燃?xì)夤艿赖慕Y(jié)構(gòu)補(bǔ)償及狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：針對(duì)建筑地基沉降引發(fā)的建筑燃?xì)夤艿雷冃?、斷裂，分析了?wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了管件結(jié)構(gòu)補(bǔ)償措施。作為該措施的補(bǔ)充，設(shè)計(jì)了一種燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)分布式數(shù)據(jù)采
摘要：針對(duì)建筑地基沉降引發(fā)的建筑燃?xì)夤艿雷冃?、斷裂，分析了?wèn)題產(chǎn)生的原因，提出了管件結(jié)構(gòu)補(bǔ)償措施。作為該措施的補(bǔ)充，設(shè)計(jì)了一種燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)分布式數(shù)據(jù)采集技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤艿缹?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)補(bǔ)償；數(shù)據(jù)采集；自動(dòng)監(jiān)測(cè)
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(qū)的天通苑和回龍觀社區(qū)是近年來(lái)新建的大型住宅區(qū)，隨著房地產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)商追求開(kāi)發(fā)速度的同時(shí)卻忽略了建筑地基的夯實(shí)。表現(xiàn)為回填選用的土質(zhì)較差，回填施工過(guò)程未嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范，致使建筑地基土質(zhì)松散，在雨雪水長(zhǎng)期滲透作用下，小區(qū)部分地面發(fā)生沉降。地面沉降導(dǎo)致建筑樓體燃?xì)夤艿雷冃紊踔涟l(fā)生斷裂漏氣事故，直接影響到燃?xì)獾恼９?yīng)，給居民生活帶來(lái)了嚴(yán)重安全隱患。例如，回龍觀某居民小區(qū)，陸續(xù)檢查出40處燃?xì)夤艿离[患，涉及6棟樓、240戶(hù)居民的用氣安全；天通苑某居民小區(qū)檢查出1254處管道隱患，涉及100棟樓、7524戶(hù)的用氣安全。目前，此類(lèi)問(wèn)題已上升為北京市燃?xì)庑袠I(yè)重大安全隱患之一。
    通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隱患位置多集中在建筑一層燃?xì)饬⒐苋ǚ至魈幒退饺細(xì)夤艿雷儚綇濐^處。燃?xì)饬⒐苁且驗(yàn)樵诔两颠^(guò)程中受外力拉伸，所以在連接處發(fā)生逸扣或斷裂；而水平燃?xì)夤艿雷儚綇濐^處是受力薄弱點(diǎn)，它是受立管沉降拉伸而變形或斷裂。針對(duì)上述問(wèn)題，技術(shù)解決方案如下。
   ① 在管件結(jié)構(gòu)上做技術(shù)應(yīng)急補(bǔ)救工作
   我們首先在管件結(jié)構(gòu)上做改進(jìn)和完善工作。依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，測(cè)量計(jì)算出燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生的位移量，依據(jù)位移量來(lái)選擇檢修措施?？紤]到未來(lái)可預(yù)期的變形量及相應(yīng)的安全尺寸余量來(lái)決定選用管件的材質(zhì)及安裝結(jié)構(gòu)，以便對(duì)這個(gè)位移量進(jìn)行補(bǔ)償。
    ② 設(shè)計(jì)燃?xì)夤艿雷詣?dòng)監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)效方案
    作為管件結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)暮罄m(xù)措施，考慮到施工損毀、地震等不可預(yù)測(cè)的外力因素，單純的結(jié)構(gòu)維護(hù)不能滿(mǎn)足管道長(zhǎng)期安全運(yùn)行的需求。為此，本文設(shè)計(jì)了一種燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)方案，建立了管道狀態(tài)主動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)制，滿(mǎn)足了燃?xì)夤艿腊踩€(wěn)定運(yùn)行的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要，也為國(guó)內(nèi)同行業(yè)應(yīng)用作了一次有益的探索。
2 管件結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方案
    小區(qū)建筑物通過(guò)幾年的不斷下沉，建筑結(jié)構(gòu)沉降區(qū)的沉積量已形成固量，解決方案須使管件處于持續(xù)可預(yù)期的伸縮變形狀態(tài)，保證管件形狀尺寸處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。
2.1 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償計(jì)算
   據(jù)調(diào)查，現(xiàn)有管材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變形補(bǔ)償能力不能滿(mǎn)足實(shí)際變形補(bǔ)償要求，該問(wèn)題解決的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)可行的預(yù)補(bǔ)償量。
例如，樓宇建筑已建成8年，地基沉降導(dǎo)致管道水平位移5cm，管道垂直位移7cm。根據(jù)目前的實(shí)測(cè)結(jié)果，再考慮到未來(lái)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(dá)到基本穩(wěn)定?？纱_定該樓宇建筑結(jié)構(gòu)全壽命中的附屬燃?xì)夤艿赖纳炜s量，公式如下：
 
式中δd——預(yù)伸縮量，m
    n——安全系數(shù)，一般取1.5～2.5
    δc——樣本測(cè)量位移量，m
    td——預(yù)期建筑持續(xù)沉降時(shí)間，a
    tc——樣本的建筑年齡，a
    經(jīng)計(jì)算得出，該樓宇建筑燃?xì)夤艿浪皆O(shè)計(jì)預(yù)伸縮量約為9.4cm，垂直設(shè)計(jì)預(yù)伸縮量約為13.1cm。
2.2 結(jié)構(gòu)補(bǔ)償?shù)木唧w措施
