CN107883192B - 一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置，包括待测管道、温度监测单元、数据处理单元；温度监测单元包括起码一组二个光纤布拉格光栅温度计，二个光纤布拉格光栅温度计分别固定在待测管道(101)两侧，其中一个光纤布拉格光栅温度计，另一个光纤布拉格光栅温度计用吸水材料包裹，置于待测管道的可能渗漏部位，温度监测单元输出到数据处理单元处理。所述温度控制单元通过光纤跳线与数据处理单元相连接，通过分析管道两侧两种光纤布拉格光栅温度计的温度变化来实时监测管道渗漏情况。本发明结构简单，易于安装，结合了光纤感测技术，能够对重点管线进行准分布式实时的渗漏监测，灵敏度高，可靠性强，并且不涉及电流电磁，安全性能相对较好。

Description

一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置及方法

技术领域

本发明属于管道渗漏监测领域，特别是涉及一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置及方法。

背景技术

管道作为人类社会文明的一种产物，广泛应用于城市给排水、能源运输、农业灌溉和各种工业装置中。然而，由于腐蚀、外力破坏、内部压力过大等原因，管道常常会发生各种类型的破损，可能会造成管道内液体的渗漏，造成严重的环境污染和经济损失。因此对管道尤其是重点地段的管道进行渗漏监测是一项必要的、重要的工作。

当前管道的渗漏监测主要通过人为观察来进行，但是这种方法不仅费时费力，而且容易漏检误检，其最大的一个弊端就是不能实时监测。而大部分的渗漏事故初始发生时往往渗漏量很小不易观察，这就给监测人员提出了很大的挑战。目前也有一些方法是利用电磁、物探等方法进行管道的实时渗漏监测，但是这些方法不可避免的会涉及到电流，若利用这些方法进行汽油等易燃易爆物管路的渗漏监测时，存在一定的危险性。

光纤感测是近年来迅速发展起来的一种以光纤为媒介，光为载体的新型传感技术，相比于传统的监测技术其具有灵敏度高、抗电磁干扰、监测距离长、成本低等一系列优点，目前已广泛应用于石油化工、航空航天、水利水电、土木、地质等工程领域。因此本文主要考虑将光纤感测技术用于管道的渗漏监测领域。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)技术是一种准分布式光纤监测技术，它通过复用技术可将多个FBG串在同一根光纤上，可形成监测网络。FBG感测原理是利用光纤中反射光波长变化量和光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感，该关系可以表示为：

式中，Δλ为FBG波长变化量，ε为光纤轴向应变，ΔT为温度变化，P_e为光纤的弹光系数，α为光纤热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数。

由上式可知，当光纤呈无应力的松弛状态时，其波长变化量与温度呈线性关系。本发明中的光纤布拉格光栅温度计即据此原理制成。中国专利201611261607.0公开了“一种供热管道渗漏监测方法和系统”，该发明提供了一种供热管道渗漏监测方法和系统，该发明虽然可以对供热管道的各位置的渗漏情况实行全自动的监控，无需人工巡检，自动化程度高，但是其仅仅只能对供热管道进行渗漏的监测，对其他常温或者低温的管道的应用程度不足。中国专利200520012966.3公开了“管道渗漏定位分布式光纤温度传感监测装置”，该装置的要点是将双向耦合器、波分复用器、光电二极管、放大器、采样平均累加器、计算机、驱动器、激光二极管主组件和传感光缆所连接，该发明虽然解决了只能实施离散点监测和目测渗漏的技术问题,实现了分布式测量，但是当渗透量较小时由于管道内的液体流出后不能存留导致光纤附近温度变化较小难以被检出，造成漏检。另一方面该发明中用到了加热光缆不可避免的涉及到电流的问题，在进行易燃易爆品输送管道的渗漏监测是仍然存在一定的安全隐患。

