CN103383345B - 一种冻土区油气管道周围含水量监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道周围含水量监测系统。在冻土区的油气管道(2)周围安装光纤光栅含水量传感器组，所有光纤光栅传感器串联熔接，由光缆(12)引到监测站里，光缆(12)与光开关(13)连接，光开关(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，光纤光栅解调仪(14)与下位机(15)连接，下位机(15)预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理。本发明精度高、稳定性高、低成本。

Description

一种冻土区油气管道周围含水量监测系统

技术领域

本发明是一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道周围含水量监测系统，涉及长度的测量、温度的测量、其它类不包括测量、一般的控制系统和管道系统技术领域。

背景技术

冻土是一种特殊的土类，温度为负温或零温，并且含有冰的土，称为冻土。按土的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土(数小时至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(两年以上)。我国冻土非常发育，多年冻土面积约为211万平方公里，占我国国土总面积的23％，在世界上占第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭；季节性冻土面积约为514万平方公里，约占国土总面积的53.5％。其中，中深度季节冻土(＞1m)约占国土面积的1/3，主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等地。

发达国家输油管道建设已有100多年历史，很多冻土地区蕴藏有巨大的油气资源，相应地油气管道工程设计和施工成为这些地区石油工业最新的挑战。从20世纪60年代开始，大口径管道开始主导北美北部和西伯利亚多年冻土地区油气田输运市场。二战期间，克努儿(Canol)管道从加拿大罗曼井输运原油到美国的阿拉斯加州费尔班克斯市(Fairbanks)；1956年管径为203mm的油管从阿拉斯加州海因斯市(Haines)到费班克斯市修筑成功；20世纪70年代早期，前苏联多年冻土区已有输油管道；1977年，长1280km、直径为1220mm的输油管道将美国阿拉斯加州北坡低温多年冻土区的原油源源不断地输运到阿拉斯加南部的天然不冻港瓦尔迪斯(Valdez)，然后油轮将原油输运到加州。20世纪80年代中期，从加拿大罗曼井到加拿大阿尔波特(Alberta)省北部咱马(Zama)湖、长869km、口径30.5cm的环境温度管道按时完成铺设，罗曼井管道是加拿大多年冻土区第一条完全埋设的输油管道。这些管道在运营期间，均受到冻土区冻胀融沉灾害的威胁甚至破坏。其中，克努儿(Canol)管道在开始运行后前9个月，管道沿线约有700x10⁴L原油泄漏。Mackenzie河岸上一个12700m³的储油库破裂，大部分储油流入河流中。1945年日本投降后，该管道很快就被拆除；罗曼井管道沿线途经不连续多年冻土，施工和运行中遇有冻胀和融沉问题，通过长达17年的监测，发现管道沿线多年冻土持续融化和沉降导致融化深度达3-5m(湖相沉积)或5-7m(粗颗粒矿质土)，以及显著的地面沉降。

我国在多年冻土地区修建的第一条长输油气管道，即格尔木-拉萨输油管道(简称格拉线)，格拉线于1972年由中国人民解放军施工，1977年基本建成，长达1076km，管径159mm，管壁厚6mm，投资2.3x108元。格拉线工程修建和维护十分困难，全线穿越河流108条，穿越公路123处，900多公里管线在海拔4000m以上(最高处海拔5200m)，560km位于多年冻土区，冻结期长达8个月。格拉线自1977年运行以来，冻胀、融沉问题已经造成多次“露管”现象。

中俄原油管道北起漠河首站中俄黑龙江边界线，南至大庆末站，全长960多公里，途经两省五市十二个县区，穿越440公里原始森林，11条大中型河流，5个自然保护区。管道沿线地势北高南低，北部地形起伏较大，沿线为大兴安岭低山、丘陵及河谷地貌，南部为松嫩平原，地形平坦开阔；漠河-加格达奇段约460km为山区、林区、多年冻土区，多年冻土总长度约314km，其中少冰、多冰多年冻土209km，饱冰、富冰多年冻土62km，冻土沼泽43km。管道面临着严重的冻胀融沉灾害威胁。

