CN103912792A - 基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统及其方法，包括地下管道、光纤光栅传感器以及传输光缆，传输光缆套设有保护套管，保护套管底部外壁上设有传感器孔，光纤光栅传感器通过传感器孔伸出保护套管外，并固定在地下管道外壁上；还包括埋设于地下管道上方与地表之间的标识带，标识带上每隔一段距离设有一个弯折部，标识带上设有芯片组件；在每一个光纤光栅传感器相对应的位置处设置窖井，便于更换及维护光纤光栅传感器以及传输光缆。光纤光栅传感器由光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器并连组成，在每一个监测点同时监测地下管道外壁的应变和温度，对泄漏事件进行二维反应，对监测地下管网的泄漏隐患更加准确有效。

Description

基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统及其方法

 

技术领域

本发明涉及一种地下管道泄漏预警系统，特别是涉及一种基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，用于对地下管道泄漏情况实现精确自动预警，并且便于更换及维护整个系统。

 

背景技术

随着社会经济和人民生活水平的提高，各种建筑物群越来越多，与其配套的水、电、暖、燃气等管道、电线电缆以及通信光缆等地下管道在地下四处延伸。为防止再建设或埋设其他设施挖掘地沟时挖断地下的管、线等埋设物，本申请人于2004 年11 月25 日申请了授权公告号为CN2745074Y的实用新型专利“地下管道标识带”，当挖掘机向下挖掘时，首先挖到的会是标识带，发现后会根据标识带上标注的地下管道的相关信息小心处理，因此地下管道会受到保护，不会因挖坏地下管道造成经济损失，保证了人们生产、生活的正常进行。

然而，这种标识带只能在即将挖到地下管道时显示此处具有地下管道，无法对埋设物的具体信息如埋设时间、深度、管线交叉的具体形状或地下管道的类型用途等进行识别和定位，不能实现透明、“可视”地智能管理。为解决此问题，本申请人于2012年4月18日申请了授权公告号CN201892750U的实用新型专利“地下埋设物标识装置及标识系统”，包括铺设于地下管道上部与地表之间的标识带和芯片，芯片中储存规范具有互通性的各种数据，如埋设沟的信息；地下管道自身的信息；地下管道的埋设时间、埋设深度、管线间的距离及位置、具体交叉情况等，并通过监测装置实现对地下管道的识别，用计算机网络展现信息交换和共享，以达到对地下管道的透明管理。但是在应用过程中发现该技术还存在以下不足：

地下管道由于产品质量、铺设技术、自然破损以及人为因素所造成的漏水、漏气、漏油、漏电情况，每天都在不同程度的发生，该装置不能在埋设管道初级冒漏时期进行自动预警。

现有各种埋设管道因各种原因导致的泄漏和爆管均可以通过埋设于管道下方或附加于管道外的各种电传感器监测发现。例如，监测埋设于地下的管道的泄漏可以通过管道两端的压力传感器监测管道两端的压力差发现中间是否有泄漏发生。由于成本的原因，两个传感设备之间通常具有一定的距离，所以这种方式无法给出精确的泄漏位置。另外一种方案是通过外加于管道外的电传感器来实现泄漏监测。这些使用电传感器的方案都需要解决为埋设于地下的电传感器供电的问题，目前，只能通过电池实现，维护非常不方便。不仅如此，由于油气管道等地下管道属于易燃易爆类设备，电学传感器在油气管道等地下管道的应用存在防爆等安全因素，并且存在着易受电磁信号干扰、信号不能远传、系统可靠度低等问题。

埋地管道泄漏会导致泄漏点周围的温度和它本身原来的温度以及管道沿线其它地方的温度的变化，因而可以通过在埋地管道的下方布设传感光缆，利用光缆对温度的敏感来监测泄漏。使用光缆作为传感器的方案虽然没有电传感器的供电导致的维护困难的问题，但这种方案只能监测管道是否有泄漏的问题，而不能监测管道本身的变化如应力变化等因素导致管道自身的质量发生的变化，从而防患于未然。

