謝 萍，李明智，劉振翼

(1.中石油管道有限責(zé)任公司西部分公司，新疆 烏魯木齊 830000;2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

0 引 言

大量可燃?xì)怏w有可能從氣體儲罐或者輸氣管道中泄漏出來，在空氣中擴(kuò)散混合形成大規(guī)模氣云爆炸混合物，一旦氣云被點(diǎn)燃就會發(fā)生爆炸，爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓在開放空間依然具有很大的破壞作用。目前關(guān)于氣云的爆炸測試研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室階段或者小尺度實(shí)驗(yàn)，其中涉及的實(shí)驗(yàn)氣云規(guī)模較小，氣云通過肥皂泡、塑料薄膜或乳膠氣球約束生成[1-4]，且實(shí)驗(yàn)均在理想條件進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置及測點(diǎn)相對較少，不能應(yīng)用于大尺度氣云燃爆實(shí)驗(yàn)。對爆炸測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，當(dāng)前國內(nèi)外測試沖擊波廣泛采用有線式，即將傳感器的輸出信號通過信號電纜傳輸給遠(yuǎn)端的信號調(diào)理和采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種用于炸藥爆炸的遠(yuǎn)距離多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于美國國家儀器（NI）公司的軟件LabVIEW8.2，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集控制、波形顯示和數(shù)據(jù)的分析處理的功能，為電測方法提供了依據(jù)。文獻(xiàn)[6]在虛擬儀器的平臺基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了分布式網(wǎng)絡(luò)通信的沖擊波場超壓測試系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]將壓力傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、觸發(fā)控制電路、通信接口及電池緊湊封裝在堅(jiān)固的鋼殼內(nèi)，構(gòu)成一種可相對獨(dú)立工作的便攜式超壓測試儀，解決傳感器長引線帶來的安裝不便、易受干擾的實(shí)際測試問題；但人員撤出場地設(shè)備無法監(jiān)控，不能可靠保證數(shù)據(jù)成功獲取。文獻(xiàn)[8]為解決爆炸場中振動強(qiáng)度有線測量存在的問題，提出一種具有負(fù)延遲功能的存儲測試方案。以上測試系統(tǒng)均未應(yīng)用于大尺度氣云爆炸測試中，且以往測試具有測點(diǎn)少、測試范圍有限、測試傳輸方式單一等局限性。

我國已經(jīng)建成首座全尺寸天然氣管道爆破試驗(yàn)場，需要配備相關(guān)測試裝備，制定測試方法，進(jìn)行大尺度氣云爆炸超壓的測試。文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了150 mm直徑管道爆破后產(chǎn)生的氣云爆燃沖擊波的實(shí)驗(yàn)，但其主要是近地面二維場壓力測試，且測點(diǎn)較少，測試系統(tǒng)并未詳細(xì)提及。

目前尚無針對開放空間大尺度可燃?xì)庠票ǜ呖杖S超壓測試的技術(shù)解決方案。本文提出基于沖擊波超壓三維測試、多點(diǎn)采集同步聯(lián)動觸發(fā)控制的數(shù)據(jù)采集技術(shù)：采用高空三維測點(diǎn)布置、同步聯(lián)動觸發(fā)控制、多點(diǎn)聯(lián)動采集、傳感器加裝絕緣及防震材料的防信號干擾的測試方法，克服野外惡劣環(huán)境條件的影響，進(jìn)行了全尺寸天然氣管道爆破后大尺度可燃?xì)庠疲〝U(kuò)展后直徑300～400 m）爆炸沖擊波超壓測試。

1 大尺度氣云爆炸測試條件及爆炸特點(diǎn)

1.1 現(xiàn)場測試條件

外徑1 422 mm、壁厚21.4 mm、長度130 m的天然氣管道，管內(nèi)壓力12 MPa，在管道的正中間處安裝線性聚能切割器，為管道人為引入一條長500 mm、寬10 mm的裂紋。在裂紋開口處，高壓的天然氣沖出管道后通過引燃彈將空中的天然氣引燃（引燃高度范圍50～200 m），測試該條件下天然氣管道破裂氣云爆燃產(chǎn)生的沖擊波和熱輻射，以分析對周邊環(huán)境的影響。