针对管道面临的冻胀融沉问题，国内外运营单位采取了积极的应对措施。罗曼井管道1985年投产后，管道日常监测计划作为项目运行的重要组成部分一直在实施，除每周一次的飞机空中巡线外，还在管道沿线安装了大量的检测仪表以记录运行数据，并在每年9月，即管道沉降最大时进行一次现场勘测以完成管道沿线的实地调查、仪器数据的记录和滑坡地段的现场评估等工作。1989年后，罗曼井管道采用管道内检测器进行每年一次的内检测，以评估不稳定土体运动和差异性融沉对管道的影响程度，随着检测数据的不断积累和扩充，为管道技术性能的评估提供了良好的基础。Norman wells管道是第一条埋设于加拿大北部多年冻土区的油气管道，由加拿Enbridge公司负责管理和运营，在各种条令法规的要求下，已建立了一个计划周密、操作性强的监测系统，其中包括冻土融沉监测、管道内检测、翘曲上拱检测、折皱检测、边坡检测、木屑层状况检测和温度监测等七个方面的内容。格拉管道也通过定期巡线、安装压力、温度传感器等监测冻土的变化。

虽然国内外管道运营单位采取了积极的措施应对冻土区的冻胀融沉灾害，但是由于冻胀融沉灾害的形成机理非常复杂，而且不同地区的冻土特性各不相同，目前国内外并未见有成熟的监测技术，可以监测冻胀融沉灾害对管道的影响。

发明内容

本发明的目的是发明一种高精度、高稳定性、低成本的基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道周围含水量监测系统。

本发明提出了一种基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道周围含水量的监测系统。系统采用光纤光栅传感技术，对冻土及其影响下的油气管道周围含水量进行监测，并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。

本发明提出的基于光纤光栅传感技术的冻土区油气管道周围含水量监测系统，采用光纤光栅含水量传感器实时在线监测。

本冻土区油气管道周围含水量监测系统如图1所示，该系统分为现场数据采集传输子系统和数据分析显示子系统，具体包括光纤光栅含水量传感器组、现场监测站、远程监控中心。

冻土区油气管道周围含水量监测系统的总体构成如图1所示。在冻土区1的油气管道2周围安装多个光纤光栅含水量传感器a6、光纤光栅含水量传感器b7、光纤光栅含水量传感器c8、光纤光栅含水量传感器d9组成的含水量传感器组，所有传感器串联熔接，然后通过光缆12引到监测站里，光缆12与光开关13连接，光开关13与光纤光栅解调仪14连接，光纤光栅解调仪14与下位机15连接，下位机15预处理后的数据通过卫星通信模块16传输至低轨道卫星17，低轨道卫星17接收到数据后将数据转发至卫星通信模块18，卫星通信模块18将接收到的数据传输到上位机19进行分析和处理，从而实现对冻土区油气管道的安全监测。

多个光纤光栅含水量传感器a6、光纤光栅含水量传感器b7、光纤光栅含水量传感器c8、光纤光栅含水量传感器d9分别将管道周围的水分信号经光缆12传到光开关13，经光纤光栅解调仪14解调传至下位机15，下位机15调用自编的程序，控制光开关13和光纤光栅解调仪14，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过卫星通信模块16传输至低轨道卫星17，低轨道卫星17接收到数据后将数据转发至卫星通信模块18，卫星通信模块18将接收到的数据传输到上位机19进行分析和处理，判断冻土区管道的安全状态。数据的处理主要由软件完成，软件流程如图3所示。下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据根据转化为温度、水分和位移数据，上位机在接收数据后，首先将数据分类，绘制出管道周围温度和含水量及其管道位移的趋势图，并最终将三个监测数据融合，判断冻土区的稳定状态和管道的安全状况。

冻土区油气管道周围含水量监测系统的原理框图如图3所示，它分为现场数据采集传输子系统和数据分析显示子系统。现场数据采集传输子系统的组成是：光纤光栅含水量传感器的输出接光开关的输入，光开关的输出接光纤光栅解调仪的输入，光纤光栅解调仪输出接下位机的输入，下位机输出接卫星通信模块。现场数据采集传输子系统通过低轨道卫星与数据分析显示子系统连系。数据分析显示子系统的组成是：卫星通信模块输出接上位机的输入，上位机输出有冻土区水分场动态显示。

该系统的电原理如图4所示，光纤光栅含水量传感器组的FC接头分别与光开关的FC输入端口1、FC输入端口2、FC输入端口3连接，光开关的R232端口接下位机的R232端口1，光开关的FC输出端口接光纤光栅解调仪的FC输入端口，光纤光栅解调仪的LAN端口接下位机的LAN端口，下位机的VGA与显示器的VGA连接，下位机的R232端口2接卫星通信模块的R232端口，卫星通信模块将数据传输到低轨道卫星，低轨道卫星实时将数据转发至另一卫星通信模块，该卫星通信模块将接收数据由R232端口传输至上位机的R232端口，上位机对数据分析处理后由VGA端口输出至显示器。