光纤光栅是一种新型的无源传感器件，不受电磁干扰，可以用来检测应变、应力、温度、振动等参量，具有体积小、质量轻、防火防爆、可实现准分布式测量和电绝缘等优点；另一方面，光纤光栅还有一个明显优于其它光纤传感器的地方，就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗、能方便地使用波分复用技术口，因此光纤光栅传感器非常适用于石油化工等领域。

2007年2月刊登在《激光技术》第31卷第1期的文章《应用在油气管线的光纤光栅温度应变传感系统》中，在进站口和出站口各安装一个光纤光栅温度传感器，在站中安装一个压力传感器，获得油气管线中原油压力和温度的变化量，从而根据不同的应变和温度值，在站中采取相应的加温加压或减压等措施，确保原油在输油管线顺利外输；但是这种系统只能发现油气已经大量泄露时的情况，而不能够在泄露初期及时预报；2013年10月刊登在《传感技术学报》第26卷第10期的文章《基于短栅区光纤光栅传感器的油气管线腐蚀在线检测系统研究》中，在油气管线外表面沿周向布设光纤光栅应变传感器，监测油气管线周向应变，从而监测油气管线腐蚀情况，防止原油泄漏。但是这种系统只是对每一个测量点进行单一温度监测或者单一应变监测，监测数据过于单一，误报率较高。授权公告号为ZL03137597.9的中国发明专利“一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试系统”中将光纤光栅传感器及传输光纤埋入油气管线管壁中进行地下管道的监测，但是这种系统当光纤光栅传感器或者传输光纤发生故障时，将无法完成更换，造成油气管线无法重复使用的问题。

 

发明内容

 本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种能对每一个监测点同时进行温度和应变监测，提高泄漏检测精确度，而且便于更换光纤光栅传感器和传输光缆的地下管道泄漏预警系统及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，包括地下管道、固定在所述地下管道外壁上的光纤光栅传感器以及与所述光纤光栅传感器相连的传输光缆，所述光纤光栅传感器构成光纤光栅传感器阵列；所述套管式地下管道泄漏预警系统还包括埋设于地下管道上方与地表之间的标识带，所述标识带上每隔一段距离设有一个弯折部，在所述弯折部的根部用连接线对接；所述标识带上设有芯片组件；所述套管式地下管道泄漏预警系统还包括宽带光源、光纤光栅波长解调仪以及远程监控与报警终端，所述宽带光源为所述光纤光栅传感器提供光源，所述光纤光栅波长解调仪接收并分析所述光纤光栅传感器反射的中心波长，并传送至所述远程监控与报警终端；所述标识带上方铺设有保护套管，所述保护套管底部外壁上设有传感器孔，所述保护套管内铺设传输光缆，所述光纤光栅传感器通过所述传感器孔伸出所述保护套管外，进而固定在所述地下管道外壁上。

作为本发明的进一步改进，在每一个所述光纤光栅传感器对应的位置处设有窖井，所述窖井从地表延伸至所述地下管道侧面，所述光纤光栅传感器通过所述传感器孔、窖井到达所述地下管道外壁，并固定在所述地下管道外壁上，在所述窖井内能够对所述光纤光栅传感器进行安装与拆卸操作。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，所述光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器采用并连方式连接，并封装成一体。

作为本发明的进一步改进，所述套管式地下管道泄漏预警系统还包括隔离器、耦合器、光开关，所述宽带光源的输出端与所述隔离器的输入端相连，所述隔离器的输出端与所述耦合器的输入端相连，所述耦合器的输出端与所述光开关相连，同时所述耦合器通过所述传输光缆与所述光纤光栅传感器阵列相连，所述光开关与所述光纤光栅波长解调仪相连，所述光纤光栅波长解调仪通过有线或无线的方式与所述远程监控与报警终端相连。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅传感器的固定位置为所述地下管道每隔一段距离处，或者选自以下位置中的一处或它们的组合：所述地下管道的进入端、衔接处、变接处、坡度变化处、拐弯处、交叉处、铁路和道路穿越处以及特别强调处。