測試需滿足的要求：1)獲取天然氣管道爆燃后在空間范圍內(nèi)衡量沖擊波和熱輻射量的數(shù)值；2)搭建的測試系統(tǒng)需安全可靠，保證數(shù)據(jù)的獲取率；3)數(shù)據(jù)采集和天然氣云引燃時間必須同步，方能測得影響最大的數(shù)據(jù)；4)各類測試傳感器的量程選擇需合適，避免采集無效數(shù)據(jù)；5)測點(diǎn)布置需在天然氣管道爆炸的有效范圍內(nèi)。

1.2 氣云爆炸特點(diǎn)

2 測試原理

基于本次試驗(yàn)條件，測試設(shè)備主要包括傳感器導(dǎo)線系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備，測試原理如圖1所示。爆炸產(chǎn)生的波陣面掃過自由場壓電式壓力傳感器的感應(yīng)面，壓力傳感器產(chǎn)生電荷信號，并通過信號導(dǎo)線將信號傳輸?shù)叫盘栒{(diào)理系統(tǒng)，信號調(diào)理系統(tǒng)將接收到的電荷信號進(jìn)行調(diào)理，通過通信電纜傳遞給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將電荷信號通過與傳感器的靈敏度換算，最終得到各點(diǎn)超壓值。同時，顯示設(shè)備以數(shù)據(jù)曲線的形式顯示超壓數(shù)據(jù)。

2.1 壓力傳感器

傳感器是測試的核心部分，目前爆炸壓力測試主要有3種壓力傳感器，即應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器[9-10]。

針對測試需求，開發(fā)設(shè)計(jì)了以陶瓷和石英為壓電晶體的自由場壓力傳感器，如圖2和圖3所示。壓電式壓力傳感器將敏感材料封裝在保護(hù)殼內(nèi)，有兩個敏感面，為了避免傳感器外殼結(jié)構(gòu)變化引起的信號失真[11]，外形設(shè)計(jì)為筆式，尖端正對爆炸中心，沖擊波掃過敏感面時產(chǎn)生壓力效應(yīng)，晶體兩邊產(chǎn)生電荷并通過信號傳輸線傳輸?shù)诫姾蛇m配器，上限頻率響應(yīng)為 50～500 kHz，量程為 0.001～200 MPa。

圖1 測試原理圖

由于可燃?xì)庠剖怯筛邏禾烊粴夤艿腊l(fā)生泄漏后射流擴(kuò)散形成的高空氣云，因此，管道爆破時會產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動效應(yīng)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了傳感器延長桿和絕緣減震裝置，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 信號調(diào)理

信號調(diào)理采用電荷式放大器，適用于長電纜布置場合。電荷放大器需能夠?qū)﹄姾尚盘栠M(jìn)行放大處理，頻帶寬度不小于100 kHz，線性誤差1.5%，要求精度高、噪聲低、穩(wěn)定可靠。例如：具有3位電荷式調(diào)位，最大輸入電荷量105pC，增益可選1、10、100 mV/unit，頻帶0.1～100 kHz，線性誤差1.5%，噪聲（最大增益時）3 mV，可滿足測試需求。電荷放大器結(jié)構(gòu)見圖如圖5所示。

圖2 FPG壓力傳感器

圖3 FPT壓力傳感器

圖4 傳感器延長桿和絕緣減震裝置

2.3 數(shù)據(jù)采集

對于OD1422 X80天然氣管道全尺寸爆破實(shí)驗(yàn)的條件下，測試各參數(shù)需要滿足的技術(shù)要求有：

采樣頻率≥200 kHz；存儲容量≥100GB；瞬態(tài)記錄延時深度≥1 024 k點(diǎn)；觸發(fā)方式為信號觸發(fā)、手動觸發(fā)、外觸發(fā)；觸發(fā)條件為輸入電壓＞2 V；工作溫度–10～50 ℃；相對濕度為 20%～90% ；供電方式為交流電源220 V±11 V，50 Hz；能夠滿足以上測試要求的設(shè)備經(jīng)篩選采用NI數(shù)據(jù)采集儀和VXI數(shù)據(jù)采集儀。設(shè)備型號參數(shù)確定后將信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集儀和其他輔助設(shè)備放置于數(shù)據(jù)采集間內(nèi)，通過信號導(dǎo)線與傳感器連接，系統(tǒng)連接示意圖如圖6所示。

