小管径管道（通用7篇）
小管径管道 篇1
1 引言
承压设备压力管道对接接头的无损检测, 常用的方法为射线检测和超声检测。射线检测时, 采用双壁双投影椭圆成像或垂直透照。椭圆成像对于圆形缺陷、条形缺陷、未熔合、裂纹等比较敏感, 垂直透照则对于根部未焊透特别有效。工艺上一般采取高电压短曝光时间, 这使缺陷容易漏检。此外, 由于现场安装条件的限制, 如管子密集排列, 射线探伤的焦距、偏心距很难达到标准要求, 有时候很难拍全。采用超声波检测, 便携式检测速度快, 检测成本低, 而且由于超声波检测固有的特点, 对面积型缺陷 (裂纹、未熔合) 等敏感, 检测灵敏度高。但是由于压力管道其管壁曲率大、壁厚薄, 对压力管道对接接头中的超声检测也存在一些技术困难。另外超声检测对于人员的自身素质和经验要求也比较高。
2 压力管道超声波探伤的技术困难
2.1 壁厚薄
小径管管壁薄, 用普通斜探头探伤, 因前沿距离长, 用一次波探伤时, 主声束扫查不到小径管焊缝根部, 如用多次波探伤, 则因探头发射的声束宽, 声束扩散, 小径管壁薄, 超声横波声程短, 容易在近场区内检测。需要有经验的人员对回波动态波形进行甄别与判定。
2.2 曲率大
压力管道曲率大, 曲面耦合损失大;超声横波在小径管内表面反射, 发散严重, 探伤灵敏度低;小径管曲率大的影响, 造成声束严重散射, 使得回波游动范围大, 反射回波杂乱。
3 超声波探伤工艺的选择
3.1 探伤仪器
机型应符合JB/T10061《A型脉冲反射式超声波探伤仪通用条件》的规定。
3.2 探头
3.2.1 斜锲
管道外表面是曲率半径较小的圆柱曲面, 为了较好的声耦合, 一般须将探头斜锲加工成与管壁吻合良好的曲面, 探头与管子曲率半径之差不大于被检管径的10%。采用专用的探头对曲面进行耦合补偿, 提高检测灵敏度和杂波。
3.2.2 晶片尺寸
探头斜锲加工成曲面后, 探头边缘声束会产生散射, 晶片尺寸愈大, 散射愈严重。因此压电晶片尺寸不宜太大。前沿较小, 方便一次波扫查。
3.2.3 频率
为了提供探头指向性, 提高探伤分辨力和探伤灵敏度, 一般应采用较高的探测频率。
3.2.4 K值
对压力管道管道焊缝, 要想利用一、二次波探伤, 就须选用较大折射角的探头, 使横波声束能扫查到整个焊缝截面。同时选用大折射角探头, 还可增加横波在壁薄管中的声程, 避免在近场区内探伤对缺陷定位定量误差大的不利因素。
探头相关参数选择推荐如下表1:
3.3 试块
采用JB/T4730.3《承压设备无损检测超声检测》选用的压力管道对接接头超声检测和质量分级的GS试块。
3.4 工况准备
焊缝经焊接检验员外观检测合格后放可实施无损检测, 打磨余高后焊缝两侧, 使检测面的粗糙度和探头移动距离符合标准要求。
3.5 DAC曲线的制作
所用仪器为南通友联PXUT-350+数字式超声波探伤仪, 探头为5P5×5K3, 探头前沿为5mm。执行《JB/T4730.3《承压设备无损检测超声检测》标准, 在管道专用试块上调整仪器, 扫描速度为深度1:1调节, 选择评定灵敏度为Φ2×20-20d B, 扫查灵敏度加6个d B, 耦合补偿3~5d B。
3.6 检测面及扫查
检测面按单面双侧进行, 扫查方式采取锯齿形扫查, 扫查重叠区域10%, 保证全部扫查覆盖。
3.7 典型缺陷波型分析
对于小径管对接接头, 使用手工氩弧焊打底、手工焊盖面的焊接工艺, 一般坡口形式V型。各种典型缺陷及伪缺陷的估判方法如下:
3.7.1 根部未焊透
小径管根部未焊透垂直于内表面, 超声波探伤时, 其反射类似于端角反射, 因此回波较强, 从焊缝两侧探伤均能探出, 且位于焊缝中心或靠近探头一侧, 沿焊缝方向回波有一定的游动范围。
3.7.2 未熔合
未熔合就是焊缝金属和母材没有熔合在一起, 多出现在接头的坡口面上。由于坡口面的角度的关系, 用一次波很难探测到, 一般用二次波容易检出, 其位置在焊缝中心靠近探头一侧。
3.7.3 夹渣和气孔
可能出现在焊缝的任何位置, 一般信号较弱, 两侧探伤均能发现。
3.7.4 裂纹
裂纹的判断比较复杂, 这是因为与裂纹的长度、自身高度、位置都有着密切的关系。
检测人员在探测到相关信号时应根据回波情况进行综合判定。
3.7.5 杂波的控制
管道专用探头由于折射角度大, 如果处理不好, 很容易产生表面波, 检测时可以轻轻用手指敲探头, 若消失或者跳跃厉害则为杂波。
3.7.6 错边
波幅较低, 只能从焊缝一侧探伤能探出, 一般远离探头一侧, 沿焊缝方向回波有一定的游动范围。
4 总结
(1) 压力管道的超声探伤探头的选择尽量是小前沿大K值能达到更好的效果
(2) 压力管道超声检测缺陷的估判应根据焊接的工艺、焊接外观质量、回波动态波形等进行综合判定, 这也和超声检测人员的自身素质和经验有着密不可分的关系。
摘要：本文介绍了承压设备压力管道超声波检测工艺在《承压设备无损检测 (第三部分超声检测) 》 (JB/T4730-2005) 标准基础上在实际超声探伤中遇到的一些问题, 阐述了与射线检测的对比, 超声探伤的优势和技术难点, 并提出了相应工艺解决方法, 为提高压力管道焊缝超声的检测有一定借鉴的意义。
关键词：小管径,压力管道,超声检测,检测工艺
参考文献
[1]沈建中等.超声无损检测的进展—学会成立20周年.无损检测, 1998, (02)
[2]张志超.焊缝超声检测中变型波的产生机理及其识别.无损检测, 2002, (02)
[3]蒋危平等编著.超声检测学.武汉测绘科技大学出版社, 1991
大管径管道顶管施工 篇2
香港荔枝角至青衣污水治理工程, 西起青山路至青衣污水处理厂, 其中穿越机场三号干线及机场铁路桥的一段采用双排混凝土顶管施工, 该段顶管全长310m×2, 管节外径为3540mm, 内径为3000mm, 管节长度3000mm, 顶管坡+0.095%, 管顶覆土厚度为6.8m。顶管施工采用外径3560mm的土压平衡式多刀盘顶管机, 最大后顶力为1000t。顶管衬砌结构均采用"F"型预制钢混凝土管节, 相邻两管节间采用特制接头承插连接, 衬砌接缝防水采用天然橡胶制成的锲型橡胶圈。
2 地质条件
本工程范围内的土层从上往下依次为:填土、褐黄色粘土、灰色粉质粘土、灰色淤泥质粘土。顶进断面全线上部处在灰色粉质粘土内, 下部处在灰色淤泥质粘土内, 见表1。
3 进出洞施工措施