作为本发明的进一步改进，所述保护套管的材料可为树脂材料或者其他能够保护传输光缆的材料。

作为本发明的进一步改进，所述的芯片组件包括芯片、固化层、弹性层和保护层，在芯片的外面从内至外依次包覆固化层、弹性层和保护层。

    本发明还公开了一种应用上述基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统的方法，包括如下步骤：

 a. 在地下管道上方与地表之间铺设标识带，在标识带上铺设保

护套管，所述保护套管底部外壁上设有传感器孔，所述保护套管内铺设传输光缆，传输光缆上连接光纤光栅传感器，光纤光栅传感器通过传感器孔伸出所述保护套管外；

 b. 在需要安装传感器的对应位置处开设窖井，窖井从地表延伸

至地下管道外侧，光纤光栅传感器从传感器孔、窖井到达地下管道外壁上，进而固定在所述地下管道外壁上，所述窖井内能够对所述光纤光栅传感器进行安装与拆卸操作；

    c. 当光纤光栅传感器和/或传输光缆部分出现故障需要更换维修时，可先在故障光缆对应的每一个窖井处将光纤光栅传感器从地下管道外壁上拆卸下来，然后在故障光缆两端的窖井内将传输光缆从保护套管内拉出，更换好后再从反方向将传输光缆3牵拉至相应位置，即可恢复整个系统。

本发明的有益效果是：

1. 本发明光纤光栅传感器为光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器的组合，在每一个监测点同时监测地下管道外壁的应变和温度，对泄漏事件进行二维反应，对监测地下管网的泄漏隐患更加准确有效。

2. 本发明套管式地下管道泄漏预警系统可通过窖井很方便地对光纤光栅传感器或者传输光缆进行更换及维护，系统使用率高。

3. 光纤光栅传感器是一种光纤无源器件，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、强度高、耐高温、寿命长、无连接损耗、可远距离传输等优良特性；且光纤光栅轻巧柔软可以制成光栅串，可根据不同测量要求，构建点阵、面阵和体阵等多种传感网络结构，通过与光通信系统的波分复用、时分复用技术相结合可构建多点多区域传感系统，实现传感系统的智能化，与传统电类传感器安装相比，节省了大量电缆及施工费用。

4. 标识带及其上的芯片可对地下管道进行一定的保护，并对地下管道进行识别，可达到对地下管道的透明管理，避免正常或非正常挖掘的情况下因信息闭塞而造成破坏。

 

附图说明

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细阐述：

图1为本发明预警系统的结构示意图。

图2为本发明预警系统的结构俯视图。

图3为本发明预警系统中光纤光栅传感器的结构框图。

图4为本发明预警系统的原理框图。

图5为本发明预警系统中标识带的结构示意图。

图中：1：地下管道；2：光纤光栅传感器；21：光纤光栅应变传感器；22：光纤光栅温度传感器；3：传输光缆；4：保护套管；5：传感器孔；6：窖井；7：宽带光源；8：隔离器；9：耦合器；10：光开关；11：光纤光栅波长解调仪；12：标识带；13：弯折部；14：连接线；15：芯片组件。

 

具体实施方式

   下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

   实施例1：

   如图1和图2所示，基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，包括地下管道1、埋设于地下管道1上方与地表之间的标识带12，具体地，标识带12埋设在地下管道1上方30~70cm处；标识带12上方铺设有保护套管4，保护套管4底部外壁上设有传感器孔5，保护套管4内设有传输光缆3，传输光缆3上连接有光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2通过传感器孔5伸出保护套管4外，并固定在地下管道1外壁上；在每一个光纤光栅传感器2相对应的位置处设置窖井6，窖井6从地表延伸至地下管道1侧面，光纤光栅传感器2通过传感器孔5、窖井6到达地下通道1外壁，并固定在地下管道1外壁上。在窖井6内能够对光纤光栅传感器2进行安装与拆卸；当传输光缆3部分出现故障需要更换维修时，可在故障光缆两端的窖井6内将传输光缆3从保护套管4内拉出，更换好后再从反方向将传输光缆3牵拉至相应位置，采用此种装置及方法，可以方便更换维护光纤光栅传感器2以及传输光缆3。  