如何克服现有技术所存在的不足已成为当今管道渗漏监测技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于管道渗漏监测的装置及方法。本发明具有结构简单、易于安装、灵敏度高、可靠性强、抗电磁干扰、安全性好、准分布式实时测量等突出的优点。

为了解决上述技术问题，本发明技术方案是，一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置，其特征在于，包括待测管道、温度监测单元、数据处理单元；温度监测单元包括起码一组二个光纤布拉格光栅温度计(107)，二个光纤布拉格光栅温度计(107)分别固定在待测管道(101)两侧，其中一个光纤布拉格光栅温度计(107)，另一个光纤布拉格光栅温度计(107)用吸水材料包裹，置于待测管道的可能渗漏部位，温度监测单元输出到数据处理单元处理。

所述固定环(102)由其顶端的螺钉(201)和螺槽(202)固定在待测管道(101)上；所述固定环(102)左右两侧各有一个水平的托盘(203)；所述托盘(203)中心开有直径与光纤布拉格光栅温度计(107)相适应的插槽(301)；所述多个光纤布拉格光栅温度计(107)由光纤引线(106)通过串联方式连接；所述光纤布拉格光栅温度计(107)通过插槽等间距的固定在待测管道(101)两侧；所述待测管道(101)两侧的光纤布拉格光栅温度计(107)有两种安放方式，一种是将温度计(107-1)直接插入到待测管道(101)一侧的插槽(301)中；第二种是先将温度计(107-2)表面裹上吸水纱布(108)，再在待测管道(101)另一侧按照第一种的方法布置，所述吸水性纱布(108)一端延长至集液单元的接漏管(109)底部，用于汲取待测管道(101)渗漏后流到接漏管(109)底部的可蒸发液体；所述光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)在固定后其底部高度高于由挡水板(110)确定的最高液面；

设有集液单元，所述集液单元包括接漏管(109)、接水箱(103)、挡水板(110)；所述接漏管(109)通过箍带(111)固定在待测管道(101)正下方一定距离处；所述接漏管(109)为直径略大于待测管道(101)且端口为半圆形的开放式高分子材料管，用于储存从待测管道(101)中渗漏出的可蒸发液体；所述接漏管(109)左右两端断面设置有高度略高于管底的挡水板(110)，用于控制接漏管(109)中的最高液面，当液面达到最高即挡水板(110)顶部后渗漏处的液体即流入接水箱；

所述温度监测单元包括多个光纤布拉格光栅温度计(107)、吸水纱布(108)、光纤引线(106)、固定环(102)；所述固定环(102)由其顶端的螺钉(201)和螺槽(202)固定在待测管道(101)上；所述固定环(102)左右两侧各有一个水平的托盘(203)；所述托盘(203)中心开有直径与光纤布拉格光栅温度计(107)相适应的插槽(301)；所述多个光纤布拉格光栅温度计(107)由光纤引线(106)通过串联方式连接；所述光纤布拉格光栅温度计(107)通过插槽等间距的固定在待测管道(101)两侧；所述待测管道(101)两侧的光纤布拉格光栅温度计(107)有两种安放方式，一种是将温度计(107-1)直接插入到待测管道(101)一侧的插槽(301)中；第二种先将温度计(107-2)表面裹上吸水性纱布(108)，再在待测管道(101)另一侧按照第一种的方法布置，所述吸水性纱布(108)一端延长至集液单元的接漏管(109)底部，用于汲取待测管道(101)渗漏后流到接漏管(109)底部的可蒸发液体；所述光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)在固定后其底部高度高于由挡水板(110)确定的最高液面；

作为优选，所述数据处理单元可采用FBG解调仪(104)；所述FBG解调仪(104)与温度控制单元中的光纤布拉格光栅温度计(107)通过光纤跳线(105)进行连接，通过分析管道两侧两种光纤布拉格光栅温度计的温度变化实时监测管道渗漏。

