状态监测技术在压缩天然气长管拖车在线监控上的智慧应用研究

李宁宁 杨丹 王宝良 董爱鸿

河北省特种设备检测研究院 河北 石家庄 050200

引言

压缩天然气长管拖车是天然气能源运输的重要载具。在2022年北京-张家口冬季奥运会期间清洁能源的重要保障设施。其运行状态与公共安全、国家形象息息相关。一般而言，设备从正常到故障会有一个发生、发展的过程，因此对设备的运行状况进行日常的、连续的、规范的工作状态的检查和测量，即状态监测，为设备预防检修提供依据[1]。长管拖车作为特种设备，也是状态监测的适用对象。为确保压缩天然气长管拖车安全，进行基于物联网和云平台的长管拖车天然气泄漏、结构和承压安全的状态监测是十分必要的。

长管拖车多由几只到十几只长度和直径之比大于10的大容积钢制无缝气瓶采用框架或捆扎方式头-头相连组装而成移动储罐用于充装超过20MPa压力的压缩天然气，其充装量高达7000NM3（图1）。

图1 长管拖车外形

长管拖车一般的运行流程是：从长输天然气门站或母站充装压缩天然气→公路运输→到达天然气子站或终端用户向地瓶组充装或减压供气，降压至规定压力→返回长输门站或母站充装压缩天然气。继续下一流程，如此周而复始，实现天然气的异地搬运。在这一充压、道路运输、泄压过程中，长管拖车气瓶经历了一个充压膨胀、振动颠簸、泄压收缩的过程。框架或捆扎带也经历了振动颠簸、甚至剧烈共振的过程。由于这一过程是周期性重复进行，具备疲劳损伤的形成条件。

作为承载易燃易爆介质-天然气的移动储罐，高压力、大容积、公路运输，决定了长管拖车必须严密监控，做好定期检验和运行监控。

1 长管拖车的监管现状

目前长管拖车的监管主要体现在法定检验机构定期检验和用户定期自行检查上。《压力容器定期检验规则》（TSG R7001-2013）附件D“长管拖车、管束式集装箱定期检验专项要求”规定长管拖车的检验周期为：充装天然气（煤层气）级和充装氢气的介质组别均为A级，首次定期检验周期为3年，以后定期检验周期为5年[2]。定期检验由具备资质的法定检验机构执行。《移动式压力容器安全技术监察规程》（TSG R0005-2011）规定：使用单位应做好移动式压力容器的日常检查和维护保养与定期自行检查工作。使用单位是保证移动式压力容器安全运行的责任主体[3]。

由此可见，无论是由法定检验机构还是使用单位所做的定期检验

还是日常检查，都是长管拖车处于停止运行状态下，即离线状态下的检验检查。截至目前，长管拖车在运行状态下，即在线状态下的安全监管处于空白状态。

2 长管拖车在线状态下的状态监控

长管拖车作为承载移动式压力容器的道路运输车辆，穿行在城市乡村，路况不同，装载量变化，造成其处于变振幅频繁振动状态。振动自然而然传递给长径比很大的气瓶和固定气瓶的框架和捆扎带，引起气瓶和框架和捆扎带的自振和共振。而且在充气和泄压的交替过程中周期性的膨胀和收缩，特别是气瓶在出现腐蚀减薄或机械损伤时，膨胀量超标也是引发疲劳破坏的诱因之一，需要引起足够重视。因此，开展长管拖车气瓶变形和框架振动的在线监控，特别是安全状态低，运行环境恶劣，处于寿命周期后期的长管拖车，实时监控，提前预警，是十分必要的。

长管拖车频繁的充装气，瓶体实际上处于周期性的升降压状态，管接头，端塞密封件极易发生泄漏。泄漏的持续发展，造成易燃易爆气体的集聚，达到爆炸极限，遇见明火就会爆炸起火为，造成严重事故。因此利用易燃易爆气体泄漏在线检测技术，对长管拖车进行状态 监测具有现实意义。