标识带12为本申请人于2012年4月18日申请了公开号CN102707335.A的发明专利“地下埋设物标识装置”中所描述的标识带，在所述的标识带12上每隔一段距离设有一个弯折部13，在该弯折部13的根部用连接线14对接，连接线14的作用就是形成弯折部13，以便在施工时弯折部13有固定的位置和尺寸，不需要施工人员在现场将标识带12打折形成弯折部13。连接线14不需要很结实，只要在施工时能够固定住弯折部13即可，施工后就失去作用。当以后地面出现错位、裂纹或其他变形时，标识带12受到拉伸力的作用后，连接线14已经失去连接作用或被拉断，标识带12的弯折部13弥补被拉伸的长度而避免标识带12断开损坏。

标识带12上还设有芯片组件15，所述的芯片组件15包括芯片、固化层、弹性层和保护层，在芯片的外面从内至外依次包覆固化层、弹性层和保护层。芯片可选用 RFID 芯片或其它种类芯片，本实施例对此不做限制，芯片中储存着规范具有互通性的各种数据，如地下埋设物的埋设时间、埋设深度、管线间的距离及位置、具体交叉情况等，以便识别与定位各处地下埋设管道。

使用时，需要结合监测装置，监测装置包括感应模块、存储器和网络通信模块，当再建设或埋设其他设施挖掘地沟时接触到标识带和芯片时，利用芯片的射频自动识别，感应模块对标识装置中的芯片进行感应，并将感应信息传送至存储器存储，网络通信模块对存储器的存储数据进行读取并通过互联网相连接传送至上位机，达到对地下埋设物的识别与定位，用计算机网络展现信息交换和共享，进行信息交换和通信，实现对地下埋设管道的识别与定位，以达到对地下埋设管道的透明、“可视”管理。

保护套管4的材料可为树脂材料或者其他能够保护传输光缆3的材料。保护套管4的设置可以保护传输光缆3不受外界环境损坏，并且便于更换及维护传输光缆3与光纤光栅传感器2。

如图3所示，本发明的光纤光栅传感器2为由光纤光栅应变传感器21与光纤光栅温度传感器22组成的组合式传感器，其中光纤光栅应变传感器21与光纤光栅温度传感器22并连在一起，封装成一体。在每一个监测点同时监测地下管道外壁的应变和温度，对泄漏事件进行二维反应，对监测地下管网的泄漏隐患更加准确有效。

如图4所示，本发明地下管道泄漏预警系统还包括宽带光源7、隔离器8、耦合器9、光开关10以及光纤光栅波长解调仪11，宽带光源7的输出端与隔离器8的输入端相连，隔离器8的输出端与耦合器9的输入端相连，耦合器9的输出端与光开关10相连，同时耦合器9通过传输光缆3与光纤光栅传感器阵列相连，可以同时连接多通道的光纤光栅传感器阵列，光开关10与光纤光栅波长解调仪11相连，光纤光栅波长解调仪11通过有线或无线的方式与远程监控与报警终端相连。所述宽带光源7为光纤光栅传感器2提供光源，所述光纤光栅波长解调仪7接收光纤光栅传感器2反射的中心波长，并进行分析。

光纤光栅传感器2的固定位置可以是所述地下管道1每隔一段距离处，例如每隔500m处，或者在光纤有效传感距离内，根据实际需要适当设计监视密度，只要在光纤光栅传感器2相应的位置处设置窖井即可；也可以设置在选自以下位置中的一处或它们的组合：所述地下管道1的进入端、衔接处、变接处、坡度变化处、拐弯处、交叉处、铁路和道路穿越处以及特别强调处。