从工作井中出洞开始顶进是整个施工过程中的关键环节之一。为确保顶管机顺利出洞, 防止土体坍塌涌入工作井, 出洞前先在砖封门前打设一排钢板桩, 钢板桩入土深度达到工作井底板以下。当顶管机出洞时, 先把砖封门拆除, 这时由于钢封门挡住, 土体不会涌入。等到顶管机推进到距钢封门5 0 m m~100mm时, 洞口止水圈已能发挥作用了, 然后再按出洞口一侧向另一侧依次拔除钢板桩。为减少钢板桩拔除过程中对顶管机正面土体的扰动及可能出现的建筑间隙, 钢板桩全部拔除后应立即顶进, 缩短停顿时间。
在出洞施工初期, 由于顶管机正面主动土压力远大于机头及混凝土管节的周边摩阻力和与导轨间摩阻力的总和, 因此极易产生管节后退, 引起顶管机前方土体不规则坍塌, 使顶管机再次推进时方向失控和向上爬高。为此, 采取在洞口两侧各安装一只手拉葫芦, 当主顶油缸回缩之前, 先将最后一节管节拉住不让其后退, 同时在出洞之初就预设了一定的向下纠偏量, 尽可能克服出洞时机头抛高的情况。从实际施工的效果来看还是比较理想的, 出洞期间的高程最大偏离值, 北侧为-2.8cm, 南侧为+4.5cm。顶管机进洞施工与出洞相比较为简单, 当顶管机靠近洞门时, 须控制好土压力, 在切口距封门20~50cm时停止顶进, 并尽可能降低切口正面土压力, 确保拆除封门时的安全, 拆除封门后将顶管机迅速、连续顶进, 直到进洞洞口止水圈发挥作用为止, 这就完成了进洞进程。
4 长距离顶进施工措施
4.1 顶进轴线控制长距离顶管施工的核心问题是对顶力的控制计算管壁土压的公式:
Pv-管道上竖向土压力;PL-管道上侧向土压力;γ-土体容重;H-覆土层厚度;D-管道外径。
上述公式是基于土柱的受力模型, 适用于不稳定土层或覆土层厚度小于卸力拱高度的情况下。从公式中可以清楚地看到单位长度上的顶进阻力与管径、覆土层厚度、土体容重、土层性质有关。但是在实际顶管施工中纠偏对顶力的影响非常明显, 顶管机在顶进过程中由于受力不均匀, 导致偏离管道设计轴线, 所以必须对机头的前进方向和旋转进行纠偏, 使其沿设计方向平稳前进。纠偏在顶进过程中是不可避免的, 是自始至终伴随着顶进而进行的。每次纠偏时必须对顶管机施加力矩使之改变前进方向, 施加的力矩就相当于附加了一个土压力从而使阻力增大。这一附加阻力在规范中没有反映, 但它却是一个不可忽视的因素。纠偏阻力的估算方法:
注:地面标高+3.5 m
a-纠偏阻力;f-管壁与土体间的摩擦系数;σ-侧壁土压力;L-顶管机长度
4.2 注浆减摩
注浆减摩是长距离顶管中非常重要的一项工艺, 是关系到顶管成功与否的一项关键的技术。为确保减小管道外壁的摩阻力采取了以下技术措施: (1) 保证润滑泥浆的稳定性, 根据土质的变化适当调整配方, 以满足不同的需要。 (2) 合理布置注浆孔。在混凝土管节雄头一侧按120°设置三个孔, 压浆总管安装于管节断右侧, 每隔6m接一三通阀门至管节注浆孔, 在顶管机后的连续3节都设置注浆孔。 (3) 制定合理的压浆工艺, 严格按压浆操作规程进行。为使顶进时形成的建筑间隙及时被泥浆所填补形成泥浆套, 必须坚持"先压后定、随压随顶、及时补浆"的原则, 泵送出口处的压力控制在1~1.25kg/cm2。 (4) 压浆孔的位置设在管节雄头一侧靠近边缘处, 这样在管节拼接后注浆孔就完全被前一节的钢环所遮盖, 压出的浆液先会在钢套环与混凝土管节外壁之间形成浆套然后再被挤出。这样泥浆套就较容易形成, 减摩的效果也就比较明显。
4.3 中继间
利用中继间进行接力顶进是中长距离顶管的一项重要技术措施。中继间的布置要求顶力及操作的要求, 以提高顶进速度。第一只中继间应放在比较前面, 因为顶管机的正面土压力在推进过程中会因土质条件和施工情况等因素发生较大的变化, 所以当总推力达到设计推力的60%时就安放第一只中继间, 以后当达到计推力的80%时安放下一只中继间, 而当主顶推力达到设计推力的90%时就必须启用中继间。
土压力设定值:P=γhtg2 (45°+φ/2) =1.45 kg/c m2
管机正面阻力:F=πd2/4×p=143t管壁摩阻系数:取0.6t/m2
设计推力1000t, 中继间推力按设计推力80%计算:
第一套中继间设置里程:L1=98m;第二套中继间设置里程:L2=120m
本工程总顶程3 1 0 m, 设中继间两套, 与顶管机切口距离分别为98m、218m。以北侧顶管为例, 实际施工时在105m处放置了第一只中继间, 但由于泥浆减阻的效果显著, 顶进轴线控制较好, 实际顶进阻力远小于理论计算值, 所以中继间一直未使用, 直到最后进洞过程中才第一次启用。致使顶进程序大大简化, 顶进速度大大提高。
5 双排顶管施工技术措施
顶管由于工期紧迫, 因此在经过充分论证的前提下决定采用双排顶管前后同时顶进施工方法。相对于单条分别顶进施工, 双排顶管主要有三个方面的问题有所不同:
5.1 顶管工作井后靠土体的稳定性
但由于顶力P的反复作用, 沉井后靠土体反复产生压缩变形, 孔隙水压力增大, 有效应力降低, 及沉井侧面与土体之间的孔隙未填实等原因。因地下水位较高, 沉井受到的浮力足以抵消井体自重, 为保证工作井后靠土体的稳定性, 施工时需避免南北两条顶力同时达到最大值, 顶力之和控制在1900t以内
5.2 双排顶管两顶管机纵向间距的确定
双排顶管前后同时顶进的施工方法, 关键是要确定两管的纵向间距L, 这对于减少两管间的相互干扰和对中间部分土体的扰动至关重要。
P 0-静止土压力;D-顶管机外径
在上式中F按施工中控制压力的上限取值, 计算所得的结果偏于安全。除顶管机挤土产生的影响外, 尚需考虑到因顶管机纠偏引起侧向土体的扰动。另外, 由于机头无注浆孔, 摩擦力引起的对侧向土体的扰动也必须考虑。
5.3 双排顶管引起的地层损失和沉降槽的预测
双排平行同步顶管引起的地层损失, 近期常采用有限元法, 可以考虑多种地层, 机头尾部空隙、灌浆等施工因素。在施工中为了便于应用, 选择了Peck公式经验预测法, Peck假定顶管施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的, 所以沉降槽体积应该等于地层损失的体积, 并且地面沉降曲线的横向分布是正态分布曲线。
Sx-距中心为x的地面沉降量;V1-地层损失量, 等于单位长度的沉降槽体积;S m a x--管道中心处最大沉降量;I--沉降槽宽度系数:
I=H/[2.5 tg (45°-φ/2) ] (H-覆土厚度;R-顶管半径)
其反弯点在X=I处, 该点出现最大沉降坡度, 在X=3I及X=0处, 出现最小曲率半径。双排顶管沉降曲线Peck公式的地层损失理论有关论述, 考虑到沉降在数值上远小于覆土厚度、顶管直径和沉降槽宽度, 所以采用叠加法来估算双顶管的最大沉降, 也基本可以满足等面积代换的原则。
在出洞阶段由于打拔板桩、纠偏、泥浆套尚未形成等原因, 实测最大沉降较理论计算值偏大, 达到4.12cm;而在其它阶段由于泥浆及时填充了部分土层间隙使得最大沉降较理论计算值偏小, 仅为2.8 2 cm。
6 结语
随着城市化的发展, 人民生活质量的日益提高, 为减少土地占用和加快施工速度, 顶管的施工方法将在许多城市的地下管线工程中得到运用, 有着广阔的发展前景。本工程中所使用的多刀盘土压平衡式顶管机具有价格低廉、结构简单、操作容易和自重较轻等特, 适用于软粘土层中的顶管施工。
摘要：随着城市迅速发展, 已有的基础设施已不能适应城市发展的需要, 基础设施需要更新或者升级, 以满足人们的需要。为减少对交通及人流影响及满足施工要求, 采用管道顶管施工技术能很好地避免以上限制, 又将对交通及人流的影响减少至最低, 因此道顶管施工技术最近得到广泛的应用。本人在香港完成了多项顶管工程, 而香港荔枝角至青衣污水治理工程比较有代表性, 望借此与国内同行分享顶管工程施工经验。
小管径管道 篇3
伊宁—霍尔果斯输气管道工程起自伊宁首站, 终止于霍尔果斯末站 (在西二线霍尔果斯首站基础上扩建) , 沿线经过伊宁市、霍城县。线路全长约64km, 管径D1219mm, 设计压力12MPa, 管道材质为X80。沿线主要地貌类型为山前冲积平原、丘陵和沙漠。
本工程中沙漠段和风积沙地段位于霍城县境内, 处在线路中不同位置, 分别为:QB21号桩-QB29号桩, 沙漠, 长度为8.455km;QB30号桩~QB33号桩, 沙漠, 长度1.849km;QB34号桩-QB36号桩, 风积沙地, 长度为1.896km;QB51号桩+250mQB61号桩, 风积沙地, 长度为11.585km, 所在地区等级均为一级地区。
一、施工准备
施工前先熟悉设计图纸, 勘查现场, 掌握所要经过沙漠的地形、地貌、和地质情况。地质情况:
1.QB21桩~QB29桩:长度8.455km。沙漠, 管道沿图开沙漠边缘敷设, 地形波状起伏, 分布固定或半固定沙丘, 沙丘比高一般为5~20m, 覆盖少量沙生植物, 覆盖率10~20%。地层岩性以粉细砂为主, 黄色, 松散~稍密, 稍湿, 散粒, 主要矿物成分为石英和长石, 含少量云母片, 勘察深度4.0m未揭穿, 土石工程分级为Ⅱ级。沿线勘察深度内未见地下水, 据调查, 地下水埋深大于15m。
2.QB30桩~QB33桩:长度1.849km。沙漠, 管道沿图开沙漠边缘敷设, 地形波状起伏, 分布少量固定沙丘, 沙丘比高一般为5~20m, 覆盖少量沙生植物, 覆盖率20~30%, 局部地段为林地或农田。地层岩性以粉细砂为主, 黄色, 松散~稍密, 稍湿, 散粒, 主要矿物成分为石英和长石, 含少量云母片, 勘察深度4.0m未揭穿, 土石工程分级为Ⅱ级。沿线勘察深度内未见地下水, 据调查, 地下水埋深大于15m。
3.QB34桩~QB36桩:长度1.896km。风积沙地, 管道沿图开沙漠北部边缘敷设, 地形稍有起伏, 地势开阔, 覆盖少量沙生植物, 覆盖率30~40%, 局部地段为草地。地层岩性以粉细砂为主, 黄色, 松散~稍密, 稍湿, 散粒, 主要矿物成分为石英和长石, 含少量云母片, 局部地段为黄土状粉土, 勘察深度3.5m未揭穿, 土石工程分级为Ⅱ级。沿线勘察深度内未见地下水, 据调查, 地下水埋深大于10m。
4.QB51桩+250m~QB61桩:长度11.585km。风积沙地, 管道沿图开沙漠北部边缘敷设, 地形呈较缓垄状起伏, 起伏较缓, 大部地段覆盖少量沙生植物, 覆盖率20~30%, 其中QB55桩~QB58桩被开垦为农田。地层岩性以粉细砂为主, 黄色, 松散~稍密, 稍湿, 散粒, 主要矿物成分为石英和长石, 含少量云母片, 勘察深度3.5m未揭穿, 土石工程分级为Ⅱ级。沿线勘察深度内未见地下水, 据调查, 地下水埋深大于5m。
施工前每300米挖一个探坑, 探坑挖深4.5米, 并与设计提供的地质情况进行比较。勘察地质时确定是否会出现卵砾石, 如出现卵砾石情况, 应比设计深度超挖200mm, 把卵砾石部分单独堆放, 并用挖掘机倒运细土到卵砾石地段, 人工清理管底之后, 进行管底200mm细土回填, 以保证管道在沉管过程中管道与细土紧贴。
施工前与当地环保有关部门联系, 并得到当地环保管理部门的批准, 对施工机具进行检修和保养, 使其状态良好。对操作工人进行技术交底, 使其掌握施工技术要求、质量要求及安全要求。
开工前制作拖管爬犁, 考虑到沙漠地表承载力差, 施工机具、工程材料和管道的运输采用拖拉机牵引爬犁的运输方式, 爬犁制成船型 (如下图) 。运管时, 爬犁与管线接触部位铺垫20mm厚胶皮, 并用捆扎带将管线捆扎牢固, 保证在运输过程中不出现滑、滚等现象。
二、测量放线
沙漠中风沙较大, 且沙丘易移动, 定位桩使用红色信号旗, 沙丘起伏大的地段增加定位桩的密度。为防止定位桩被掩埋, 还应使用GPS定位仪进行卫星定位以便今后找桩。
首先测出线路中线, 再测出作业带边线。为了防止风沙淹没线位标志, 可用竹杆小红旗做标志, 布管线每隔100米插一个。边线可适当加大距离。
绘制测量成果图, 记录原始地貌, 为恢复地貌提供依据, 并测出需要推移沙丘土方量。
三、作业带清理
严格按测量放线的边界线进行作业带清理, 施工作业带宽度22m。清理作业带时应按照随坡就势的原则进行施工。沙丘段的扫线按设计要求进行, 作业带清理扫线施工应满足布管、组焊施工的要求。对于现场的低洼地段需要与设计现场确定是否为冲沟, 保护管道方案按照设计要求执行。这里要指出的是, 设计文件中施工作业带的宽度为30m, 而现场条件有限, 根据环保部门要求, 结合业主的意见, 最后确定为22m。
施工时用一台挖掘机与两台推土机进行推扫, 并保持已成形的作业带。施工后期根据设计要求对作业带外边缘高于作业带的斜坡按照设计要求进行固沙措施。
