劉翔宇，楊騫，劉炳偉，徐雨生

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

氣源及供抽氣管道是為工藝設(shè)備提供特定壓力、特定溫度的空氣、蒸汽或其他氣體的設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)、試驗(yàn)中有其不可或缺的作用。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)廠所配套的氣源系統(tǒng)更是有流量大、壓力高、溫度范圍大、工況多、響應(yīng)快等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)石油、化工等行業(yè)對(duì)氣源系統(tǒng)的需求有所不同。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，氣源及供抽氣管道是為了模擬、滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)及其部件試驗(yàn)所需的空氣及其他氣體的需求（包括高空臺(tái)試驗(yàn)、核心機(jī)試驗(yàn)等流量較大的整機(jī)試驗(yàn)大氣源需求和部件試驗(yàn)、儀表用氣等流量較小的小氣源需求）而設(shè)計(jì)、建造的配套廠房及設(shè)備系統(tǒng)。為了保證試驗(yàn)的順利、持續(xù)進(jìn)行，需要?dú)庠聪到y(tǒng)保證供抽氣的流量、壓力、溫度、氣源品質(zhì)等達(dá)到和滿足通過(guò)試驗(yàn)需求推算得到的氣源設(shè)計(jì)要求，并保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)直到達(dá)到試驗(yàn)所需的時(shí)間要求。

由航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的特點(diǎn)決定，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所需氣源及供抽氣管道流量、壓力和溫度的變化范圍和上限都要高于一般的工業(yè)廠所，這就帶來(lái)了管徑的增大，更大的流量和管徑意味著更高的載荷和補(bǔ)償應(yīng)力，這對(duì)于管道的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是非常不利的，大幅度增大了設(shè)計(jì)難度，對(duì)于安裝支架和補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)也提出了較高的要求。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)和仿真可以盡可能的參照載荷和補(bǔ)償應(yīng)力的分布情況設(shè)計(jì)安裝支架和補(bǔ)償器的種類、數(shù)量、位置和跨距等等，提高系統(tǒng)的安全裕度和可靠性，氣源及供抽氣管道仍然可能出現(xiàn)載荷和補(bǔ)償應(yīng)力局部較大、超出預(yù)估的可能性，在這些位置載荷和補(bǔ)償應(yīng)力可能接近該處安裝支架和補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)上限，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些點(diǎn)位就是管道的“關(guān)鍵點(diǎn)”，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的安全和可靠性至關(guān)重要。目前，氣源及供抽氣管道的“關(guān)鍵點(diǎn)”，可以在設(shè)計(jì)階段，由CAESAR II等專業(yè)的管道設(shè)計(jì)軟件通過(guò)計(jì)算給出預(yù)估的位置和應(yīng)力數(shù)值，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣源及供抽氣管道各部分的宏觀位移尤其是閥門(mén)、彎頭、膨脹節(jié)等關(guān)鍵部位和應(yīng)力較大的“關(guān)鍵點(diǎn)”的宏觀位移，對(duì)整個(gè)氣源系統(tǒng)定期進(jìn)行安全性的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，對(duì)保障整個(gè)氣源系統(tǒng)機(jī)組和管道的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是非常有幫助的。

目前，氣源廠房和供抽氣管道系統(tǒng)整體噪聲還是比較大的，工作環(huán)境對(duì)人員和設(shè)備都較不友好，并伴有一定的危險(xiǎn)性。流量、壓力和溫度等基本的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的操作和控制，但是，氣源系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，往往還是難以第一時(shí)間精確地定位，一般情況下還是需要維修人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)目視、鉛錘等直接觀察的手段定位、判定某處是否存在較大的位移、振動(dòng)和泄漏，是否存在故障，在這個(gè)過(guò)程中，不免對(duì)機(jī)組的運(yùn)行和下游航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的進(jìn)行造成影響，影響項(xiàng)目進(jìn)度，對(duì)廠所效率造成不利的影響。隨著科技的發(fā)展尤其是5G、物聯(lián)網(wǎng)等新一代數(shù)據(jù)傳輸和智能管控技術(shù)的誕生和發(fā)展，使氣源及供抽氣管道的遠(yuǎn)程智能管控和遠(yuǎn)程診斷成為可能，這也是現(xiàn)階段智慧工廠和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的要求，數(shù)據(jù)的傳輸和交換代替了傳統(tǒng)的人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展工作的模式。