光纤光栅传感器2的固定方式可以采用工业上普遍的连接方式，例如粘贴式：先将地下管道1表面的保护层、保温层及防腐层去除，并将管道表面打磨光滑，清洁干净后使用胶水将封装好的光纤光栅粘贴到地下管道1相应位置，布设完成后对地下管道1进行复原；当然，也采用其他简便易行的固定方式，如卡入式等等，本实施例对此不作限制。

本发明的传感预警原理如下：     

当宽带光源7的光通过隔离器8、耦合器9到达光纤光栅传感器2时，光纤光栅传感器2将反射其中以布拉格波长为中心波长的窄谱分量。光纤光栅反射中心波长与介质折射率有关，并且在温度、应变变化时，中心波长也会随之变化。

每个光纤光栅传感器2都标有号码，并且每个光纤光栅传感器2都有自己确定的位置，各个光纤光栅传感器2返回的光进入光纤光栅波长解调仪11并被记忆。

也可以采用多区波分复用技术，该技术对地下管道1进行分区，在同一个泄露预警分区采用布拉格中心反射波长相同的光纤光栅传感器2，在不同的泄露预警分区采用布拉格中心反射波长不同的光纤光栅传感器2，每个监测区域按一定的间隔分布全同光纤光栅传感器2，这样，任一光纤光栅传感器2附近的温度发生变化，都会被光纤光栅波长解调仪11获得，并通过波长的不同确定泄露发生的分区位置。当地下管道1如石油管道发生泄漏时，会造成地下管道1外壁的应力发生变化，光纤光栅应变传感器21将检测到应变变化信息，同时泄漏的石油温度也会被光纤光栅温度传感器22检测到，此时光纤光栅传感器2反射中心波长会根据这两种变量的变化产生相应的变化，通过光纤光栅波长解调仪11检测反射中心波长的变化，就可以间接检测温度、应变的变化，并通过有线或无线方式将预警信息传送至远程监控与报警终端，从而引起报警。这种多区波分复用的方法，大大增加了系统的测量距离和测量点数，使之能够应用到更长距离的监控场所，准确地完成火灾报警监测。

    实施例2：

    本发明还公开了一种应用上述基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统的方法，包括如下步骤：

a. 在地下管道1上方与地表之间铺设标识带12，在标识带12上铺设保护套管4，所述保护套管4底部外壁上设有传感器孔5，所述保护套管4内铺设传输光缆3，传输光缆3上连接光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2通过传感器孔5伸出所述保护套管4外；

b. 在需要安装传感器4的对应位置处开设窖井6，窖井6从地表延伸至地下管道1外侧，光纤光栅传感器2从传感器孔5、窖井6到达地下管道1外壁上，进而固定在所述地下管道1外壁上，所述窖井6内能够对所述光纤光栅传感器2进行安装与拆卸操作；

