼等部分组成。在传感器壳体中刚性地固定有磁铁，惯性质量，用弹簧元件悬挂于壳上。工作时，将传感器安装在机器上，在机器振动时，在传感器工作频率范围内，线圈与磁铁相对运动、切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值。与二次仪表相配接即可显示振动速度或位移量的大小，也可以输送到其它二次仪表或交流电压表进行测量。其中速度传感器的频率范围为5-500Hz，量程数十cm/s，测量分辨率0.01cm/s，单只传感器可实现xyz轴三个方向的测量。

加速度传感器采用压电式加速度传感器，其基于压电晶体的压电效应工作的。主要包括弹簧、质量块、基座、压电元件和夹持环，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。基座有变形则将直接影响拾振器输出。其中加速度传感器的频率范围为5-300Hz，量程数十cm²/s，测量分辨率0.01cm²/s，，单只传感器可实现XYZ轴三个方向的测量。

由于试验场内为戈壁土壤，硬度大难以开挖，且表面覆盖有5cm左右的浮土和碎石，无法将传感器与地面紧密粘合。如果将传感器直接埋在土壤表面，将会因为松软结构影响到测量结果。

为了解决这个问题，实验者设计了专用的传感器固定装置。该装置为一块尺寸为15cm×20cm×0.5cm的钢板，钢板的四个角落开设4个直径为1cm的圆孔，用4根20cm长的锚杆将钢板固定在地面。使用专用的704乳胶将加速度传感器和速度传感器固定到钢板上。设置传感器时，要确保传感器X轴方向对准起爆中心，以确保X轴通道测得水平径向振动数据，Y轴通道测得水平切向振动数据，Z轴通道测得铅垂方向振动数据。

如图4和图5所示，作为一种优选的实施方式，地震波传感器设置在固定板18上，固定板18上设置有弧形通孔22，螺钉7穿过弧形通孔22与下部的底板16联接。而加速度传感器20和速度传感器19粘接在固定板18上，底板16则通过锚杆21固定在土壤15内。

固定板18也为钢板，其两侧开有两只弧形通孔22，与弧形通孔22相对应的底板16上加工有外径相匹配的2只或4只螺纹孔，当锚杆21将底板16固定后，为了实现传感器Y轴方向与起爆中心的准直，可以通过转动固定板18的方式，使其围绕中心进行转动，在确保螺纹孔与弧形通孔22对齐的同时，实现了传感器对准方向的调节，确保了XYZ轴三个方向的地震参数同时精确测量。

如图6所示，选用基于DH5960的动态信号测试分析系统来存储记录和分析传感器信号。该系统为网络型动态信号测试分析系统，可完成应变、振动(加速度、速度、位移)、冲击波压力、噪声、温度以及静压力、流量、扭矩、电压、电流等多种物理量的测试和分析。DH5960超动态信号测试分析系统主要技术参数：输入方式DC、AC、GND及半桥、全桥，最高瞬态采样频率20MHz，频响DC～1MHz，每通道缓存8M点，每通道独立的16位A/D，采用该系统实现了爆炸冲击波参数的测量和分析。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。