根据本发明提出的一种用于管道渗漏准分布式实时监测的方法，包括起码一组二个光纤布拉格光栅温度计(107)，二个光纤布拉格光栅温度计(107)分别固定在待测管道(101)两侧，其中一个光纤布拉格光栅温度计(107)，另一个光纤布拉格光栅温度计(107)用吸水材料包裹，待测管道直接漏水或通过集液单元储存从待测管道(101)中渗漏出的可蒸发液体至吸水材料上；在没有发生渗漏时，待测管道(101)两侧分布的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)测试的温度均为环境温度；当待测管道(101)发生渗漏后，吸水材料湿润使光纤布拉格光栅温度计(107-2)给出与湿度对应的温度，当检测到某组光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)的温度发生差异时，说明此处附近发生渗漏。

一种用于管道渗漏的监测方法，包括如下基本步骤：

步骤一，确定监测位置。首先按照工程需要明确具体的重点渗漏监测位置与渗漏监测长度，并根据需要确定各个固定环(102)之间的间距。

步骤二，安装温度监测单元。首先将各固定环(102)等间距的安装在待测管道(101)上，拧紧螺钉(201)以固定固定环(102)；之后将通过光纤引线(106)串联起来的各个光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)按照图1所示的顺序逐一插在插槽(301)上，以固定光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)，并确保安装时吸水性纱布(108)处于干燥状态；最后将管道最左(右)端的光纤布拉格光栅温度计(107)通过光纤跳线(105)与FBG解调仪(104)连接；

步骤三，安装集液单元。首先，在待测管道(101)上通过箍带(111)固定接漏管(109)，并将包裹在光纤布拉格光栅温度计(107-2)上吸水性纱布(108)的自由端安放在接漏管(109)的管底，然后根据接漏管两端的位置安放接水箱(103)。

步骤四，检测装置状态。保证各部件之间连接良好，光纤引线(106)之间无打结现象；保证各个吸水性纱布(108)处于干燥状态；检查温度监测单元与FBG解调仪(104)间连接状态。

步骤五，进行准分布式实时监测。根据FBG解调仪(104)的示数进行温度实时监测，当检测到某组或者多组光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)的温度发生差异时，说明异常点附近发生渗漏，应立即进行险情的排查与适当的处理。

本发明的实现原理是：在没有发生渗漏时，待测管道(101)两侧的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)测试的温度均为环境温度。当待测管道(101)内运输的可蒸发性液体在某些因素作用下发生渗漏后，在重力作用下会流入接漏管(109)中；由于毛细上升力的作用会导致待测管道(101)底部部分渗漏出的液体顺着吸水性纱布(108)向上蔓延至整个包裹着光纤布拉格光栅温度计(107-2)的吸水性纱布(108)。以下分两种情况进行讨论：

1、当待测管道(101)内运送的液体温度远高于室温时，顺着吸水性砂布(108)向上蔓延的液体会导致与纱布(108)接触的光纤布拉格光栅温度计(107-2)所监测的温度变大，而另一侧未包裹吸水性纱布(108)的光纤布拉格光栅温度计(107-1)所监测的温度基本无变化，因此在渗漏点附近的两种布置方式的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)监测的温度会产生温差。

2、当待测管道(101)内运送的液体温度低于或大致等于室温时，顺着吸水性纱布(108)向上蔓延的液体会产生一定的蒸发，带走热量，导致光纤布拉格光栅温度计(107-2)所监测的温度变低，而另一侧未包裹吸水性砂布(108)的光纤布拉格光栅温度计(107-1)所监测的温度基本无变化，因此在渗漏点附近的两种布置方式的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)监测的温度就会产生温差。

因此当待测管道(101)中发生渗漏后总会导致待测管道(101)同一截面位置两侧两种布置方式的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)监测的温度产生差异，通过FBG解调仪(104)感知到这种差异后就能够进行渗漏的实时监测与预警。另外，本装置也能够根据所监测的温度差异点的位置而大致确定渗漏点，实现准分布式监测。