1 氣源及供抽氣管道日常使用的遠(yuǎn)程智能管控

氣源及供抽氣管道是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)提供特定壓力、特定溫度的空氣或其他氣體的設(shè)備，所以日常使用中最重要的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)就是流量、壓力和溫度等。目前，氣源及供抽氣管道的流量、壓力、溫度檢測(cè)技術(shù)已較為成熟，并已基本在相關(guān)廠所中采用。壓力、溫度主要采用專業(yè)的工業(yè)級(jí)傳感器進(jìn)行測(cè)量，而流量檢測(cè)主要采用渦街、超聲波等氣動(dòng)方法開(kāi)展測(cè)量的傳感器。近些年來(lái)，相關(guān)行業(yè)的研究主要集中在大管徑情況下如何保證流量檢測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)作為工業(yè)生產(chǎn)、試驗(yàn)的要求，對(duì)于流量檢測(cè)的速度和成本也有一定的限制。而大管徑的情況，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的氣源系統(tǒng)中是很常見(jiàn)的，因?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的試驗(yàn)往往面臨著大流量的工況。對(duì)大管徑氣源系統(tǒng)的流量測(cè)量直接關(guān)系著氣源系統(tǒng)能否供應(yīng)足量的空氣，進(jìn)而影響到下游航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的進(jìn)程和精度。

在直接測(cè)量方法發(fā)展的同時(shí)，速度面積法越來(lái)越多的被用于大管徑氣源系統(tǒng)的流量檢測(cè)，它是通過(guò)間接測(cè)量的方法，根據(jù)流速計(jì)算得到整個(gè)管道的流量。相比傳統(tǒng)的渦街、超聲波等流量傳感器，具有成本低、重復(fù)使用次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，性價(jià)比較為突出。但是由于廠房及工藝設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣源系統(tǒng)并不只有簡(jiǎn)單的直管段，還安裝有種類繁多的配件、附件（包括但不限于閥門(mén)、彎頭、膨脹節(jié)等），配件、附件的形式和組合千變?nèi)f化，這就對(duì)氣源及供抽氣管道中的氣動(dòng)情況和流速分布造成了難以用計(jì)算表示清楚的影響，現(xiàn)有的速度面積法一般應(yīng)用于在一定長(zhǎng)度直管段充分發(fā)展的湍流，這就造成了如果采用速度面積法去估計(jì)氣源管道的流量，就需要根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行校驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)流速分布，采取一定的系數(shù)修正流量測(cè)量的精確度。

2 氣源及供抽氣管道日常維護(hù)的遠(yuǎn)程智能管控

航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的氣源系統(tǒng)，投資巨大，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，盡可能避免計(jì)劃外的維護(hù)，提高氣源及供抽氣管道的可靠性，能有效降低維護(hù)成本。此外，遠(yuǎn)程智能管控還能降低人員風(fēng)險(xiǎn)，并能集中維護(hù)的專家力量，提升工作效率。

2.1 氣源及供抽氣管道位移的遠(yuǎn)程智能管控

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣源系統(tǒng)具有高溫、高壓的特點(diǎn)，氣源及供抽氣管道長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，很容易出現(xiàn)材料老化、蠕變、疲勞等破壞性損傷，需要及時(shí)采取相應(yīng)的措施以防危險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)氣源及供抽氣管道的宏觀位移尤其是“關(guān)鍵點(diǎn)”的宏觀位移進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，對(duì)整個(gè)氣源系統(tǒng)的安全狀態(tài)進(jìn)行定期的評(píng)估，能顯著降低上述風(fēng)險(xiǎn)。在此基礎(chǔ)上，可以規(guī)范氣源壓縮機(jī)組的啟停操作，防止操作人員的錯(cuò)誤操作，減少機(jī)組啟停對(duì)壓縮空氣管道的破壞，監(jiān)測(cè)管道超溫情況，防止管道超溫對(duì)管道的損傷。此外，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)合理制定工作計(jì)劃，安排檢修和更換易損零件，可以為人員和設(shè)備的安全保駕護(hù)航。

