CN104613885B - 一种隧道内管道监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道内管道安全监测与预警系统。该监测系统由管道变形测量单元、温度测量单元、支座位移及反力测量单元、水位探测单元、现场数据采集处理单元、现场声光报警器、远程分析与控制终端、光缆组成。各测量单元的监测信号由多通道解调模块和现场分析处理模块采集和处理，经无线传输模块由GPRS协议传输到远程分析与控制终端，由控制系统软件实现对监测信号的记录统计和预警分析，并进行安全阈值的设置、监测系统的远程控制和现场声光报警。该监测系统模块化和多通道设计，可以根据监测需要配置不同的监测项目和多组监测点，能够满足山体、河流等各种隧道穿越管道的监测预警，实现隧道内管道自动远程智能监测管理。

Description

一种隧道内管道监测预警系统

技术领域

本发明是一种隧道内油气管道安全监测预警系统，特别涉及山体及河流穿越隧道内油气管道的在线监测与安全预警，属于管道安全及测量技术领域。

背景技术

我国管道工程正处于高速发展时期，越来越多的管道要经过各种地质形貌区域，其中，隧道是管道穿越复杂山体和大型河流的一种主要方式。管道用隧道一般具有截面积小、穿越线路多样等特点，即隧道在满足管道安装需要的情况下，截面积尽可能小以减少开挖工程量，隧道线路可根据地形地质条件灵活设计。如山体隧道线路可采用“一”字型、“人”字型、折线型等，线路坡度可取0~30°；河流隧道线路可采用“U”字型、倒梯型或二者组合型；隧道长度则从几百米到几公里不等。隧道内的管道多采用支座式的安装方法，即在隧道内设置一系列连续的低支座，通过管卡将管道架空安装并固定在支座上，该方法施工方便、利于后期维护，适用于各种隧道线路类型，因此在隧道工程中广泛应用。

管道用隧道多为封闭空间，管理维护困难，特别是对于长距离山体隧道或河流隧道，由于通风、排水等问题，对隧道管道进行安全巡检的难度大、风险高。管道在运行使用过程中，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，特别是隧道线路有起伏变化时，线路转角处管道的变形更加显著。隧道越长管道因温度和内压变化而发生的变形程度越大，管道安全风险也越高。一方面，伸缩和弯曲变形会在管道内部产生巨大的内力，导致局部应力升高，失效风险增加；另一方面，支座、管卡或固定墩可能因无法承受管道变形带来的巨大作用力而发生破坏，从而失去对管道的固定作用，导致管道严重变形甚至破坏。此外，隧道内环境潮湿，管道、管卡及支座的腐蚀风险较高，尤其是河流隧道还有建成后充水的做法，如果管卡或支座破坏会造成管道悬空、漂浮并可能引发重大安全事故。隧道空间受限，一旦发生事故抢维修十分困难，隧道及其管道的安全管理是管道公司面临的难题。

传统上，管道用隧道在投用以后采用定期巡检的方法，每间隔一定时期专业人员进入隧道对管道、管卡、支座以及隧道结构本体进行检查。这种人工巡检的方法存在的主要问题：一是隧道空间相对封闭，要保持良好通风和照明才能进入，有些隧道长达几公里，巡检工作量大、安全风险高；二是管道、管卡和支座的变形通过人工检查的方式难以发现；三是无法实时掌握隧道内管道及附属设施的安全状态，往往是事后发现和处理；四是河流隧道内可能存在积水，巡检前要进行排水和通风作业，工程量巨大，如果隧道建成后进行了充水保护，巡检前的准备工作和难度更大。因此，隧道内管道的安全监管就成为管道运行管理中难点和薄弱环节。

已公开的现有技术中，有隧道结构本体的变形监测、不良地质区域管道监测预警、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的安全监测及预警技术。