长管拖车在线状态监控的方案是：采用安装在运行车辆上密封部位的防爆天然气泄漏传感器，安全激光器，利用无线泄漏测量技术、激光测距技术对其天然气密封性、结构和承压稳定性进行在线监控。集成智能化数据采集处理和物联网系统，构建车辆识别，变形量智能采集、无线远程网络数据传输、云端大数据管理的监检机构辅助决策处置平台。天然气激光测距以0.1~1.0mm最小单位实现长管拖车气瓶支架的结构变形以及气瓶充放气变形的实时测量，及时发现危害运行安全的垮塌和爆炸危险并及时预警，间接监控车辆运行状态，为检验机构定期检验提供数据支撑。

3 激光测距技术在长管拖车结构振动和气瓶变形上的应用

激光具有方向性强、单色性好、亮度高等优点，由此开发的激光位移传感器非常适合距离和位移测量。激光位移传感器测距的基本原理是：由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到光电二极管上。光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。根据激光测距的量程大小，其分辨率可在0.01~1.0mm范围内。例如DZ2型激光位移传感器在7~13mm量程范围内，其分辨率可达0.01mm。DZ5型激光位移传感器在0.1~3m量程范围内，其分辨率可达1mm。下图2即为其在长管拖车气瓶膨胀收缩变形量测量上的应用。

图2 长管气瓶变形量测量

长管拖车气瓶膨胀收缩变形量测量的具体做法是：沿气瓶轴线方向水平等距对称布置激光位移传感器7个或9个。要确保气瓶中间位置即变形量最大的部位布置有位移传感器。

下图3即为其在长管拖车振动测量上的应用。

图3 长管拖车状态监测传感器布置

长管拖车振动测量的具体做法是：在气瓶或框架振动较大的部位底部垂直布置向下的位移传感器，测量气瓶或框架与地面之间的位移波动和时间来表征振动的振幅和频率。

4 天然气密封测量技术在长管拖车泄漏监控中的应用

天然气泄漏测量技术是利用催化燃烧原理，对长管拖车密封部位进行PPM量级测量的技术，可以及时发现引发爆燃的泄漏点并进行报警。基本做法是将电池供电的天然气传感器安装在长管拖车气瓶端塞、管接头等静密封点进行泄漏监控。

5 2022年北京冬奥会的监管需求

2022年北京冬奥会举办在即，压缩天然气长管拖车的监管需要引起极大重视。作为移动压力容器定期检验的政府机关，市场监管系统的特种设备检验监察部门在长管拖车的注册登记，设计制造、定期检验，维修、报废等环节等静态环节已经依法进行了监督管理。定期检验和检查只是实现了点式监管，而长管拖车在长期的道路运输在线运行过程中是否存在过量充装、超压、罐壁腐蚀减薄、泄漏、结构变形、安全阀动作异常、紧急切断阀是否动作可靠、是否发生过违规操作、震动、冲击、噪声是否异常以及是否发生过交通事故、驾乘人员资质是否合规等动态环节的运行记录则掌握不全面。由于长管拖车运营单位法律意识淡漠或利益相关，这些运行记录很多不完整，甚至有虚假和掩盖的成分存在。

因此基于2022年北京冬奥会需求，需要利用物联网平台思维，研究设计智慧型天然气泄漏数据采集系统，智慧型振动、变形数据采集系统，将天然气泄漏数据采集器、激光变形传感器和振动传感器采集的数据，无线传输到云服务器，形成远程监控系统，并设定基于报警门槛以及记录阈值。将相关示警和记录信息经判断整理后同时推送到监管机构的移动客户端和电脑客户端。为特种设备检验提供客观真实基础数据支撑，不留监管空白，补齐特种设备寿命周期中运行环节的监管短板。

6 基于特联网的长管拖车状态监测

长管拖车状态监测物联网实现方式：特种设备物联网系统分为三个层级：国家级特种设备物联网服务系统（平台），省（市）级特种设备物联网服务系统（平台）、企业级特种设备物联网系统（平台）[4]。长管拖车作为移动特种设备，而且是举办冬奥期间，可以建成省（市）级特种设备物联网系统。系统主要由感知层、网络层和应用层三部分组成[5]，具体架构如图4所示。

图4 长管拖车状态监测物联网应用