四、运管、布管
运、布管是沙丘施工中的难点。结合本工程的特点, 运布管原则利用伴行道路拉运管材, 辅助采用推土机牵引运管爬犁运至施工现场的方法。在作业带内采用70吨吊管机进行单根调运布管作业。
有伴行道路的沙丘段, 伴行道路每500m有一处3m*3m的错车点, 根据运管要求应每隔1km在伴行路和施工作业带之间增设一处20m*20m的汇车点, 以利于大型运管车调头错车;没有伴行道路的沙丘段, 区段长度大于500m的应采取施工便道加固措施, 施工便道加固不使用土工布, 施工完成后便道垫层不予保留, 作业带表层恢复原状。区段长度小于500m的, 在沙丘段入口处修筑临时堆管场, 使用吊管机配合运管爬犁将管材拉运进场。
运、布管应从流动沙丘地段两端分别进行, 以尽量缩短在沙漠内的运距。首先利用大型运管车将管道运至沙漠边缘的临时堆管场, 然后使用推土机牵引自制船形爬犁在沙漠里运管, 每次拉运2根, 布管采用吊管机从爬犁上逐根布在作业带上。如下图所示:
布管时应检查管两端封堵是否完好无损, 对于损坏的封堵及时更换, 防止沙尘进入管内。
在沙漠的斜坡上布管时为防止管子下滑, 可在坡上或坡下选择坡度小于3%的平坦地段设置临时堆管平台, 管子堆放高度不得超过2层, 管子与地面的最低距离不小于500mm。施工时边焊接边布管, 即“随用随取”。
五、管道组对焊接
管口组对前, 管内外表面坡口两侧25mm范围内采用角向磨光机清理至显现金属光泽。采用人力清除管内杂物、灰尘, 当管内有沙土和杂物时, 应换好干净的软底鞋 (解放鞋、球鞋) 进入管内, 用拖布等工具将管内清扫干净。优先采用内对口器组对, 相同公称壁厚对接钢管的错边量不应大于钢管壁厚的1/8, 且应小于3mm, 错边应沿管口圆周均匀分布。接头坡口角度、钝边、根部间隙应符合焊接工艺规程中要求。使用内对口器时, 只有根焊道全部完成后方可撤离。
环境温度在5℃以上时, 预热宽度宜为坡口两侧各50mm。环境温度低于5℃时, 宜采用感应加热或电加热的方法进行管口预热, 预热宽度宜为坡口两侧各75mm。
焊接环境温度低于5℃时, 焊接作业宜在防风棚内进行, 应使用保温措施保证层间温度。如在组装和焊接过程中焊口温度冷却至焊接工艺规程要求的最低温度以下, 应重新加热至要求温度。焊后宜采用干燥的保温被进行缓冷措施。
管道焊接及检验应符合规范、标准规定, 管道无损检测应符合Q/SY GJX-0112的规定, 射线检测及超声波检测的合格等级为线路工程Ⅱ级。
六、管沟开挖
管道所经地形为沙漠和风积沙地, 如果边坡按照规范1:1.5放坡, 深度平均按照3米计算, 管沟上口宽度为10.9米, 管道外壁距离管沟边的安全距离为1.5米, 那么90吨吊管机吊管下沟将无法实现, 由于粉沙土承载力极低, 给管沟开挖及下沟造成了困难。按照传统的施工方法, 先由挖掘机将管沟开挖成型, 然后再集中5台90t吊管机进行统一下沟;由于粉沙土壤开挖时很难成型, 即使管沟能够成型, 土壤的承载力根本无法承受5台90t吊管机及管道的重量, 再加上吊管机的振动, 势必造成管沟大面积塌方, 同时也危及吊管机、管道和操作人员的安全, 无法满足设计埋深要求。
针对这种情况, 通过在以往的工程施工经验和不断摸索提出采用双侧沉管方法进行管沟开挖和下沟作业。
具体做法是在管道两侧各布置1台挖掘机, 要求2台挖掘机在同一位置、同一方向、同时作业, 开挖速度保持一致, 利用钢管的自重及弹性缓慢的自然沉入沟底, 从而使管道下沟, 见下图。
开挖放坡按照沙土类1:1.5进行, 开挖断面如下:
用红木桩和白灰标出管道中心线, 按中心线组对管道 (沙漠地段) , 风沙地地段把焊接完成的管道用2台70吨和1台40吨把补完口的管道侧移到管道中心线位置, 并保证管道接触地面为沙土。
由于沙漠段平均挖深为3.3m, 挖掘机不能一次挖到设计深度, 所以在管沟开挖前分为两个开挖小组, 每个开挖小组配备2台挖掘机, 并且配备测量工2名、RTK全站仪一台跟踪管道的管顶高程;另外配备1台环式电火花检漏仪及时检漏配合沉管。
管沟开挖时, 要先将长3.9m、宽3.0m、厚5mm的胶皮覆盖于要下沟的管道上, 以保证挖掘机的斗齿不会损伤防腐层或管材, 并由2人牵动胶皮, 随着挖掘机的移动而移动。每两台挖掘机要摆放在管道两侧同一横向位置, 分层同时开挖, 行走及开挖速度要一致。管沟开挖后, 测量小组及时测量管沟深度, 保证管道设计埋深。防腐补伤人员用环式电火花检漏仪进行检漏, 发现漏点及时补伤, 以保证管道下沟后无漏点。
用人工将管沟底部多余的土清除平整, 避免管道出现悬空现象, 保证管道平稳顺直沉入沟底。
七、补口、补伤
将所有补口设备 (压风机、喷砂罐等) 放置在船形爬犁上, 履带拖拉机牵引。补口采用经业主同意使用的聚乙烯热收缩带, 补口、补伤、检漏应严格执行规范要求。
八、管沟回填
管道就位后, 经过隐蔽检查合格后, 进行管沟一次回填。管沟一次回填后, 及时与光缆及警示带施工单位联系, 光缆及警示带按照设计要求敷设。敷设完毕后及时进行管沟大回填。对于出现卵砾石地段的管沟, 必须先用挖掘机倒运细土回填到管顶300mm, 敷设完毕后, 进行原土回填。管沟回填后管顶最小覆土厚度不得小于1.5m。
九、HSE措施
开工前与当地环境部门联系并征得同意, 施工过程中作业带应做出明显标识。
所有的施工作业都必须在指定的作业带、临时性工作场地、辅助施工场地之内进行, 不得破坏作业带以外的植物、地貌。沙漠施工应充分保障职工的饮水、饮食等基本需求, 做好防暑降温的基础工作。施工时应采取适当措施防止风沙, 避免恶劣天气对施工人员、设备的伤害。
保护野生动物, 对项目所有人员进行培训, 使其了解有关野生动物保护的知识和意义, 不破坏动物窝穴, 不骚扰、喂养和猎杀 (捕) 野生动物。所有施工人员只允许在作业带范围内活动。
严格按设计要求做好防风固沙水工保护施工。
结论
在沙漠、风积沙地线路工程施工中, 大管径管道施工有几处难点:
1.钢管自重较大, 在沙漠中运输有一定困难。
2.管道挖深较深, 在限定施工作业带内, 开挖和下沟都有一定的困难。
3.沉管法下沟, 容易损伤管道的防腐层。
本文合理、合规的解决了以上施工中出现的问题, 为以后线路工程总承包做储备。
参考文献
[1]伊宁—霍尔果斯输气管道工程线路施工图.