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。

因此，开发隧道管道安全监测预警系统，对于跟踪掌握管道安全状况、提高管道管理水平、保证管道长期平稳运行具有十分重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种隧道内管道的安全监测预警系统，实现对管道及其附属设施安全状况的连续监测和事故报警，解决目前隧道管道缺乏有效监测手段的问题。

本发明的技术方案如下：一种隧道内管道安全监测与预警系统，其特征在于，所述系统包括管道变形测量单元1、温度测量单元2、支座位移及反力测量单元3、水位探测单元4、现场数据采集处理单元5、现场声光报警器6和远程分析与控制终端7；其中管道变形测量单元1、温度测量单元2、支座位移及反力测量单元3、水位探测单元4通过光缆连接到现场数据采集处理单元5。

本系统的监测预警原理如下：

隧道内管道采用连续支座的安装方式时，管道被安装在间距10m至15m的一系列支座上，并由环形管卡固定。在管道投用后，管道温度随输送介质温度发生变化，与初始安装时存在温度差，温度差导致金属管道发生轴向伸缩变形。同时，管道因承受输送介质压力而产生环向应力，由于力学中的泊松效应，在管道内部产生轴向应力，也导致管道发生轴向的伸缩变形，轴向伸缩变形还会造成管道横向变形和失稳，从而对管卡和支座产生巨大作用力。

根据管道力学理论，温度和内压联合作用下时直管段的轴向应力，其中，是管材弹性模量、温度系数、是温度差、是泊松比、是管道内压、是管道直径、是管道壁厚。

由力学分析可知，隧道洞口或底部的弯管段的变形最为显著，管道发生破坏倾向最大。因此，隧道内管道本体的监测重点是弯管段。管道变形测量单元结构示意图见图2。分布式光纤光栅应变传感器101用于测量管道9的应变。每个测点包括2对4个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅位移传感器。传感器101A、传感器101B用于测量管道顶部的轴向应变和环向应变，传感器101C、传感器101D用于测量管道侧向90°的轴向应变和环向应变。光纤光栅位移传感器102用于测量管道9与管卡10之间的相对位移。每一测点的多个传感器采用并联方式，由光纤连接到光分路器103，再经过光纤接线盒104连接到光缆。

温度测量单元2由两个光纤光栅温度传感器组成，光纤光栅温度传感器201测量管道本体的温度，光纤光栅温度传感器202隧道环境的温度。根据监测温度和初始安装温度之间的温度差、管道运行压力和管道自身参数，可以采用理论方法计算出管道的轴向应力。

管道的轴向或横向变形，会对管卡和支座产生巨大作用力，一方面较大的作用力可能造成管卡或支座破坏，另一方面如果隧道建设时存在施工质量问题，也会造成支座失效，而失去固定作用。因此，需要对管卡和支座进行监测。支座位移及反力测量单元3结构示意图见图3。光纤光栅位移传感器301用于测量支座底板12和隧道底板13间的相对位移。如果支座底板和隧道地面基础间监测到的累计相对位移大于5mm，则认为支座失效。光纤光栅压力传感器302用于测量管道9与管卡10之间的压力，压力的安全阈值可根据管卡的极限承载能力设置。两个传感器采用串联方式，由光纤连接到光纤接线盒303再连接到光缆。

对于河流穿越隧道，隧道内是否积水，或者对于充水隧道，隧道内水位的变化，都是影响隧道和管道安全的重要因素。因此，本发明的隧道内管道安全监测预警系统还可以包括水位探测单元4。水位探测单元4采用光纤光栅水位计401，测量隧道内的水位高度。光纤光栅水位计安装于隧道内部最低点，通过测量环境压力确定积水深度。光纤光栅水位计401可串联到距离最近的支座位移及反力测量单元。

管道变形测量单元1、温度测量单元2、支座位移及反力测量单元3、水位探测单元4均通过光缆连接到现场数据采集处理单元5，对监测信号进行处理和传输。现场数据采集处理单元5由多通道解调模块501、信号分析处理模块502、控制模块503、无线传输模块504和电池模块505组成。