c. 当光纤光栅传感器2和/或传输光缆3部分出现故障需要更换维修时，可先在故障光缆对应的每一个窖井6处将光纤光栅传感器2从地下管道1外壁上拆卸下来，然后在故障光缆两端的窖井6内将传输光缆3从保护套管4内拉出，更换好后再从反方向将传输光缆3牵拉至相应位置，即可恢复整个系统。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本法迷宫呢的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，包括地下管道（1）、固定在所述地下管道（1）外壁上的光纤光栅传感器（2）以及与所述光纤光栅传感器（2）相连的传输光缆（3），所述光纤光栅传感器（2）构成光纤光栅传感器阵列；所述套管式地下管道泄漏预警系统还包括埋设于地下管道（1）上方与地表之间的标识带（12），所述标识带（12）上每隔一段距离设有一个弯折部（13），在所述弯折部（13）的根部用连接线（14）对接；所述标识带（12）上设有芯片组件；所述套管式地下管道泄漏预警系统还包括宽带光源（7）、光纤光栅波长解调仪（11）以及远程监控与报警终端，所述宽带光源（7）为所述光纤光栅传感器（2）提供光源，所述光纤光栅波长解调仪（11）接收并分析所述光纤光栅传感器（2）反射的中心波长，并传送至所述远程监控与报警终端；其特征在于：所述标识带（12）上方铺设有保护套管（4），所述保护套管（4）底部外壁上设有传感器孔（5），所述保护套管（4）内铺设传输光缆（13），所述光纤光栅传感器（2）通过所述传感器孔（5）伸出所述保护套管（4）外，进而固定在所述地下管道（1）外壁上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，其特征在于：在每一个所述光纤光栅传感器（2）对应的位置处设有窖井（6），所述窖井（6）从地表延伸至所述地下管道（1）侧面，所述光纤光栅传感器（2）通过所述传感器孔（5）、窖井（6）到达所述地下管道（1）外壁，并固定在所述地下管道（1）外壁上，在所述窖井（6）内能够对所述光纤光栅传感器（2）进行安装与拆卸操作。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器（2）包括光纤光栅应变传感器（21）和光纤光栅温度传感器（22），所述光纤光栅应变传感器（21）和光纤光栅温度传感器（22）采用并连方式连接，并封装成一体。

4.根据权利要求3所述的套管式地下管道自动预警系统，其特征在于：还包括隔离器（8）、耦合器（9）、光开关（10），所述宽带光源（7）的输出端与所述隔离器（8）的输入端相连，所述隔离器（8）的输出端与所述耦合器（9）的输入端相连，所述耦合器（9）的输出端与所述光开关（11）相连，同时所述耦合器（9）通过所述传输光缆（3）与所述光纤光栅传感器阵列相连，所述光开关（10）与所述光纤光栅波长解调仪（11）相连，所述光纤光栅波长解调仪（11）通过有线或无线的方式与所述远程监控与报警终端相连。

5.根据权利要求4所述的套管式地下管道自动预警系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器（2）的固定位置为所述地下管道（1）每隔一段距离处，或者选自以下位置中的一处或它们的组合：所述地下管道（1）的进入端、衔接处、变接处、坡度变化处、拐弯处、交叉处、铁路和道路穿越处以及特别强调处。

6.根据权利要求4所述的套管式地下管道自动预警系统，其特征在于：所述保护套管（4）的材料可为树脂材料或者其他能够保护传输光缆（3）的材料。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统，其特征在于：所述的芯片组件包括芯片、固化层、弹性层和保护层，在芯片的外面从内至外依次包覆固化层、弹性层和保护层。

8.一种应用如权利要求1至7所述的基于光纤光栅的套管式地下管道泄漏预警系统的方法，包括如下步骤：

    a. 在地下管道（1）上方与地表之间铺设标识带（12），在标识带（12）上铺设保护套管（4），所述保护套管（4）底部外壁上设有传感器孔（5），所述保护套管（4）内铺设传输光缆（3），传输光缆（3）上连接光纤光栅传感器（2），光纤光栅传感器（2）通过传感器孔（5）伸出所述保护套管（4）外；

    b. 在需要安装传感器（4）的对应位置处开设窖井（6），窖井（6）从地表延伸至地下管道（1）外侧，光纤光栅传感器（2）从传感器孔（5）、窖井（6）到达地下管道（1）外壁上，进而固定在所述地下管道（1）外壁上，所述窖井（6）内能够对所述光纤光栅传感器（2）进行安装与拆卸操作；

       c. 当光纤光栅传感器（2）和/或传输光缆（3）部分出现故障需要更换维修时，可先在故障光缆对应的每一个窖井（6）处将光纤光栅传感器（2）从地下管道（1）外壁上拆卸下来，然后在故障光缆两端的窖井（6）内将传输光缆（3）从保护套管（4）内拉出，更换好后再从反方向将传输   光缆3牵拉至相应位置，即可 恢复整个系统。