[2]伊宁—霍尔果斯输气管道工程线路施工技术要求.
[3]伊宁—霍尔果斯输气管道工程线路施工通用图.
小管径管道 篇4
近几年，作为辽宁省一个重要沿海港口城市，大连市进一步加大了对公路网络建设方面的投资。在2005年5月份新建大连港12号路给水管道施工项目中本人参与了一期A2号标段施工项目。这个标段在主路以下有三条现况DN2200给水管道横穿公路一环，所以主路范围内有150 m管段需要加固。作为大连市重要工程建设项目，此路段工程建设工期短、任务繁重、质量要求严格。所以，此路段上水管道的加固已成为主路施工工期的直接影响因素。根据调查，大连市供水公司是负责大连城市供水的国有大型企业，它承担着大连市城区绝大多数供水任务，而大连市供水公司向大连市区供水的重要干管正是这条路段的上水管道，因此，在管道运行的过程中对其进行加固，50天的计划施工周期，难度要求加大。
接下来介绍其地质情况，依据中航勘察设计研究院相关地质报告显示，现况地面以下3 m为杂填土，轻质黏土夹杂淤泥质土位于地下3～7 m,7～9 m为轻质黏土，4 m为静止水位。
二、确定施工方案以及技术措施
1. 降水，采取管井降水的方法
2. 积水管道的加固
(1)依据这项工程设计者给予的线索，12号路现况DN1600管道的加固是目前大连市有所记载的在管道运行状态下最大管径方沟加固的案例。其施工流程如下。首先清除半管以上覆盖土壤，接着每隔6 m沿管道横向挖出一个3 m宽的槽，开挖到设计方沟垫层底标高深度，继而进行垫层，用钢筋进行绑扎，浇筑方沟基础施工，到达30%以上设计强度时砌砖支墩。等到方沟基础混凝土到达设计强度的时候，即可开始挖掉中间段土基进行基础施工，最后连接两侧基础形成通常整体基础。
在一番研究讨论过后，我们得出：这类方法尽管对于现状管道安全风险相对较小，但是按照此类方案进行施工具有以下几个弊端。其一，方沟垫层，基础不能进行连续作业，将会延长施工周期;其二，虽然第一次开挖宽度为3 m，但是在浇筑时必须预先留出和二次施工基础相连接的钢筋的锚固长度，因此实际基础浇筑最宽不能超过2 m，这样既浪费施工材料，施工质量又不能得到保证，同时过多的施工缝在一定程度上会对方沟的防水能力造成影响。
依据上述两点，另外结合本项工程的实际情况，我们一致认为这种方式并不适用于本次施工的实施要求，所以我们必须研究出新的施工方案以满足现行的要求。
(2)确定给水管道方法
加固管道有以下几处难点。(1)要满足工期要求，必须进行连续施工，而连续施工则必须要求管道要悬空在一定长度之内。但是，由于管道本身自重比较大，每延长一米则其自重将达到46.6 kN，因此加固起来会有难度。(2)在此之前，没有可以借鉴的相似工程资料。(3)这三条管道的安危会对大连市市区的供水造成直接影响，若稍有差池，那么后果将会不堪设想。
因此，我们积极地与设计与管理单位进行联系，一起制订出比较理想的加固方案。据测算，管道自身悬空于4米长度内没有支点是不会造成破坏的。管道运行每日必经早上加压、晚上减压的过程。其压力为3.5 kgf/cm2上下。在这种方式运行过程中对于管道自身不会造成大的变形，在一定长度失去约束的情况下，会让管道发生摆动。依据上述特征，并且结合以往施工经验，我们制定出以下两套施工方案。
方案一：
运用悬吊加固的方法。在管道两侧连通长立排架，横放40号工字钢于排架上，采用专用吊带进行悬吊。
方案二：
运用支撑加固的方法。于管道下间隔3 m处横放两根40号工字钢，在工字钢和管道之间设橡胶垫与木楔背严。在通槽方土垛上用工字钢支撑。
各方案的优点：
方案一：(1)加快施工速度，确保通长开槽。(2)在施工的过程中，设施加固对于方沟基础施工没有影响，与此同时基础、侧墙施工结束后，还可以利用悬吊排架支吊模浇筑混凝土顶板，这样就有助于解决沟内模板施工空间相对狭小的难题。
方案二:(1)加快施工速度，确保通长开槽。(2)直接受力于工字钢，减轻中间传力件自身的变形。(3)能随时观测管道沉降，借助于梁下千斤顶能易于调整管道受力以及消除地基变形情况，进而降低管道变形情况，更能安全施工。(4)节省施工成本，由于这项工程施工周期短，除去模板，其余材料都不考虑进行周转。经过工料分析，此方案较之方案一可以节省15%以上的资金直接投入。
两种方案存在的不足：
方案一:(1)造价相对较高，施工步骤繁多。(2)在施工的工程中，由于吊带抵抗变形能力相对较弱，且因先后受力次序差异引起管道受力不均，调整困难，较难控制管道变形。(2)排架高度超过4.5米，对横向要进行稳定加固。
方案二：(1)由于设计方沟底距离管道底部只有50米，所以支撑工字钢梁不得大于45号，而且在穿工字钢时可能会对施工造成不便。(2)支撑工字钢梁跨中集中受力，受力形式相对不利，需要设立加劲板进行加固。
依据上述分析，我们不难看出，从施工安全以及经济方面，方案二具有明显优势，即使方案二存在上述两种不足，但是通过先进技术手段是可以解决的，所以我们采用方案二。
(3)方沟模块的施工
这次模板施工难点在于以下几个方面：1)设计方沟内部空间不足，会给方沟内模支搭造成不便，必须一次支搭完成，无条件内部进行再次施工，同时考虑拆模的方便性。2)依据管理单位的相关规定，内模不允许支撑在管道之上，内侧模板固定困难。3)方沟顶板跨径大，方木无法确保刚度。
对于上述难点，我们采取以下措施：1)增强模板整体刚度，采取外斜撑，加强整体的稳定性，从而减少因内模无法设斜撑而造成跑模的可能。2)采取对拉螺栓加强内外模之间的稳定性，减少涨模，并且在内模底部及顶部设立对顶方木。3)采用3.15米长20号工字钢支撑顶板承受均布荷载，间距为0.6 m。方沟内起0.3×0.6 m排架承受竖向荷载。
三、施工过程及成效
1. 降水:
依据场地水文地质条件，上水管加固结构埋深以及降水技术要求，运用管井降水比较合适。降水管井设在沟槽外1.5 m处沿线布置井距10米，井深12 m，成孔直径600 mm，滤水管采取内径300 mm的砾石滤水管。开槽前一星期进行抽降。
2. 开挖沟槽:
井点降水已于先期进行，经过现场水位监测井测量以及现场沟槽开挖显示，井点降水已达到预期效果。对此，我们确定管道支撑土基的范围，望一次将支撑钢梁基础施工就位。
(1)开挖钢梁支点以及吊装工字钢
(2)施工基础方沟
(3)当基础混凝土到达30%以上强度时，就可以砌筑砖支墩
(4)浇筑混凝土
(5)当混凝土强度到达75%以上设计强度时，即可拆模。
四、结语
依据原计划，提前一周完成任务，为主路路基全面填筑提前创造条件，而且为今后类似施工提供了借鉴，这得益于施工方法的合理实施。
参考文献
[1]孙连溪.实用给水排水工程施工手册[M].中国建筑出版社.1998.