以波紋補(bǔ)償器的健康壽命控制為例，波紋補(bǔ)償器，也叫膨脹節(jié)，是氣源系統(tǒng)上一種補(bǔ)償管道因溫度、壓力變化而引起的位移和形變，從而保障系統(tǒng)運(yùn)行安全的零部件。但往往其工作狀況復(fù)雜，載荷及應(yīng)力較大，并且使用溫度較高，容易產(chǎn)生破壞，而一旦破壞管道內(nèi)的高壓氣體會(huì)立即泄漏，對(duì)人員和設(shè)備的安全造成極大威脅，還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。因此波紋補(bǔ)償器的健康壽命控制顯得尤為重要。波紋補(bǔ)償器在使用過(guò)程中的變形可以分為軸向變形、橫向變形、角向變形等，在使用過(guò)程中實(shí)際位移往往不能直觀地顯示，維護(hù)人員難以第一時(shí)間了解其工作狀態(tài)。檢測(cè)波紋補(bǔ)償器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，目前主要有位移和剩余疲勞壽命檢測(cè)兩種方式。

對(duì)于位移的監(jiān)測(cè)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》要求，試驗(yàn)壓力下，對(duì)于無(wú)加強(qiáng)U型波紋管，波距與加壓前的波距相比最大變化率大于15%，對(duì)于加強(qiáng)U型波紋管和Ω型波紋管，波距與加壓前的波距相比最大變化率大于20%，即認(rèn)為發(fā)生了平面失穩(wěn)；當(dāng)波紋管中間波突然出現(xiàn)橫向撓曲時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了柱失穩(wěn)；當(dāng)外壓波紋管突然出現(xiàn)波峰塌陷時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了周向失穩(wěn)。當(dāng)波紋補(bǔ)償器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，就不能發(fā)揮其位移補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

對(duì)于吸收軸向位移的波紋補(bǔ)償器應(yīng)在工作位置設(shè)置一個(gè)位移傳感器，傳感器與監(jiān)測(cè)服務(wù)器相連，將傳感器測(cè)得每次發(fā)生軸向位移的數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)服務(wù)器。對(duì)于吸收橫向及角向位移的波紋補(bǔ)償器應(yīng)在工作位置相鄰180°方向處設(shè)置一對(duì)位移傳感器，傳感器與監(jiān)測(cè)服務(wù)器相連，將傳感器測(cè)得每次發(fā)生橫向及角向位移的數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)測(cè)服務(wù)器。不論軸向、橫向及角向位移傳感器的設(shè)置，都應(yīng)在設(shè)備管道運(yùn)行前加裝，不能影響波紋補(bǔ)償器的正常工作。

波紋補(bǔ)償器的剩余疲勞壽命的檢測(cè)方法是使用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量波紋補(bǔ)償器在工作狀態(tài)下的位移量，并將該位移量傳輸給PLC，由PLC計(jì)算得到工作狀態(tài)下一個(gè)時(shí)段m內(nèi)，波紋管的W個(gè)疲勞 壽 命［Ncw］， 其 中 W=1、2、3……， 由 公 式得到波紋管剩余的疲勞壽命Nrf，其中，［Nc］為波紋管的設(shè)計(jì)疲勞壽命，PLC顯示剩余疲勞壽命值，并在剩余疲勞壽命達(dá)到設(shè)定報(bào)警值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣源系統(tǒng)面臨高溫、高壓的工作狀況，大多數(shù)常用的位移傳感器無(wú)法使用。很多廠所監(jiān)測(cè)管道位移的方法還停留在鉛錘或膨脹指示器的階段，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，不能在線得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了位移測(cè)量的時(shí)效性非常差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。在氣源系統(tǒng)出現(xiàn)事故時(shí)，不能對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，無(wú)法在當(dāng)時(shí)和事后排故、評(píng)估和追蹤氣源系統(tǒng)的安全狀況。鉛錘的精度是有限的，而對(duì)于膨脹指示器來(lái)說(shuō)，在氣源廠房的惡劣環(huán)境下，其安裝使用一段時(shí)間后也很容易產(chǎn)生測(cè)量精度的下降。對(duì)于接觸式測(cè)量方式而言，航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣源系統(tǒng)的高溫、高壓特點(diǎn)無(wú)疑帶來(lái)了很多麻煩，因此能否采用非接觸測(cè)量方式測(cè)量氣源及供抽氣管道的位移是一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以非接觸為最大特征的光電檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成為檢測(cè)技術(shù)的主流。非接觸測(cè)量技術(shù)具有不接觸、不會(huì)對(duì)被檢測(cè)物體表面造成損傷等顯著優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，非接觸式測(cè)量技術(shù)的響應(yīng)速度一般要比接觸式測(cè)量技術(shù)更高。非接觸測(cè)量技術(shù)主要有3種：超聲波測(cè)量技術(shù)、激光測(cè)量技術(shù)和圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)。