有益效果，本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，本发明是一种集结构简单、成本低廉、可靠度强、使用方便为一体的一种用于管道渗漏监测的装置及方法，填补了现有技术的空白。第二，本发明采用光纤感测技术进行管道渗漏的监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广。第三，本发明相比于传统的点式监测法，利用光纤感测技术实现了准分布式监测，测量的灵敏度与精度得到了大幅提升，并且可以确定渗漏点，应用前景较大。

附图说明

图1是本发明提出的一种用于管道渗漏监测的装置的总体结构示意图。

图2是本发明提出的一种用于管道渗漏监测的装置的剖面图。

图3是本发明提出的固定环的俯视图。

图4是本发明实施例中管道渗漏监测的装置的总体结构示意图。

图5是本发明实施例中渗漏监测过程中(27.0℃，85.7％RH)管道8m处的温度变化图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

结合图1-3，图中：101-待测管道；102-固定环；103-接水箱；104-FBG解调仪；105-光纤跳线；106-光纤引线；107-光纤布拉格光栅温度计；107-1；107-2；108-吸水性砂布；109-接漏管；110-挡水板；111-箍带；201-螺钉；202-螺槽；203-托盘；301-插槽；

本发明提出的一种用于管道渗漏监测的装置，包括待测管道、集液单元、温度监测单元、数据处理单元四个部分；所述集液单元包括接漏管(109)、接水箱(103)、挡水板(110)。所述接漏管(109)通过箍带(111)固定在待测管道(101)正下方一定距离处；所述接漏管(109)为直径略大于待测管道(101)且端口为半圆形的开放式PVC管，用于储存从待测管道(101)中渗漏出的可蒸发液体；所述接漏管(109)左右两端断面设置有高度略高于管底的挡水板(110)，用于控制漏管(109)中的最高液面，当液面达到最高即挡水板(110)顶部后渗漏处的液体即流入接水箱；

所述温度监测单元包括多个光纤布拉格光栅温度计(107)、吸水纱布(108)、光纤引线(106)、固定环(102)；所述固定环(102)由其顶端的螺钉(201)和螺槽(202)固定在待测管道(101)上；所述固定环(102)左右两侧各有一个水平的托盘(203)；所述托盘(203)中心开有直径与光纤布拉格光栅温度计(107)相适应的插槽(301)；所述多个光纤布拉格光栅温度计(107)由光纤引线(106)通过串联方式连接；所述光纤布拉格光栅温度计(107)通过插槽等间距的固定在待测管道(101)两侧；所述待测管道(101)两侧的光纤布拉格光栅温度计(107)有两种安放方式，一种是将温度计(107-1)直接插入到待测管道(101)一侧的插槽(301)中；第二种先将温度计(107-2)表面裹上吸水纱布(108)，再在待测管道(101)另一侧按照第一种的方法布置，所述吸水性纱布(108)一端延长至集液单元的接漏管(109)底部，用于汲取待测管道(101)渗漏后流到接漏管(109)底部的可蒸发液体；所述光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)再固定后其底部高度高于由挡水板(110)确定的最高液面；

作为优选，所述数据处理单元可采用FBG解调仪(104)；所述FBG解调仪(104)与温度控制单元中的光纤布拉格光栅温度计(107)通过光纤跳线(105)进行连接，通过分析管道两侧两种光纤布拉格光栅温度计的温度变化实时监测管道渗漏。

实施例，根据本发明提出的一种用于管道渗漏的监测方法，其特征在于，包括如下基本步骤：

第一步，基于待测管道的长度与重点渗漏区的分布，确定监测范围及温度监测单元中温度传感器的数目。基于本管道待测区域的特点，初步将长10m的PVC管道(101)中的1～3m段和7～9m段作为重点渗漏监测区，拟定6组传感器作为温度监测单元，即在两个重点监测管段每隔1m放置一个固定环(102)，共6个固定环，12个光纤布拉格光栅温度计(107)。

