CN104613318B - 一种隧道内管道在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道内管道在线监测方法。所述方法包括管道应变监测、管道和环境温度监测、支座位移监测、管卡压力监测和远程控制部分：管道应变检测部分用于测量管道的轴向应变，管道和环境温度检测部分用于测量管道运行温度和隧道内环境温度，支座位移监测部分用于测量支座底板与隧道地面基础的相对位移，管卡压力监测部分用于监测管卡压力变化。本发明方法可以实现隧道内管道的连续监测，将隧道内管道、支座和管卡的安全状况实时传送给远程分析终端。本发明方法工程应用方便，能够提高隧道穿越管道安全管理水平。

Description

一种隧道内管道在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种隧道内管道在线监测方法，特别涉及河流穿越隧道内管道的在线安全监测方法，属于管道安全管理技术领域。

背景技术

隧道是长输管道穿越大型河流的一种主要方式，随着世界各国油气长输管道建设不断增加，管道穿越大型河流的工程日益增加。目前，河流穿越隧道主要有钻爆隧道和盾构隧道两种方式，隧道穿越纵断面通常有“斜井+平巷+斜井”、“竖井+平巷+斜井”、“竖井+平巷+竖井”三种形式。油气管道通常采用连续低支座的固定方式进行安装。由于水下隧道空间封闭且受限，在长期使用过程中可能存在渗水或积水等问题，对隧道内管道进行巡查和检修十分困难，工程中也有在隧道建成投用后对隧道充水封闭的作法。因此，在管道长期运行过程中，隧道本体及水下管道及支座的可靠性难以考察，隧道内的管道也成为安全管理的盲区。在管道运营过程中，管道内的运行压力和温度、以及环境温度都会发生变化，在温度和压力的共同作用下，管道会发生沿轴向的伸缩变形或横向的弯曲变形，从而对固定管道的支座或管卡产生受巨大的作用力，当这些作用力超设计标准后，就可能造成管卡或支座的变形和失效，甚至导致管道破坏。对于充水隧道，管道、管卡及支座的腐蚀风险更高，一旦发生管卡或支座破坏，还可能造成管道悬空、漂浮等管道失稳，并可能引发重大安全事故。因此，隧道穿越管道的安全监测，特别是河流穿越隧道管道的安全监测，对于跟踪掌握管道安全状况、制定管理维护计划、保证管道长期安全运行具有十分重要的作用。

已公开的现有技术中，有隧道本体变形监测、不良地质区域管道监测、开放空间隧道天然气泄漏监测等技术和方法，未见关于隧道内管道特别是河流穿越隧道管道的监测技术。如：专利200810072514.2公开了一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，将激光器固定于已稳定的隧道围岩内壁上，在施工隧道内不稳定围岩的初期支护上安装固定光敏位移信号监测器,根据实时的激光信号监测围岩变形，并提供信号处理与分析功能。

专利200810158286.0公开了一种隧道体元形变移动监测系统及监测方法,由激光扫描仪、CCD相机、速度计、惯导仪、中央控制装置及条形码组成，通过三维建模和模型重建,进行体元形变分析,从而可连续监测形变过程。

专利200810119556.7公开了一种滑坡对管道影响的监测预警方法和系统，包括滑坡对管道的推力监测及管道应变监测两部分，采用土压力盒光纤光栅传感器测量滑坡对管道的正面推力，采用应变光纤光栅传感器监测管道轴向应变。

专利200920225341.3公开了一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，采用可调谐二极管激光器作为激光光源，激光通过存在泄漏气体的待测区域后,由安装在隧道另一端的激光接收装置接收,由激光接收装置内光电探测器完成所接收光信号的光电转换并经激光气体分析仪分析，实现隧道内天然气管道泄漏检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种隧道内管道在线监测方法，尤其是提供一种河流穿越隧道内管道的安全监测方法。实现隧道内管道的应变和温度、支座位移、管卡压力和环境温度的连续性监测。本发明不受隧道封闭空间或隧道充水的限制，能够将隧道内管道、支座和管卡的安全状况实时传送给远程分析终端，工程应用方便，能能够提高隧道穿越管道安全管理水平。

本发明提出的监测方法包括管道应变监测部分、管道和环境温度监测部分、支座位移监测部分、管卡压力监测部分和控制部分。

其中管道应变检测部分包括以下内容：在管道上设置若干监测截面，在每个监测截面上安装若干应变传感器，用于测量管道的轴向应变。通过力学分析得知，隧道内管道变形的敏感部位位于管道线路转角处，因此所述监测截面的设置必须包括但不限于以下关键位置：①隧道进、出口处弯头两侧管道，②平巷两端管道与弯头连接处（包括斜井隧道和竖井隧道），③隧道内部锚固墩（如有）两侧。根据使用环境的需要，应变传感器通常需要进行一体化及防水封装。其中，在每个监测截面上一般需要设置三个以上的应变传感器。所述的若干个应变传感器在监测截面上应当均匀设置。