小管径管道 篇5
白城市、镇赉县城的城镇供水工程, 供水干线包括洋沙泡提水泵站至镇赉加压泵站输水管线, 镇赉加压泵站至于家屯输水管线。由于供水管线镇赉加压泵站前、后输水流量不同, 因此将输水管线以镇赉加压泵站为界, 分为洋沙泡提水泵站~镇赉加压泵站段, 镇赉加压泵站~于家屯段和镇赉支线段。
本次设计供水管线洋沙泡提水泵站~镇赉加压泵站段采用DN1400双管铺设, 长度为23, 941m, 管道设计流量为3.3m3/s, 双管中心线间距20米。
镇赉加压泵站~于家屯段采用DN1200双管铺设, 长度为33, 734m, 管道设计流量为2.59m3/s, 双管中心线间距20米。
镇赉加压泵站~镇赉县水厂段采用DN1000单管铺设, 长度为1, 179m, 管道设计流量为0.67m3/s, 采用重力流输水方式。
一、管材选择
根据管线选定方案, 供水管道最大工作压力不大于1.0Mpa, 并结合国内管材生产和运行的实际情况, 初步确定管材在预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢管、能力强, 工程造价较低, 对地质条件相对适应性较强。经过对实际工程运行的考察验证, 该管道适合最大工作压力 (包括供水管道发生水锤时的压力) 不大于0.4Mpa的情况。缺点:承插接口的加工精度相对较低, 管道渗漏损失相对较大, 输水安全性相对较差, 管材重量较重, 运输、施工不太方便。
(二) 预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 。
优点:可以承受较高的工作压力和外部荷载, 承插接口为钢制, 加工精度较高, 密封性能较好, 对地质条件相对适应性较强, 另外, 因管中间加入薄钢板, 有很好的抗渗性, 而且施工方便。因管道内外壁均为混凝土, 因此, 防腐能力与普通预应力钢筋混凝土管相仿。而且, 近几年成功应用到北方城市供水工程中的实例较多。缺点:管材价格较高, 管材重量较重, 运输不太方便。管道安装就位后, 管口需抹砂浆进行钝化处理。
(三) 玻璃钢管 (RPMP) 。
优点:管材强度高, 密封性能好, 重量轻, 安装快捷、方便, 耐腐蚀, 管道糙率低, 水头损失小, 水量渗漏远小于前两种管材。缺点:管道本身承受外压能力不如前两种管材, 对基础处理和回填施工技术要求较高, 回填造价高, 并且管径超过DN1000并应用到供水工程实践中的工程实例较少。
(四) 钢管。
优点:可按需要制成不同直径、壁厚、弯角的管道, 并可按需要制成不同型号的异径管、分岔管以及用于管道连接的承插口、法兰等。而且供水安全可靠性较高。缺点:耐腐蚀性差, 工程造价很高, 对外界施工环境要求较高, 对焊工施工技术水平要求高, 施工进度较慢。回填要求高于普通预应力钢筋混凝土管和预应力钢筒混凝土管。
二、管材选定
综上所述, 预应力混凝土管运行安全可靠度较低, 渗漏损失相对较大, 不太方便施工, 但由于与同等输水能力的其他管材相比较, 价格优势非常明显, 而且, 通过工程实例运行验证, 在供水管道最大工作压力 (考虑发生水锤的情况) 不大于0.4Mpa, 供水的安全可靠性还是比较高的。因此, 本工程供水管道最大工作压力≤0.4Mpa时, 供水管材采用三阶段预应力钢筋混凝土管。
夹砂玻璃钢管虽然价格相对较低, 安装快捷、方便, 但回填施工工艺要求较高, 回填造价高, 管径超过DN1000应用到供水工程中实例较少, 本工程大于DN1000的管线段暂不采用夹砂玻璃钢管。
钢管价格过高, 安装费用也高于其他管材, 性能并不优于预应力钢筒混凝土管。考虑工程造价、施工进度等方面原因, 工程主选管材不采用钢管。但同时考虑钢管的完整性、安全性等特殊性能, 在工程过河段、阀门连接等处采用钢管。
预应力钢筒混凝土管是一种复合型管材, 具有钢管抗渗、抗拉的优点, 又具有砼管抗压的优势, 能承受较高的内水压力, 适合供水管道最大工作压力≥0.4Mpa的情况。同时承插口为钢制, 加工精度较高, 密封性能较好, 克服了普通预应力混凝土管的缺点, 而且施工安装较方便。
通过对本工程供水管道的压力水头进行计算, 洋沙泡泵站~镇赉加压泵站段的23.94km输水管线最大工作压力0.31Mpa, 发生水锤时最大工作压力0.39Mpa, 因此管材采用三阶段预应力钢筋混凝土管。
镇赉加压泵站~白城市于家屯段首端的17.5km输水管线最大工作压力在0.3~0.51Mpa之间, 发生水锤时最大工作压力0.4~0.66Mpa之间, 因此该段管材采用预应力钢筒混凝土管。
镇赉加压泵站~白城市于家屯段末端的16.1km输水管线最大工作压力小于0.3Mpa, 发生水锤时最大工作压力不大于0.4Mpa, 因此该段管材采用三阶段预应力钢筋混凝土管。
镇赉加压泵站~镇赉县净水厂支线 (1.179km) 采用三阶段预应力钢筋混凝土管, 其它部位采用钢管。
三、经济管径选择
城市供水分项工程采用双管输水, 按设计水平年 (2020年) 时的供水规模, 确定洋沙泡提水加压泵站~镇赉加压泵站间的单管设计引水流量1.65m3/s (考虑日变化系数1.1) , 镇赉加压泵站~于家屯间的单管设计引水流量为1.295m3/s (考虑日变化系数1.1) , 镇赉加压泵站~镇赉县净水厂间的设计引水流量0.67m3/s (考虑日变化系数1.1) 三阶段预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管糙率0.012。
(一) 管径确定原则。
管径的确定首先应使管道在设计流量及最大引水流量条件下管顶以上沿程压力水头不小于2m, 同时应满足在某段管线发生事故时, 单管输水流量为设计流量的70%, 据此选取最经济的管径。