第二步，安装温度监测单元。首先将6个固定环(102)在两个监测管段按照1m的间距安装，即固定环分别位于待测管道的1m、2m、3m、7m、8m、9m处，拧紧螺钉(201)以固定固定环(102)；6个固定环的左侧插槽(301)均插入用纱布包裹的光纤布拉格光栅温度计(107-2)，并确保安装时吸水性纱布(108)处于干燥状态，右侧插槽(302)均插入无纱布包裹的光纤布拉格光栅温度计(107-1)，各个光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)之间通过光纤引线(106)串联起来；最后将管道最左端的光纤布拉格光栅温度计(107-1)通过光纤跳线(105)与FBG解调仪(104)连接；

第三步，安装集液单元。首先，分别在待测管段1～3m和7～9m上通过箍带(111)各固定一段2m长的接漏管(109)，并将包裹在光纤布拉格光栅温度计(107-2)上吸水性纱布(108)的自由端安放在接漏管(109)的管底，然后根据接漏管两端的位置安放接水箱(103)。管道渗漏监测的装置的总体结构示意图见图4

第四步，检测装置状态。保证各部件之间连接良好，光纤引线(106)之间无打结现象；保证各个吸水性纱布(108)处于干燥状态；检查温度监测单元与FBG解调仪(104)间连接状态。

第五步，进行准分布式实时监测。根据FBG解调仪(104)的示数进行温度实时监测，观察6组光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)的温度变化情况，得到待各温度计示数稳定时的时刻及稳定时的温差，见表1。此时室内湿度为85.7％RH，温度为27.0℃。

表1管道监测段6个监测点的温度情况

位置	稳定时刻(s)	稳定时的温差(℃)
			1m处	0	0
2m处	0	0
			3m处	0	0.1
7m处	1510	1.7
			8m处	1140	1.8
9m处	1550	1.8

由表1可以看出，7～9m监测段的光纤布拉格光栅温度计(107-1,107-2)之间均产生温差1.7～1.8℃，且8m处的稳定时刻是1140s，是同一接漏管段内是最先形成稳定温差的位置，基本可以断定在8m处存在一个渗漏点。经在管道处检查发现，8m处附近即是设置的管道渗漏点的位置，该装置实现了对管道渗漏的监测及渗漏点的定位。其中，8m处的温度变化情况见图4。

为了更加准确的确认该装置的适用性，选取在不同湿度环境中进行该渗漏点(8m处)的温差监测，监测结果见表2。可见随着湿度的减小，渗漏产生的温差会越大，即使是在湿度高达85.70％RH的环境，也会有1.81℃的温差，再次证明了该装置对管道渗漏监测的适用性。

表2不同室温及湿度条件下渗漏产生的温差

湿度(％RH)	温度(℃)	温差(℃)
			85.70	27.0	1.81
75.10	29.7	2.09
			62.30	30.3	2.94
55.00	33.5	4.67

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

本发明提供了一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种用于管道渗漏准分布式实时监测的装置，其特征在于，包括待测管道、温度监测单元、数据处理单元；温度监测单元包括起码一组二个光纤布拉格光栅温度计（107），二个光纤布拉格光栅温度计（107）分别固定在待测管道（101）两侧，其中一个为光纤布拉格光栅温度计（107），另一个光纤布拉格光栅温度计（107）用吸水材料包裹，置于待测管道的可能渗漏部位，温度监测单元输出到数据处理单元处理；