圖5 電荷放大器結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)連接示意圖

3 現(xiàn)場測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器布置方案設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的近地面測試方法不適用于高空氣云爆炸測試，所以提出空間三維場測試方案，采用分布式壓電傳感器測試系統(tǒng)構(gòu)建天然氣云爆炸沖擊波壓力測試系統(tǒng)。

在三維的開放空間中，以氣云中心為核心呈放射狀在多個方向設(shè)置多組壓力傳感器陣列，在每組的壓力傳感器陣列中都設(shè)置有多根安裝桿，在每根安裝桿上縱向分層設(shè)置有多個壓力傳感器，形成一個三維、多點(diǎn)的壓力傳感器測試陣列。具體方案：以管道爆心為圓點(diǎn)，分別在東北側(cè)（NE）、東南側(cè)（SE）、西南側(cè)（SW）和西側(cè)（W）建立4列傳感器安裝塔桿，其中NE和SE側(cè)分別間隔布置6根安裝桿，SW和W側(cè)分別間隔布置7根安裝桿，共設(shè)立傳感器安裝桿26根，每根安裝桿上有5個傳感器（分別距離地面 10 m、15 m、20 m、25 m、30 m），共130個傳感器，安裝桿高35 m，在試驗(yàn)場的具體布置方式如圖7所示。

傳感器安裝桿縱向結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。在安裝桿縱向（總高度35 m）從10 m高度處，每隔5 m布置一個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)預(yù)先焊接一塊可供直接安裝傳感器的槽鋼，每桿布置5個。

通過周向和豎向布置傳感器獲取全方位數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)處理方法獲取爆炸沖擊波的壓力場，現(xiàn)場布置圖如圖9所示。

3.2 線纜布設(shè)方法設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)中的通信線纜包括：電荷放大器與傳感器連接的信號導(dǎo)線、連接總觸發(fā)器并經(jīng)1/2/3/4號數(shù)采間中的同步觸發(fā)器的觸發(fā)線以及電荷放大器與采集儀之間的數(shù)據(jù)傳輸線。試驗(yàn)現(xiàn)場線路布置如圖10所示，通信線纜連接構(gòu)成網(wǎng)，包括觸發(fā)線路網(wǎng)和信號傳輸線路網(wǎng)。

圖7 壓力傳感器安裝桿平面布置圖（水平方向）

3.3 觸發(fā)方法設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)場需要采集的數(shù)據(jù)較多，四列傳感器陣列的采集儀需要聯(lián)動觸發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此需要開發(fā)適用于爆破試驗(yàn)場測試儀器的同步觸發(fā)技術(shù)，以使所有采集系統(tǒng)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。測試主要采用手動聯(lián)動觸發(fā)方式觸發(fā)，共5臺同步觸發(fā)器進(jìn)行聯(lián)動，如圖11所示。

圖9 壓力測試桿及傳感器現(xiàn)場布置

圖10 測試線路布置

觸發(fā)器之間采用同軸電纜作為觸發(fā)線進(jìn)行連接，觸發(fā)線接于同步觸發(fā)器的手動觸發(fā)檔位?？傆|發(fā)器處于距離試驗(yàn)場2 km處的操作間，其他觸發(fā)器分別位于4個數(shù)據(jù)采集間之中，并與數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行連接，爆破時觸發(fā)總觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)采集儀的聯(lián)動觸發(fā)。同步觸發(fā)系統(tǒng)布置如圖11所示。

測試采用5臺同步觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)采集儀，比色測溫儀以及高速攝影的聯(lián)動同步觸發(fā)。系統(tǒng)通過多次聯(lián)動調(diào)試證明可靠性高，操作方便。