隨著5G等新一代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，圖像的實(shí)時(shí)智能識(shí)別和管控成為了可能。常見(jiàn)的圖像傳感器有CCD和CMOS兩大類。通過(guò)CCD圖像識(shí)別的壓縮空氣管道位移測(cè)量方法事先在氣源及供抽氣管道上裝有識(shí)別標(biāo)志，利用調(diào)試好的CCD相機(jī)獲取標(biāo)志物的圖像并進(jìn)行計(jì)算得到管道位移。再比如通過(guò)COMS圖像傳感器采集被測(cè)壓縮空氣管道表面的圖像信息，由相應(yīng)的處理器進(jìn)行計(jì)算，輸出數(shù)字信號(hào)，傳遞給單片機(jī)，由單片機(jī)實(shí)時(shí)顯示輸出。除此之外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于制造業(yè)和能源管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和日漸成熟，也使氣源及供抽氣管道的遠(yuǎn)程智能管控前景愈加光明。

2.2 氣源及供抽氣管道泄漏的遠(yuǎn)程智能管控

輸氣管道泄漏的檢測(cè)方法可以分為基于硬件的方法和基于軟件的方法。基于硬件的方法包括傳統(tǒng)的人工巡視，但是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)對(duì)于氣源品質(zhì)需求的特殊性，一般不能像石化行業(yè)那樣在壓縮空氣中添加臭味劑，在這種情況下人工巡視很難發(fā)現(xiàn)泄漏尤其是初期較小的泄漏；空氣采樣也是由于該原因?qū)τ诤娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)氣源系統(tǒng)不適用；在相關(guān)廠所，今天還普遍采用著在法蘭連接處等可能泄漏的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域涂抹肥皂水的較原始的方法。除此之外還在探究基于光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)的檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)管壁是否破裂間接檢測(cè)泄漏，這可以通過(guò)在管道表面貼傳感器電纜等方法實(shí)現(xiàn)，但是面臨壓縮空氣管道表面高溫的問(wèn)題，同樣也可以展望圖像識(shí)別等新技術(shù)的應(yīng)用?；谲浖姆椒ㄖ饕揽康氖菣z測(cè)管道壓力、流量等參數(shù)的變化，這些變化是由泄漏引起的，通過(guò)氣動(dòng)力學(xué)和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)和泄漏的定位。這種變化往往是微小的，通過(guò)不斷改進(jìn)程序，軟件監(jiān)測(cè)管道泄漏的精度也越來(lái)越高。近年來(lái)，信息技術(shù)發(fā)展迅速，SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)開(kāi)始在遠(yuǎn)程智能管控領(lǐng)域嶄露頭角，泄漏檢測(cè)技術(shù)是其中的一個(gè)重要組成部分。SCADA系統(tǒng)對(duì)管道流量、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)控，并進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析和處理，以此來(lái)進(jìn)行泄漏的檢測(cè)和定位。這種方法越來(lái)越成為近年來(lái)泄漏檢測(cè)和定位的發(fā)展方向。

隨著控制理論、人工智能、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，管道泄漏的檢測(cè)和定位技術(shù)也得到了很大的進(jìn)步，尤其近年來(lái)信息技術(shù)發(fā)展迅速，SCADA系統(tǒng)開(kāi)始逐漸應(yīng)用于整個(gè)園區(qū)級(jí)別的能源系統(tǒng)上，泄漏檢測(cè)和定位技術(shù)從早期的以硬件為主的方法逐步開(kāi)始向以軟件為主、軟件與硬件相結(jié)合的方法過(guò)渡，充分利用了基于軟件的方法能實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳輸信號(hào)響應(yīng)快和基于硬件的方法定位準(zhǔn)確和能顯著減少誤報(bào)的特點(diǎn)，統(tǒng)籌利用軟、硬件方法的優(yōu)點(diǎn)，克服單一檢測(cè)方法的局限性，提高氣源及供抽氣管道的自動(dòng)化水平，是未來(lái)氣源及供抽氣管道遠(yuǎn)程智能管控的發(fā)展方向。