管道和环境温度检测部分包括以下内容：采用至少两个温度传感器，其中至少一个传感器与管道本体连接用于测量管道的运行温度；其余的传感器暴露在环境中，以用于测量隧道内的环境（如空间或水）温度，温度监测可以在隧道内部中间的任意位置设置一处或几处。根据使用环境的不同，温度传感器通常需要进行一体化及防水封装。

支座位移监测部分用于测量支座是否因管道变形或基础失效而导致支座底板与基础脱离。支座位移监测部分包括以下内容：采用磁致伸缩位移传感器，将其安装于支座底板并做防水处理，测量支座底板与隧道地面基础的相对位移。监测点的设置必须包括但不限于以下位置：①斜井进、出口处的支座，②平巷内的所有支座，③竖井底部和顶部的支座。根据使用环境的需要，磁致伸缩位移传感器通常需要进行一体化及防水封装。

管卡压力监测部分，用于测量管卡与管道间由于管道弯曲变形而产生的横向作用力。其包括以下内容：采用测力传感器，将其安装于管道顶部与环型管卡连接，每个管卡安装一个传感器。监测点的设置必须包括但不限于以下位置：①斜井进、出口处支座的管卡，②平巷两端靠近斜井或竖井支座的管卡；③竖井底部支座的管卡。根据使用环境的需要，磁力传感器可以选择进行防水封装。

控制部分，通常包括信号采集、信号传输、远程接收和监控系统。信号采集通过信号采集器实现，信号采集器通常包括信号线缆、采集卡、控制模块、电池模块，一般安装于隧道出口附近。监测信号经信号采集器采集处理后一般可以由无线传输器发送实现信号传输，远端无线接收器接收到监测信号并传输至监控系统。

监控系统对监测信号进行自动识别，与设定的安全阈值对比分析管道、管卡和支座的安全性，可远程控制监测信号的采集频率与周期。

本发明的隧道内管道监测方法可以实现隧道内管道、管卡、支座的监测数据的实时自动采集、远程传输、自动处理和安全报警。

本发明的优点在于：

１、实现了河流穿越隧道特别是充水隧道内管道的安全监测，解决了隧道建成投产后管道的管理和监测问题。

２、监测信息包括了管道应变、管道温度、环境温度、管卡受力、支座位移等数据，提供的监测信息全面翔实。

３、本发明方法所涉及的现场监测系统可以采用一用一备两组电池供电，不需要外部电源。采用远程监控与预警，无需人工现场采集数据，监测方法不影响管道运行，便于工程应用。

４、本发明的监控方法简单可行，可以根据不同的隧道结构形式，灵活设置监测点和监测项目，既适用于河流穿越隧道，也适用山体等其他隧道穿越管道及附属设施的安全监测。

附图说明

图1为本发明监测方法的结构示意图。

图2为本发明监测方法的流程框图。

图中标记：1为管道，2为隧道，3为管卡，4为支座，5为管道应变监测器，6为管道和环境温度监测器，7为支座位移监测器，8为管卡压力监测器，9为信号采集器，10为无线传输器，11为无线接收器，12为监控系统，13为隧道斜井，14为隧道平巷，15为隧道竖井。

具体实施方式

实例1：结合附图对本发明做进一步描述。

实例为本发明在“斜井+平巷+竖井”隧道中的应用示例。如图1所示，管道1在隧道2中敷设，管道1通过管卡3安装在一系列连续支座4上。在管道1的变形敏感处（如隧道2的斜井13的出口弯头），安装管道应变监测器5，由管道1的顶部到底部按90°间隔安装的三支应变计组成（以安装三个应变传感器为例），测量管道1的轴向应变。

在管道1位于隧道2底部的平巷14的中间部位，安装一个管道和环境温度监测器6，该监测器内有两支温度传感器，贴近管道1一侧的温度传感器测量管道1的温度，外侧传感器测量隧道2的环境或水的温度。

在隧道2内的所有支座4的底板上安装位移监测器7，测量支座4的底板与隧道2的基础间的相对位移。在隧道2内的所有管卡3上安装管卡压力监测器8，管卡压力监测器8安装在管道1的顶部与管卡3之间，测量管卡3受到的作用力。