多通道解调模块501用于测量数据采集和解调处理，解调后的信号由分析处理模块502进行预处理，传送到控制模块503。控制模块503对无线传输模块504和现场声光报警器6进行自动控制。现场监测和控制信号由无线传输模块504通过GPRS协议传输到远程分析与控制终端7。

现场声光报警器6包括报警指示灯601和音频报警器602，可通过不同指示灯颜色和不同声音实现对管道应变、支座底板位移、管卡压力、水位超限的报警。

远程分析与控制终端7由远程接收终端701、监控计算机702和控制系统软件组成。远程接收终端701通过GPRS协议接收由无线传输模块504发送的监测信号，并传输至监控计算机702，由自行开发的控制系统软件进行分析和处理。控制系统软件主要包括三部分功能：一是监测信号的记录和统计，对所有现场监测信号进行实时记录和保存，同时具有信号分析、查询和统计功能；二是安全阈值的设置，包括根管道的许可应变和极限应变阈值，管卡和支座的安全承载阈值，隧道内水位极限阈值；三是监测系统的远程控制，具备各传感器信号采集频率设置、现场控制模式设置、现场声光报警方式设置、电池电量监测、系统故障诊断等功能。控制系统软件的控制指令由远程接收终端701通过GPRS协议传输到无线传输模块504，实现对控制模块503的远程控制。

本发明系统的管道应变监测预警原理见图4。管道的许可应变阈值B1是在设计条件下，管道材料屈服强度下对应的应变值，由材料力学性能试验确定，管道的极限应变阈值B2是管道在失效条件下的极限应变值，由理论方法或实验方法确定。根据监测得到的管道应变值与上述两个阈值对比，如果监测值A小于许可应变阈值B1则管道处于安全状态；如果监测值A大于许可应变阈值B1但是小于极限应变阈值B2则管道处于不安全状态，系统进行管道安全预警；如果监测值A大于极限应变阈值B2则管道进入失效状态，系统进行管道安全报警。

根据管卡和支座材料性能和设计参数计算确定管卡和支座的安全承载力，并以之作为管卡和支座的安全承载阈值。隧道内水位极限阈值由隧道地质和水文资料，确定安全水位高度。

上述各个安全阈值，需要根据管道规格、支座规格、隧道结构参数和地质水文条件，采用理论或实验方法确定。

本发明提出的隧道内管道安全监测预警系统，其优点在于：

１、本发明的监测预警系统实现了隧道内管道、管卡、支座、温度和水位实时监测、现场报警、远程控制，为隧道管道的安全监管供了解决方案和技术手段，解决了隧道管道安全管理的难题。

２、采用模块化设计，可以根据监测需要配置不同的监测模块，能够满足山体、河流等各种隧道穿越管道的监测预警。

3、采用多通道解调技术，监测项目和测点数量不受限制，可以满足长距离隧道多点监测需要。

4、具备现场监测报警和远程监控预警的功能，安装之后在管道运行过程中，无需人工进入隧道巡视，提高管道管理水平和效率。

附图说明

图1为本发明监测预警系统构成图。

图2为管道变形测量单元结构示意图。

图3为支座位移及反力测量单元结构示意图。

图4为管道应变监测预警原理。

图5为盾构隧道应用示例图。

图中标记如下：1-管道变形测量单元；2-温度测量单元；3-支座位移及反力测量单元；4-水位探测单元；5-现场数据采集处理单元；6-现场声光报警器；7-远程分析与控制终端；8-光缆；9-管道；10-管卡；11-支座； 12-支座底板；13-隧道底板；14-隧道口；15-隧道竖井；16-隧道平巷；101-分布式光纤光栅应变传感器；102-光纤光栅位移传感器；103-光分路器；104-光纤接线盒；201-光纤光栅温度传感器A；202-光纤光栅温度传感器B；301-光纤光栅位移传感器；302-光纤光栅压力传感器；303-光纤接线盒；401-光纤光栅水位计；501-多通道解调模块；502-信号分析处理模块；503-控制模块；504-无线传输模块；505-电池模块；601-报警指示灯；602-音频报警器；701-远程接收终端；702-监控计算机。