3.4 系統(tǒng)操作流程

1）將裝有絕緣套和延長桿的壓力傳感器安裝到測試桿上的測點(diǎn)位置，并連接信號導(dǎo)線，最終接于防爆測試間中電荷放大器的輸入端。

2）將防爆測試間中的設(shè)備及各個防爆測試間的設(shè)備按照圖11進(jìn)行連接，連接完畢后進(jìn)行系統(tǒng)觸發(fā)及采集調(diào)試。

3）爆破之前設(shè)置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)置4臺數(shù)據(jù)采集儀和5臺同步觸發(fā)器至待觸發(fā)狀態(tài)。

4）高壓輸氣管道人為破壞后失效破裂，高壓氣體向上噴出形成射流，快速與空氣混合擴(kuò)散在高空，形成直徑百米以上的可燃?xì)庠啤?/p>

圖11 同步觸發(fā)、采集測試系統(tǒng)連接示意圖

5）當(dāng)可燃?xì)庠茢U(kuò)散一定時間后，在1.8公里外啟動點(diǎn)火系統(tǒng)，當(dāng)點(diǎn)火彈接收到信號后進(jìn)行電點(diǎn)火并升空，升高到預(yù)定高度后自動引爆，產(chǎn)生的爆炸火球點(diǎn)燃附近的可燃?xì)怏w。

6）當(dāng)爆炸波陣面?zhèn)鞑サ饺S布置陣列中的壓力傳感器的測點(diǎn)位置后，壓力傳感器感應(yīng)到超壓作用產(chǎn)生電荷信號，電荷放大器對電荷信號進(jìn)行調(diào)理分析，輸出電信號到防爆測試間中的數(shù)據(jù)采集儀，并通過顯示器將記錄的數(shù)據(jù)以壓力-時間曲線的形式呈現(xiàn)出來。

7）爆燃過程大約持續(xù)10s，爆炸過程完畢并做安全處理后，人員進(jìn)入試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行后續(xù)現(xiàn)場整理、測試數(shù)據(jù)收集、測試元器件完好情況確認(rèn)等工作。

8）數(shù)據(jù)結(jié)果分析，編寫測試報告。

4 測試結(jié)果

在哈密管道斷裂控制試驗(yàn)場開展的天然氣管道全尺寸爆破試驗(yàn)時，共開展了3次測試。每次測試均在4個不同方位設(shè)置4組傳感器陣列，共130個壓力測點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場測試。采用了4套壓力測試儀采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，3次試驗(yàn)分別獲得103、112、116個有效壓力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取率分別為79.2%、86.1%、89.2%，數(shù)據(jù)獲取率平均值為84.8%。

3次試驗(yàn)條件下測試得到的天然氣管道在開放空間爆炸后產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值變化范圍為0.002～0.432 MPa，試驗(yàn)得到的典型的實(shí)測壓力曲線如圖12所示。壓力曲線共出現(xiàn)3次峰值，包括管道爆破物理爆炸沖擊波超壓，氣云爆炸前驅(qū)沖擊波超壓以及爆燃產(chǎn)生的超壓效應(yīng)。東北側(cè)和東南側(cè)測試桿測得的沖擊波超壓峰值和距離起爆中心點(diǎn)的距離之間的變化如圖13和圖14所示，由測試數(shù)據(jù)可見：隨著距離的增大，產(chǎn)生的沖擊波超壓峰值逐漸降低，趨勢接近冪指數(shù)衰減，相應(yīng)擬合公式見圖13和圖14。

圖12 實(shí)測時間-壓力曲線

5 結(jié)束語

結(jié)合爆破試驗(yàn)場實(shí)際條件和埋地天然氣管道爆破泄漏之后產(chǎn)生的可燃?xì)庠票ǖ奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了開放空間大尺度可燃?xì)庠票ㄈS測試方法，包括傳感器、信號調(diào)理器、采集儀的選擇，傳感器防干擾方法，三維測點(diǎn)布置方法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方法，以及同步觸發(fā)系統(tǒng)方法等，為我國首座爆破試驗(yàn)場配備了合理有效的試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了清晰的時間-壓力曲線，數(shù)據(jù)獲取率平均值為84.8%，驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的有效性。

圖13 東北側(cè)沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線

圖14 東南側(cè)沖擊波超壓峰值隨距離的變化曲線