上述所有监测器安装后进行防水封装处理，通过线缆与信号采集器9连接，监测信息由信号采集器9经信号线传输给无线传输器10。信号采集器9与无线传输器10安装于隧道2的竖井15的出口处。

无线传输器10采用GMS和GPRS信号将监测信息传输给远程无线接收器11，远程无线接收器11将监测信息传输给监控系统12，监控系统12对接收到的监测信息进行识别和分析，确定管道1、管卡3和支座4的安全状态，监控系统12通过远程控制的方式设置各监测器的监测频率和周期。

结合上述实例中的监测方法，进一步阐述本发明的原理。

如图2所示，河流穿越隧道内部的主要设施有管道、固定管道用的支座和管卡。管道运行过程中由于温度、压力的变化，导致管道发生轴向伸缩变形，可以通过测量管道轴向应变分析管道的安全状态，同时需要测量管道和环境的温度。支座和管卡是支承和固定管道的设施，当管道发生轴向伸缩变形时，由于隧道内管道线路有起伏，会造成管道同时发生横向弯曲变形，特别是在隧道斜井出口和底部、竖井出口和底部的转角部位，管道对横向弯曲变形十分敏感，这种弯曲倾向会对管卡和支座产生巨大作用力。可以通过对支座底板的位移测量来分析支座与基础是否脱离，同时该位移也反映管道的横向变形情况。同样，管卡在管道横向作用力下，有发生失效或破坏的倾向，可以通过测量管卡受到的作用力分析管卡的安全状态。

本监测方法就是根据上述原理采用管道应变监测器5、管道和环境温度监测器6、支座位移监测器7、管卡压力监测器8实现对管道1、管卡3和支座4的安全监测。监测信息经采集处理和远程传输到监控系统12后，经过自动识别后与所设定的管道应变、支座位移、管卡压力等安全阈值对比，分析各监测点处的管道1、管卡3和支座4的安全状态，如果监测结果小于安全阈值则发出安全信号，如果监测结果达到安全阈值则发出预警信号，如果监测结果大于安全阈值则发出报警信号。

本发明的监测方法应当在隧道工程建设过程中实施，在管道运行生产前投入使用并记录管道运行前的初始应变、管道与环境的初始温度、支座底板与基础间的初始位移、管卡与管道间的初始压力等信息，从而为后续监测和安全分析提供基础参考。

Claims (10)

1.一种隧道内管道在线监测方法，其特征在于，所述监测方法包括管道应变监测、管道和环境温度监测、支座位移监测、管卡压力监测和控制部分：

其中管道应变监测部分：在管道上设置若干监测截面，每个监测截面上设置若干应变传感器，用于测量管道的轴向应变；

管道和环境温度监测部分，采用至少两个温度传感器，其中至少一个传感器与管道本体连接用于测量管道运行温度；其余的传感器暴露在环境中，用于测量隧道内环境温度；

支座位移监测部分，采用磁致伸缩位移传感器，安装于支座底板，测量支座底板与隧道地面基础的相对位移；

管卡压力监测部分，采用测力传感器，安装于管道顶部与环型管卡连接，每个管卡安装一个传感器。

2.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的控制部分包括信号采集、无线传输、远程接收和监控系统。

3.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的管道应变监测部分的监测截面设置于①隧道进、出口管道与弯头连接处、②平巷两端管道与弯头连接处、和③隧道内部锚固墩两侧中的一处或几处。

4.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的支座位移监测部分的监测点设置于①斜井进、出口处的若干支座，②平巷内的所有支座，和③竖井底部和顶部的若干支座。

5.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的管卡压力监测部分的设置点设置于①斜井进、出口处的若干支座的管卡、②平巷两端靠近斜井或竖井的若干支座的管卡、和③竖井底部若干支座的管卡。

6.按照权利要求2所述的在线监测方法，其特征在于，所述的信号采集包括信号线缆、采集卡、控制模块和电池模块，用于现场监测信息的采集与处理。

7.按照权利要求2所述的在线监测方法，其特征在于，所述的信号采集器和无线传输器安装于隧道出口处。

8.按照权利要求2所述的在线监测方法，其特征在于，所述的远程接收部分接收到监测信息，并传输至监控系统，监控系统对监测信息进行自动识别，与设定的安全阈值对比，分析管道、管卡和支座的安全性，并远程设置监测信号的采集频率与周期。

9.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的应变传感器、温度传感器、磁致伸缩位移传感器和测力传感器均进行密封防水处理。

10.按照权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述的应变传感器在监测截面上均匀设置，其数量为三个以上。