 計(jì)算得出預(yù)伸縮量后，決定選用波紋管來(lái)補(bǔ)償伸縮量。技術(shù)實(shí)施方案是在立管前的管道上加一段波紋管來(lái)滿(mǎn)足立管下沉產(chǎn)生的補(bǔ)償需求。
    從樓前管上重新接一個(gè)引入管，在引入管的水平段上加裝帶護(hù)套的金屬波紋管(外徑57mm)，金屬波紋管總長(zhǎng)500mm，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，氣密性試驗(yàn)壓力1.1MPa。其中，波紋管為0.4mm厚的不銹鋼波紋管，長(zhǎng)度為400mm，波紋管兩頭各焊接了長(zhǎng)50mm優(yōu)質(zhì)碳鋼接頭，便于與現(xiàn)場(chǎng)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(nèi)一層水平管道上也設(shè)置了金屬波紋管，一方面能有效釋放戶(hù)內(nèi)各支管的應(yīng)力，避免再次發(fā)生應(yīng)力破壞；另一方面，地面如果進(jìn)一步沉降，波紋管將隨之變形，應(yīng)力也得到了釋放，戶(hù)內(nèi)各支管就不會(huì)產(chǎn)生額外負(fù)荷，防止支管發(fā)生斷裂漏氣。具體措施如下：
   ① 在戶(hù)內(nèi)一層燃?xì)饬⒐艿撞堪惭b抱卡固定，防止管道下沉，并且每隔一層加一個(gè)抱卡固定。
    ② 更換閥門(mén)至三通之間的管道，加長(zhǎng)管道的長(zhǎng)度來(lái)彌補(bǔ)沉降量。
    ③ 對(duì)于部分具備入戶(hù)條件的用戶(hù)，將入戶(hù)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(xù)下沉，在戶(hù)外管道下端填實(shí)沙土。
3 燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)分布式數(shù)據(jù)采集終端對(duì)燃?xì)夤艿澜Y(jié)構(gòu)變化進(jìn)行跟蹤測(cè)量，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯總到管理中心實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。燃?xì)夤艿辣O(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了管道結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，它是一種長(zhǎng)效的安全管理措施，可以在出現(xiàn)問(wèn)題的第一時(shí)間內(nèi)采取補(bǔ)救措施，消除隱患。這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也將成為今后燃?xì)夤艿赖脑O(shè)計(jì)依據(jù)。
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
    燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)管理中心、GPRS/GSM(GPRS為通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)，GSM為全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、分布式管道數(shù)據(jù)采集終端，系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。
 

    系統(tǒng)的工作流程是由分布式管道數(shù)據(jù)采集終端將現(xiàn)場(chǎng)采集到的燃?xì)夤艿绤?shù)進(jìn)行處理和初步的故障診斷，定時(shí)通過(guò)GPRS/GSM數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測(cè)管理中心。
   ① 分布式管道數(shù)據(jù)采集終端
   它主要負(fù)責(zé)燃?xì)夤艿雷冃螀?shù)監(jiān)測(cè)和燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息上傳。實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。
    a. 管道變形參數(shù)采集。包括水平管、立管、三通和彎頭的變形位移量。
    b. 燃?xì)庑孤┍O(jiān)測(cè)。負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)管道設(shè)備周邊的燃?xì)鉂舛取?/span>
    c. 數(shù)據(jù)參數(shù)上傳。將監(jiān)測(cè)結(jié)果回傳給上位機(jī)。
    ② 通信網(wǎng)絡(luò)
    “永遠(yuǎn)在線”是其最大的特點(diǎn)，滿(mǎn)足了燃?xì)夤艿罒o(wú)線遙測(cè)數(shù)據(jù)的通信要求。GPRS用戶(hù)所需支付的數(shù)據(jù)通信費(fèi)用是按其實(shí)際發(fā)生的數(shù)據(jù)流量來(lái)計(jì)算，因此通信時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)資費(fèi)沒(méi)有影響，非常適合間斷性和突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸，適合燃?xì)夤艿肋h(yuǎn)端通信頻繁但數(shù)據(jù)量較少的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，可滿(mǎn)足常規(guī)定時(shí)報(bào)告和突發(fā)故障自報(bào)告的使用需求。
   ③ 監(jiān)測(cè)管理中心
   監(jiān)測(cè)管理中心負(fù)責(zé)自動(dòng)收集前端獲取的管道參數(shù)及狀態(tài)，匯總并儲(chǔ)存相關(guān)數(shù)據(jù)文件，擔(dān)負(fù)管道狀態(tài)言息數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行與維護(hù)，提交設(shè)備狀態(tài)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)查詢(xún)、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比等多項(xiàng)業(yè)務(wù)需求。主要功能如下。
   a. 數(shù)據(jù)采集功能。定時(shí)接收和顯示最新管道狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲取各類(lèi)故障代碼及采集終端的狀態(tài)信息。