光纤光栅含水量传感器信号经光开关13逐一导通传输至光纤光栅解调仪14，光纤光栅解调仪14解调出各光纤光栅传感器的中心波长传输至下位机15，光开关13导通信号的周期由下位机15控制。下位机15对数据进行预处理，并将处理后的数据输给卫星通信模块16，卫星通信模块16将数据传输到低轨道卫星17，低轨道卫星17实时将数据转发至卫星通信模块18，卫星通信模块18将接收数据传输至上位机，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

光纤光栅含水量传感器为自行研制传感器。光纤光栅含水量传感器利用土壤水吸力与土壤含水量有对应关系的原理研制而成，光纤光栅含水量传感器由陶土管和真空盒组成，陶土管为敏感元件，陶土管放入土壤后，土壤的水含量会导致真空盒压力的变化，而真空盒压力的变化会导致光纤光栅波长的变化，进而可以根据光纤光栅波长的变化计算出土壤的水含量。

冻土区光纤光栅含水量传感器组的构成如图4所示：在管道d36的左侧安装光纤光栅含水量传感器组37，在管道d36的右侧安装光纤光栅含水量传感器组38，在管道d36的下侧安装光纤光栅含水量传感器组39。含水量传感器组37由若干个光纤光栅含水量传感器40组成，光纤光栅含水量传感器40的数量和间隔可根据需求设置。含水量传感器组38和含水量传感器组39之间通过单芯铠装光缆41连接。光纤光栅含水量传感器组a37、光纤光栅含水量传感器组b38、光纤光栅含水量传感器组c39通过光缆接线盒42与数据采集装置连接，实现管道周围含水量的监测。

本系统的优点表现在：

(1)提出对冻土区及其影响下油气管道进行监测的系统，揭示了冻土作用下管体受力特征以及管体与冻土相互作用的特征；用多指标进行冻土影响下油气管道的安全预警；

(2)将光纤光栅传感技术应用于冻土区管道监测，该技术抗干扰、耐腐蚀、易于组网等优势明显；该技术易于实现自动实时在线监测，且成本较低。

附图说明

图1冻土区油气管道周围含水量监测原理图

图2冻土区管道含水量监测装置图

图3冻土区油气管道监测系统原理框图

图4冻土区油气管道监测系统电原理图

其中1-冻土区 2-管道a

6-光纤光栅含水量传感器a

7-光纤光栅含水量传感器b 8-光纤光栅含水量传感器c

9-光纤光栅含水量传感器d 12-光缆

13-光开关 14-光纤光栅解调仪

15-下位机 16-卫星通信模块a

17-低轨道卫星 18-卫星通信模块b

19-上位机

37-光纤光栅含水量传感器组a 38-光纤光栅含水量传感器组b

39-光纤光栅含水量传感器组c 40-光纤光栅含水量传感器e

41-单芯铠装光缆b 42-光缆接线盒c

具体实施方式

实施例.本例是一种试验系统，并在季节性冻土厚度2m、冻土类型为富冰饱冰的冻土区进行了试验，其中管道埋深2m，管体直径为813mm、壁厚为10mm、钢级X65。

冻土区油气管道周围含水量监测系统的总体构成如图1所示，原理框图如图3所示。在油气管道2周围安装光纤光栅含水量传感器6、7、8、9组成的含水量传感器组，所有传感器串联熔接，然后通过光缆12引到监测站里，光缆12与光开关13连接，光开关13与光纤光栅解调仪14连接，光纤光栅解调仪14与下位机15连接，下位机15预处理后的数据通过卫星通信模块16传输至低轨道卫星17，低轨道卫星17接收到数据后将数据转发至卫星通信模块18，卫星通信模块18将接收到的数据传输到上位机19进行分析和处理，从而实现对冻土区油气管道的安全监测。

该例的电原理如图4所示，光纤光栅含水量传感器组的FC接头分别与光开关的FC输入端口1、FC输入端口2、FC输入端口3连接，光开关的R232端口接下位机的R232端口1，光开关的FC输出端口接光纤光栅解调仪的FC输入端口，光纤光栅解调仪的LAN端口接下位机的LAN端口，下位机的VGA与显示器的VGA连接，下位机的R232端口2接卫星通信模块的R232端口，卫星通信模块将数据传输到低轨道卫星，低轨道卫星实时将数据转发至另一卫星通信模块，该卫星通信模块将接收数据由R232端口传输至上位机的R232端口，上位机对数据分析处理后由VGA端口输出至显示器。