具体实施方式

实例1：结合附图5对本发明做进一步描述。

实例为本发明在某管道穿越河流的盾构隧道中的应用示例。

盾构隧道是管道穿越大型河流的一种主要方式，其结构形式为“U”型，由河流两侧岸边的隧道竖井15、连接竖井的隧道平巷16组成，隧道口14位于竖井15顶部。管道9在隧道内敷设，由管卡10固定并安装于一系列底支座11上。因此，管道线路在隧道内也呈“U”型。当管道投运后，由于管道内输送介质的压力和温度的变化，管道内部会产生应力导致管道发生伸缩变形。对于盾构隧道的“U”型线路，经过理论分析管道在隧道竖井15的顶部和底部变形趋势最大，隧道越长这种变形显著，管道发生失稳或破坏的风险越高。因此，对该盾构隧道安装本发明的一种隧道内管道安全监测预警系统。

在隧道竖井15顶部和底部管道弯头的两侧安装管道变形测量单元1。每个测点设置2组共4个分布式光纤光栅应变传感器，测量管道9的顶部和侧向90°的轴向应变和环向应变；设置1个光纤光栅位移传感器，测量管道9与管卡10间的相对位移。

在隧道口14处管道安装温度测量单元2，在隧道平巷16中部管道上安装温度测量单元2。温度测量单元2中，贴近管道9一侧的温度传感器测量管道9的温度，外侧的传感器测量环境温度。

在隧道竖井15顶部的支座11处安装支座位移及反力测量单元3，在隧道平巷16内的所有支座11上安装支座位移及反力测量单元3，测量支座底板12和隧道底板13间的相对位移，以及管道9和管卡10之间的作用力。

在隧道平巷16中部最低点处安装水位探测单元4，测量隧道内积水的深度。

上述所有测量单元均做防水处理，并通过光缆8连接到现场数据采集处理单元5。现场数据采集处理单元5安装于隧道口14的墙壁上，现场声光报警器6安装于隧道口14的洞口外。

现场数据采集处理单元5通过GPRS协议与远程分析与控制终端7通讯，远程分析与控制终端上的控制软件，能够实现对各个监测单元和传感器数据的实时监测和分析，设置各监测项目的安全阈值，通过对比确定管道9、管卡10、支座11和隧道内积水的状态，并进行安全预警和报警。同时，控制软件可以对各个传感器的数据采集频率、周期，现场控制模式、声光报警方式进行设置。

监测系统的预警方式有：

（1）管道应变预警：本实例中，管道直径1016mm，管材为X70，管道的许可应变阈值0.25%，极限应变阈值0.75%。监测系统中，将管道变形测量单元1监测到的管道应变值与上述两阈值对比，如果测量值小于0.25%则管道安全，如果测量值大于0.25%但是小于0.75%则管道进入不安全状态，系统进行安全预警，现场声光报警器6发出预警指示。如果测量值大于0.75%则管道可能发生失效，系统进行安全报警，现场声光报警器6发出报警指示。

（2）支座失效报警：本实例中，隧道竖井15两端的管道变形趋势最大，管卡10和支座11受到的反力也最大，因此需要监测管卡和支座的安全状态；隧道平巷16位于河床以下，维护困难，因此对平巷内的所有支座进行监测。设置支座失效位移为5mm，当支座位移及反力测量单元3监测到支座底板12和隧道底板13间的相对位移大于5mm时，即认为支座失效，系统进行安全报警，现场声光报警器6发出报警指示。当支座位移及反力测量单元3监测到管道9和管卡10之间的作用力大于设计许可压力时，系统进行安全报警，现场声光报警器6发出报警指示。