(二) 洋沙泡泵站~镇赉加压泵站段供水干线管径选择。
选择3种管径DN1200、DN1400、DN1600进行动态经济比较, 比较方法采用最小年成本法。年成本即计算期内需回收的基建投资 (折算成等额系列资金, 折算时间50年, 折现率10%, 电费按0.65元/kw·h计) 和年生产成本和, 最低者为经济管径。通过经济比较, 洋沙泡提水加压泵站~镇赉加压泵站段确定管径为DN1400。
(三) 镇赉加压泵站~于家屯段供水干线管径选择。
选择3种管径DN1000、DN1200、DN1400进行动态经济比较, 比较方法采用最小年成本法。年成本即计算期内需回收的基建投资 (折算成等额系列资金, 折算时间50年, 折现率10%, 电费按0.65元/kw·h计) 和年生产成本和, 最低者为经济管径。通过经济比较, 镇赉加压泵站~白城市近郊的于家屯段确定管径为DN1200。
(四) 镇赉加压泵站~镇赉县净水厂供水支线。
考虑工程运行管理方便, 减少运行电费, 节约能源, 该段管线采用重力流输水。根据镇赉加压泵站前池水位高程, 另外, 考虑镇赉县净水厂净水工艺要求的进水水位, 据此确定该段供水管径为DN1000, 计算该段管线沿程水头损失为0.9m, 满足重力流供水的条件。引嫩入白供水工程城市供水管线一期已经施工完成, 经过试运行表明, 运行情况良好。
参考文献
[1] .王长艳.供水管线工程中管材的比选和应用[J].科技情报开发与经济, 2011
小管径管道 篇6
关键词：衬氟管件,ANSYS,热形变,仿真分析
聚四氟乙烯聚四氟乙烯被称“塑料王”, 是一种使用了氟取代聚乙烯中所有氢原子的人工合成高分子材料。中文商品名“特氟隆” (teflon) 、“特氟龙”、“特富隆”、“泰氟龙”等。它是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物, 其结构简式为-[-CF2-CF2-]n-, 具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性, 是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一, 除熔融碱金属、三氟化氯、五氟化氯和液氯外, 能耐其它一切化学药品, 在王水中煮沸也不起变化, 广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。
1 钢衬聚四氟乙烯 (F4) 管道在一定温度下管径与长度变化的热应力仿真模型
在钢衬聚四氟乙烯 (F4) 管道在一定温度下管径与长度变化的热应力仿真模拟中, 长度值为200至3000mm, 200mm的递增, 2mm聚四氟乙烯壁厚, 3mm壁厚钢管的直径数据为32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm, 分析的温度值为170℃之间。简化分析为聚四氟乙烯管, 施加X向及Y向位移约束于管外径曲面上, 并施加X向、Y向、Z向位移约束于管的一个截面上 (即, 四氟层在长度方向上向一侧轴向移动) 。
聚四氟乙烯物理性能参照以前数据:密度为2200Kg/m3, 导热系数为0.256W/m·K, 比热为1.05e-5 J/kg·K, 线膨胀系数为12.8e-5/℃, 摩擦系数0.11, 泊松比为0.4, 初始温度为20℃。
2 聚四氟乙烯仿真分析及结果
在热仿真模拟分析中, 温度为170℃, 壁厚为2mm, 聚四氟乙烯管对管内液体为强制对流, 对流换热系数为1000W/ (m^2·℃) 。
利用ANSYS有限元分析软件的稳态分析, 得出在170℃的温度条件下, 不同管径的聚四氟乙烯管 (32mm、38mm、48mm、57mm、76mm、89mm、108mm、133mm、159mm、219mm、273mm、325mm、377mm、426mm) 在不同长度下的热变形量的数值, 依据这一系列对应的变形数值, 利用origin7.5建立了分析结果线图 (如图1、2mm PTFE管道不同管径长度对应的变形量所示) 。根据线图可以得出, 2mm厚度聚四氟乙烯管道, 随长度的递增, 200mm的递增量的单位变形量随管径的增大逐渐减小, 通过线图所示可见400mm内径的管道200mm递增量的变形数值只有6.14mm左右, 而25mm内径的的变形数值达到6.88mm, 上述的分析数值还能得出管径也小, 其递增变形量的波动也大, 随着管径的增大, 变形量是趋于稳定值。
根据上述数据建立的云图 (图2、2mm PTFE管道不同管径下长度对应的变形云图) , 从云图中可以发现:对于整体的聚四氟乙烯管道来说, 一定温度下对应的管径与长度的变形量处于一个平面内, 在整体考虑时可以不做微观处理, 即可以不考虑管径对变形量的考虑, 按照单位长度折算变形量即可。
3 结语
通过一定温度条件下, 2mm壁厚的聚四氟乙烯管不同管径及长度的的仿真分析, 得出了长度及管径的关联信息, 通过分析结果可见, 使用钢衬聚四氟乙烯管过程中, 对于长度及管径的关系, 整体考虑时只要考虑长度关系即可, 管径对变形量的影响可以忽略不计。温度一定的条件下, 只要钢衬聚四氟乙烯管道的长度, 可以保证管道变形在一个可接受的范围内, 并且确保在使用过程中不会因为温度的徒然变化导致管内衬里撕裂。以上结论只是利用仿真分析所得结果, 有待于生产或实践来论证, 但是通过仿真可以节约大量的人力、物力、时间。将在以后的过程中, 继续通过相关系列的仿真分析来完善相关的钢衬聚四氟乙烯管使用信息。
参考文献
[1]聂兴臻, 黄颜锋, 刘奇英.衬氟管道的热应力仿真分析[J]北京:化工管理, 2014年9月总第349期, 154-155.