   b. 數(shù)據(jù)處理功能。建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比對(duì)、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等基本功能。采用深度數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立管道狀態(tài)智能判別預(yù)警機(jī)制。
   c. 信息發(fā)布功能?？筛鶕?jù)需求在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)同步發(fā)布信息，將故障報(bào)警通過(guò)短信或語(yǔ)音電話即時(shí)通知所設(shè)定的相關(guān)人員。
3.2 分布式管道數(shù)據(jù)采集終端
   分布式管道數(shù)據(jù)采集終端是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于它擔(dān)負(fù)前端持續(xù)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，設(shè)備工作時(shí)間長(zhǎng)，所處環(huán)境惡劣，且設(shè)備數(shù)量龐大，不易維護(hù)，因此需要加以特別設(shè)計(jì)。
3.2.1采集終端的構(gòu)成
采集終端包括傳感器單元、信號(hào)處理單元、系統(tǒng)控制(CPU)單元、無(wú)線通信單元和電源單元等。采集終端結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
 

① 傳感器單元
傳感器單元用于完成燃?xì)夤艿绤?shù)的原始測(cè)量，以位移傳感器為主。另外還可選裝氣體檢測(cè)傳感器，并可根據(jù)用戶(hù)的要求進(jìn)行擴(kuò)展。主要包括如下內(nèi)容。
    a. 位移信號(hào)采集：終端的位移傳感器采用磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)管道的實(shí)時(shí)位移，該方法是借助兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖信號(hào)的磁致伸縮原理來(lái)測(cè)量位移的。由于磁環(huán)和敏感元件沒(méi)有直接接觸，傳感器不易受液體、灰土等污染的影響，也沒(méi)有磨損。此外，傳感器能適應(yīng)在高溫高壓的環(huán)境，因此非常適合安裝在條件惡劣的燃?xì)夤艿郎?。傳感器輸出信?hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接。數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，分辨率可達(dá)0.001mm。
    b. 燃?xì)庑孤┬盘?hào)采集：采用半導(dǎo)體氣體傳感器，該類(lèi)傳感器采用金屬氧化物半導(dǎo)體燒結(jié)工藝。報(bào)警濃度為爆炸下限的4%±3%(絕對(duì)值)；響應(yīng)速度約6s。具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、成本低、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
    ② 信號(hào)處理單元
    它具有多路高速處理通道，擔(dān)負(fù)著模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換工作。
    ③ 系統(tǒng)控制單元
    控制系統(tǒng)單元是數(shù)據(jù)采集終端的核心部分，擔(dān)負(fù)著其他單元的管理控制功能。主要包括：
    a. 信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。
    b. 數(shù)據(jù)預(yù)處理和存儲(chǔ)。
    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(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片具有低功耗、高性能、低成本等特點(diǎn)。此外，該款芯片集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，可大大減少電子元件的數(shù)目和電路板的面積。
    ④ 無(wú)線通信單元(GPRS/GSM通信模塊)
    GPRS/GSM通信模塊內(nèi)置有無(wú)線收發(fā)模塊和TCP/IP協(xié)議模塊。結(jié)合相關(guān)的軟硬件驅(qū)動(dòng)，具有數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)率低、不易死機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，使得數(shù)據(jù)采集終端的可靠性及實(shí)時(shí)眭大大增強(qiáng)。
3.2.2采集終端的健壯性設(shè)計(jì)
    由于采集終端處于高危險(xiǎn)的燃?xì)夤艿乐車(chē)?，環(huán)境十分惡劣。因此充分考慮了健壯性設(shè)計(jì)要求。數(shù)據(jù)采集終端在正常使用條件下，平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)應(yīng)大于等于8000h。采集終端的電源和所有的I/O接口設(shè)計(jì)有多級(jí)保護(hù)電路，防止帶電部分對(duì)燃?xì)夤艿缼?lái)潛在隱患。采集終端特別配置了看門(mén)狗電路和電源復(fù)位監(jiān)控電路，有效防止死鎖故障。此外，采集終端采取完全密閉設(shè)計(jì)，選用特殊材質(zhì)，抵御現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境對(duì)電路板的腐蝕和破壞，達(dá)到防水、防腐蝕、防靜電的要求。
4 結(jié)語(yǔ)
    管道結(jié)構(gòu)補(bǔ)償方案實(shí)施后，通過(guò)對(duì)回龍觀小區(qū)燃?xì)夤艿赖母櫿{(diào)查，再未發(fā)現(xiàn)管道斷裂漏氣現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)解決方案的初步設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，我們也在跟蹤先進(jìn)國(guó)家燃?xì)庠O(shè)備無(wú)線遙測(cè)技術(shù)，不斷完善燃?xì)夤艿罓顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期最終實(shí)現(xiàn)對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)科學(xué)、安全、有效管理的目標(biāo)。
 
(本文作者：趙京生 北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司第五分公司 北京 100044)