光纤光栅含水量传感器信号经光开关13逐一导通传输至光纤光栅解调仪14，光纤光栅解调仪14解调出各光纤光栅传感器的中心波长传输至下位机15，光开关13导通信号的周期由下位机15控制。下位机15对数据进行预处理，并将处理后的数据输给卫星通信模块16，卫星通信模块16将数据传输到低轨道卫星17，低轨道卫星17实时将数据转发至卫星通信模块18，卫星通信模块18将接收数据传输至上位机，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

其中：

光纤光栅含水量传感器：选用自行设计封装的含水量传感器；

光缆：选用中天科技GYTA-12B1；

光开关：选用光隆科技SUM-FSW；

光纤光栅解调仪：选用SM130；

下位机及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

通信卫星模块：STELLAR公司的ST2500；

上位机及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

冻土区光纤光栅含水量传感器组的构成如图2所示。在管道36的左侧安装光纤光栅含水量传感器组37，在管道36的右侧安装光纤光栅含水量传感器组38，在管道36的下侧安装光纤光栅含水量传感器组39。含水量传感器组37由若干个光纤光栅含水量传感器40组成，光纤光栅含水量传感器40的数量和间隔可根据需求设置。含水量传感器组38和含水量传感器组39之间通过单芯铠装光缆41连接。光纤光栅含水量传感器组a37、光纤光栅含水量传感器组b38、光纤光栅含水量传感器组c39通过光缆接线盒42与数据采集装置连接，实现管道周围含水量的监测。

本系统在进行监测时，水分需要长期监测，根据对长期监测数据的分析，总结水分变化状态和趋势，用于管-土作用综合分析及管道潜在风险判断。

经长时间的监测，本例易于构建监测系统，易于实现冻土区和管道监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警。避免了繁琐的人工采集数据，提高了预警的精度，减少了报警时间，同时还能对报警地点进行准确定位，这对管道应急措施的采取至关重要。

Claims (2)

1.一种冻土区油气管道周围含水量监测系统，其特征是：

在油气管道(2)周围安装多个光纤光栅含水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤光栅含水量传感器c(8)、光纤光栅含水量传感器d(9)组成的含水量传感器组，所有传感器串联熔接，然后通过光缆(12)引到监测站里，光缆(12)与光开关(13)连接，光开关(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，光纤光栅解调仪(14)与下位机(15)连接，下位机(15)预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理，从而实现对冻土区油气管道的安全监测；

多个光纤光栅含水量传感器a(6)、光纤光栅含水量传感器b(7)、光纤光栅含水量传感器c(8)、光纤光栅含水量传感器d(9)分别将管道周围的水分信号经光缆(12)传到光开关(13)，经光纤光栅解调仪(14)解调传至下位机(15),下位机(15)调用自编的程序，控制光开关(13)和光纤光栅解调仪(14)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过卫星通信模块(16)传输至低轨道卫星(17)，低轨道卫星(17)接收到数据后将数据转发至卫星通信模块(18)，卫星通信模块(18)将接收到的数据传输到上位机(19)进行分析和处理，判断冻土区管道的安全状态；

该冻土区油气管道周围含水量监测系统，包括现场数据采集传输子系统，该现场数据采集传输子系统组成是：光纤光栅含水量传感器的输出接光开关的输入，光开关的输出接光纤光栅解调仪的输入，光纤光栅解调仪输出接下位机的输入，下位机输出接卫星通信模块；现场数据采集传输子系统通过低轨道卫星与数据分析显示子系统连系；数据分析显示子系统的组成是：卫星通信模块输出接上位机的输入，上位机输出有冻土区水分场动态显示；

冻土区光纤光栅含水量传感器组的构成是：在管道d(36)的左侧安装光纤光栅含水量传感器组a(37)，在管道d(36)的右侧安装光纤光栅含水量传感器组b(38)，在管道d(36)的下侧安装光纤光栅含水量传感器组c(39)；含水量传感器组a(37)由若干个光纤光栅含水量传感器(40)组成，光纤光栅含水量传感器(40)的数量和间隔根据需求设置；含水量传感器组b(38)和含水量传感器组c(39)之间通过单芯铠装光缆(41)连接；光纤光栅含水量传感器组a(37)、光纤光栅含水量传感器组b(38)、光纤光栅含水量传感器组c(39)通过光缆接线盒(42)与数据采集装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种冻土区油气管道周围含水量监测系统，其特征是所述光纤光栅含水量传感器由陶土管和真空盒组成，陶土管为敏感元件；陶土管放入土壤后，土壤的水含量会导致真空盒压力的变化，而真空盒压力的变化会导致光纤光栅波长的变化，进而根据光纤光栅波长的变化计算出土壤的水含量。