小管径管道 篇7
超声波在流体中传播时将携带上流体信息,通过对超声波信号的分析可以得到流体的流速、流量。根据检测的方式的不同,超声波流量检测有传播速度差法、多普勒法等不同类型,而传播速度差法又可以分为时间差法、相位差法和频率差法[1,2]。
本文介绍了一种便携式时差法小管径超声波液体流量计,该流量计以高速数据采集和互相关数据处理技术为基础,采用双处理器结构完成信号采样、时差计算及人机交互,解决了时差法小管径超声波液体流量检测过程中波形畸变、噪声干扰、时差测量、探头安装等方面的问题。
2 时间差法流量检测原理[2]
采用时间差法进行流量检测的原理如图1所示。
假设静止液体中超声波的声速为C,流体的流速为V。超声波沿顺流方向传播时速度为C+Vcosθ,沿逆流方向传播时速度为为C-Vcosθ。将距离为L的两个超声波换能器TR1、TR2置于管壁外,设TR1发射TR2接收的传播时间为t1,TR2发射TR1接收的传播时间为t2,同时令L1=L/cosθ,可以得到式(1)和式(2)。
式(1)中的tσ1为TR1发射TR2接收时超声波两次穿过管壁的时间及电路延时,式(2)中的tσ21为TR2发射TR1接收时超声波两次穿过管壁的时间及电路延时。假设TR1发射TR2接收与TR2发射TR1接收所存在的电路延时完全相同,那么t1与t2之间的时间差Δt仅与液体流速对超声波传播速度的影响有关。t1与t2之间的时间差Δt可由式(3)进行计算。
由于超声波在液体中的传输速度C要远大于液体在管道中的流动速度V,式(3)可以简化为式(4)的形式。
由式(4)可知,在超声波换能器安装距离L及液体类型已知的情况下,可以由式(5)计算流速V。
3 系统结构原理
本文介绍的便携式时差法小管径超声波液体流量计的结构原理如图2所示。
系统采用双处理器结构,处理器MCU1负责超声波信号发射、采集时序控制及顺、逆流传播时间差计算,处理器MCU2负责流速、流量计算及修正,并完成人机交互。MCU1和MCU2之间的数据交换通过共享数据区(双口RAM)实现。
在MCU1的控制下,时序控制电路接通超声波发射电路,超声波换能器TR1、TR2同时发射超声波脉冲,经过一段时间后,TR1、TR2发射的超信号分别进入对方换能器(TR1→TR2,TR2→TR1)。在接通超声波发射电路的同时,时序控制电路启动高速数据采集电路,以40MSPS的采样速率自动完成超声波信号采集,并将数据存放在64kB的高速缓存中,实时记录下换能器TR1、TR2上所出现的一切信号。一次信号采集完成后,数据被读入MCU1进行分析处理,MCU1将通过这些采集到的数据来完成时间差的计算。MCU1计算出的时间差通过共享数据区传给MCU2,MCU2依据时间差信息计算出流速、流量及累积流量等,并将它们通过LCD模块显示出来。
4 系统硬件组成
4.1 超声波信号高速数据采集电路[3]
超声波高速采集电路包含两路ADC通道,分别记录探头TR1、探头TR2上所出现的信号。它由两路半闪烁式高速8位模数转换器TLC5540、64kB数据缓存、地址发生器、采样时钟分频器及时序控制器组成。根据所用超声波探头的不同,可以选择40MSPS、20MSPS、10MSPS、5MSPS及2.5MSPS的采样频率。对于不同的测量管径,采样数据存储深度可以选择32kB、16kB、8kB及4kB。
MCU1在启动数据采集的同时发射一次超声波脉冲。数据采集启动后,时序控制器将按所选的采样频率产生ADC的读出时序和数据缓存的写入时序,地址发生器产生数据缓存的地址序列,实现两路超声波信号同时采集,这一过程无需MCU1干预。当存储深度达到设定值时自动停止采样,并产生数据采集结束信号。在信号采样过程中,可以通过查询数据采集电路状态寄存器来判断采样过程是否结束。采样结束后,MCU1通过一个外部端口读取数据缓存中的采样值,地址发生器自动产生数据缓存的读出地址序列,使数据读取按采样数据写入的顺序进行。
数据采集电路实时记录了探头TRA、TRB上超声波发射及接收过程中所出现的一切信号。通过对两组超声波采样数据进行分析处理,可以准确的定位回波首波,判断噪声的干扰情况,剔除质量差的信号,避免回波首波出现缺陷或幅值太小对时间差测量可能带来的影响,并在此基础上精确计算出时差Δt。
4.2 共享数据区电路
共享数据区是处理器MCU1和处理器MCU2进行数据交换的场所,由双口静态存储器IDT7130及相应的辅助电路构成,它既是MCU1外部数据存储器的一部分,也是MCU2外部数据存储器的一部分。共享数据区和双处理器结构的采用大大提高了系统的响应速度,实验表明流量检测结果的刷新率不小于60Hz,最高可达到75Hz(检测结果刷新率与信号质量成正比,系统在进行时差计算前按一定的规则识别并剔除存在波形畸变或干扰严重的测量点,以保证时差测量的准确性)。
IDT7130是1kB双口SRAM,MCU1、MCU2可以通过两组独立的地址总线和数据总线对其内部的任何一个单元进行操作。共享数据区采用IDT7130的中断功能,当MCU2需要向MCU1传送数据时,首先对IDT7130的0x03FE单元进行写操作引起MCU1中断,MCU1在中断后进行中断清除操作,这样MCU1就可以从IDT7130中读取MCU2写入的数据。MCU1向MCU2传送数据也采用类似的方式。整个操作均是对外部扩展数据存储器进行读写,操作简单快捷,数据传送量大。
4.3 人机交互电路
人机交互电路包括小键盘和LCD显示两部分。键盘用于运行参数的设定及功能菜单的选择,LCD显示采用MCG12864液晶模块,用于显示中文菜单、超声波接收区波形、流速、流量、累积流量、信号强度、逆流指示及日期、时间等。
通过功能菜单,用户只需输入管道的尺寸,选择管道材料及被测流体种类,系统即可准确的测量各项参数。特殊的“探头安装向导”功能可以引导用户将探头安装在信号质量最好的位置,此时LCD将为用户显示理论的安装距离、超声波接收区波形、超声波接收区起始位置及信号强度,一旦信号稳定即可进入流量测量,极大简化了测量操作。对于信号幅度需要更改的场合,通过调整“探头安装向导”菜单中“信号增益控制”可获得理想的信号幅值。
系统设置了128kB的FLASH数据存储器,根据不同的测量需求,可以按不小于1s的时间间隔储存12000组测量数据。通过“数据上传”功能选项,可随时将数据上传到具有RS-232串口的计算机,或者通过“数据打印”选项,将测量数据进行打印存档。
5 系统软件设计
系统软件包括键盘管理、LCD显示、数据通信、时差测量、流量处理与补偿等部分。键盘管理、LCD显示、数据通信都具有较强的通用性,本文不再介绍,下面主要对时差计算部分的软件设计思想进行说明。通过数据上传端口得到的双路超声波信号如图3和图4所示,其中图3为探头发射超声波到接收对方探头超声波的整体波形,图4为接收对方超声波信号区域的放大波形。整个波形的采样长度为4096点,对方探头超声波信号开始出现在第2016个采样点处,测试所用超声波探头为5P-K3-6×6小径管探头。
时差计算程序首先完成接收对方超声波区域的搜索。程序将按用户输入的回波搜索尺度(探头安装向导中由用户输入)找出发射始波区域以后满足要求的数据区,对于存在的干扰,程序按照一定的规则加以剔除。在判定该接收波形有效后,程序转入时差计算。如图4所示,程序逐一计算点A1、A2,B1、B2,C1、C2,D1、D2,E1、E2之间的时差,在确定不存在波形畸变后程序选取A1至E1数据区间的顺、逆流数据进行互相关处理计算出顺逆流时间差,否则丢弃当前一次数据采集结果。从图4可以看出逆流方向的信号在E2点发生了畸变,程序在判定后剔除该点,E1、E2将不参加该次时差的计算,因此时间差的计算不受波形畸变、噪声干扰的影响,具有较高的测量精度。
6 系统试验结果
在不同管径、不同流速环境下的检测结果表明,本文介绍的超声波液体流量计具有较好的累积流量检测精度,但在同一管径、不同流速检测点所得到的累积流量存在一定的非线性,需要在软件上进行非线性修正。
参考文献
[1]胡天浩.浅谈超声波流量计[J].油气井测试,2003,12(4):63-65.
[2]刘琴.超声波流量计的选型与应用[J].计量装置及应用,2008,增刊1:66-70.