（3）温度报警：温度和压力的联合作用在管道内部产生应力。本实例中，温度测量单元2可以监测隧道口14、隧道平巷16内管道和环境的温度。利用监测温度与隧道建设时的初始温度之差，以及管道运行压力，可以采用理论方法估算管道的轴向应力，将计算到的轴向应力与管道在设计条件下的许用应力对比可以判断管道的安全状态。计算结果大于许用应力时，则系统进行安全预警，现场声光报警器6发出预警指示。

（4）水位报警：河流穿越隧道在运行过程中可能积水，或者在管道建成后充水保护。本实例中，在隧道平巷16中部的低点处安装水位探测单元4，监测隧道内积水情况。本实例盾构隧道要求隧道内不能有积水，设置最大积水量为0.2m，因此，当水位探测单元4测量水位大于0.2m时，系统进行安全报警，现场声光报警器6发出报警指示。

本发明的监测系统要求与隧道工程建设同步安装，在管道投运前启用，记录管道的初始状态设置为测量基准，以保证管道投运后的连续监测和安全预警的可靠性和准确性。

Claims (12)

1.一种隧道内管道安全监测与预警系统，其特征在于，所述系统包括管道变形测量单元、温度测量单元、支座位移及反力测量单元、水位探测单元、现场数据采集处理单元、现场声光报警器和远程分析与控制终端；其中管道变形测量单元、温度测量单元、支座位移及反力测量单元通过光缆连接到现场数据采集处理单元；其中

所述的管道变形测量单元包括分布式光纤光栅应变传感器和光纤光栅位移传感器，分布式光纤光栅应变传感器用于测量管道的应变，光纤光栅位移传感器用于测量管道与管卡之间的相对位移；

所述的温度测量单元包括两个光纤光栅温度传感器，分别用于测量管道本体的温度和隧道环境的温度；

所述的支座位移及反力测量单元包括光纤光栅位移传感器和光纤光栅压力传感器，光纤光栅位移传感器用于测量支座底板和隧道底板间的相对位移，光纤光栅压力传感器用于测量管道与管卡之间的压力；

所述的水位探测单元采用光纤光栅水位计，用于测量隧道内的水位高度，并通过光缆连接到现场数据采集处理单元；

所述的现场数据采集处理单元包括多通道解调模块、信号分析处理模块、控制模块、无线传输模块和电池模块；

所述的远程分析与控制终端包括远程接收终端、监控计算机和控制系统软件。

2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的管道变形测量单元中，每个测点包括2对共4个光纤光栅应变传感器和1个光纤光栅位移传感器。

3.按照权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的2对共4个光纤光栅应变传感器分别用于测量管道顶部的轴向应变和环向应变，以及管道侧向90°的轴向应变和环向应变。

4.按照权利要求3所述的系统，其特征在于，每个测点的多个传感器采用并联方式，由光纤连接到光分路器，再经过光纤接线盒连接到光缆。

5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的支座位移及反力测量单元中，两个传感器采用串联方式，由光纤连接到光纤接线盒再连接到光缆。

6.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的光纤光栅水位计串联到距离最近的支座位移及反力测量单元。

7.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，在现场数据采集处理单元中，所述的多通道解调模块用于测量数据采集和解调处理，解调后的信号由信号分析处理模块进行预处理，传送到控制模块。

8.按照权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的控制模块对无线传输模块和现场声光报警器进行自动控制。

9.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，现场监测和控制信号通过无线传输模块通过GPRS协议传输到远程分析与控制终端。

10.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的现场声光报警器包括报警指示灯和音频报警器，其通过不同指示灯颜色和不同声音实现对管道应变、支座底板位移、管卡压力或水位超限的报警。

11.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的远程接收终端通过GPRS协议接收由无线传输模块发送的监测信号，并传输至监控计算机。

12.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的远程接收终端将控制系统软件的控制指令通过GPRS协议传输到无线传输模块，实现对控制模块的远程控制。