待测管道的可能渗漏部位设有固定环（102），所述固定环（102）由其顶端的螺钉（201）和螺槽（202）固定在待测管道（101）上；所述固定环（102）左右两侧各有一个水平的托盘（203）；所述托盘（203）中心开有直径与光纤布拉格光栅温度计（107）相适应的插槽（301）；所述多个光纤布拉格光栅温度计（107）由光纤引线（106）通过串联方式连接；所述光纤布拉格光栅温度计（107）通过插槽等间距的固定在待测管道（101）两侧；所述待测管道（101）两侧的光纤布拉格光栅温度计（107）安放方式分别是：将温度计（107）直接插入到待测管道（101）一侧的插槽（301）中，和将温度计表面裹上吸水性纱布（108），再插入到待测管道（101）另一侧的插槽中；所述吸水性纱布（108）一端延长至待测管道下部设有集液单元的接漏管（109）底部，用于汲取待测管道（101）渗漏后流到接漏管（109）底部的可蒸发液体；所述光纤布拉格光栅温度计（107）在固定后其底部高度高于由挡水板（110）确定的最高液面；

设有集液单元，所述集液单元包括接漏管（109）、接水箱（103）、挡水板（110）；所述接漏管（109）通过箍带（111）固定在待测管道（101）正下方一定距离处；所述接漏管（109）为直径略大于待测管道（101）且端口为半圆形的开放式高分子材料管，用于储存从待测管道（101）中渗漏出的可蒸发液体；所述接漏管（109）左右两端断面设置有高度略高于管底的挡水板（110），用于控制接漏管（109）中的最高液面，当液面达到最高即挡水板（110）顶部后渗漏处的液体即流入接水箱。

2.根据权利要求1所述的用于管道渗漏准分布式实时监测的装置，其特征在于，吸水材料采用吸水性纱布（108）；所述数据处理单元采用FBG解调仪（104）；所述FBG解调仪（104）与温度控制单元中的光纤布拉格光栅温度计（107）通过光纤跳线（105）进行连接，通过分析管道两侧两种光纤布拉格光栅温度计的温度变化实时监测管道渗漏。

3.根据权利要求1所述的用于管道渗漏准分布式实时监测的装置进行实时监测的方法，其特征是，包括起码一组二个光纤布拉格光栅温度计（107），二个光纤布拉格光栅温度计（107）分别固定在待测管道（101）两侧，其中一个光纤布拉格光栅温度计（107），另一个光纤布拉格光栅温度计（107）用吸水材料包裹，待测管道直接漏水或通过集液单元储存从待测管道（101）中渗漏出的可蒸发液体至吸水材料上；在没有发生渗漏时，待测管道（101）两侧分布的光纤布拉格光栅温度计（107）测试的温度均为环境温度；当待测管道（101）发生渗漏后，吸水材料湿润使光纤布拉格光栅温度计（107）给出与环境湿度对应的温度值，当检测到某组光纤布拉格光栅温度计（107）的温度发生差异时，说明此处附近发生渗漏；

步骤一，确定监测位置，首先按照工程需要明确具体的重点渗漏监测位置与渗漏监测长度，并根据需要确定各个固定环（102）之间的间距；

步骤二，安装温度监测单元，首先将各固定环（102）等间距的安装在待测管道（101）上，拧紧螺钉（201）以固定固定环（102）；之后将通过光纤引线（106）串联起来的各个光纤布拉格光栅温度计（107）顺序逐一插在插槽（301）上，以固定光纤布拉格光栅温度计（107），并确保安装时吸水性纱布（108）处于干燥状态；最后将管道最左端光纤布拉格光栅温度计（107）通过光纤跳线（105）与FBG解调仪（104）连接；

步骤三，安装集液单元，首先，在待测管道（101）上通过箍带（111）固定接漏管（109），并将包裹在光纤布拉格光栅温度计上吸水性纱布（108）的自由端安放在接漏管（109）的管底，然后根据接漏管两端的位置安放接水箱（103）；

步骤四，检测装置状态，保证各部件之间连接良好，光纤引线（106）之间无打结现象；保证各个吸水性纱布（108）处于干燥状态；检查温度监测单元与FBG解调仪（104）间连接状态；

步骤五，进行准分布式实时监测，根据FBG解调仪（104）的示数进行温度实时监测，当检测到某组或者多组光纤布拉格光栅温度计（107）的温度发生差异时，说明异常点附近发生渗漏。