CN107990836A - 一种石化管道应变及温度在线监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及弱光栅传感应用技术领域，具体指一种石化管道应变及温度在线监测系统，同时公开了一种石化管道应变及温度在线监测方法；包括光源模块、探测光缆、数据处理模块和监测终端，所述光源模块通过光分路器分别连接三根探测光缆，探测光缆上刻写有弱光栅阵列，三根探测光缆上刻写的弱光栅阵列具有一致性；所述探测光缆上设有光环形器，数据处理模块分别连接三个光环形器和监测终端；本发明结构合理，无需光纤熔接布设方便，降低了系统的插入损耗，超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，能够提供大应变、高精度的传感数据；可为石化管道提供全面的温度及应变数据，便于发现突变信息，避免管道泄露及破损等危险。
Description
技术领域
本发明涉及弱光栅传感应用技术领域，具体指一种石化管道应变及温度在线监测系统，同时公开了一种石化管道应变及温度在线监测方法。
背景技术
在石油化工领域需要应用大量的耐高温高压管道，由于长期在高温高压等恶劣环境下运行，材质老化、高温蠕变损伤、液体或气体的腐蚀使管道安全问题越来越突出，经常发生管道泄漏或爆炸事故，管道的安全监测问题越来越重要。管道局部关键位置的应变状态直接关系到结构的安全服役状态，温度则对诸如混凝土大坝、基坑等大体积结构影响较大，温度与应变作用往往导致结构内部出现微裂纹等损伤。由于温度与应变的交叉敏感，同时准确地测量大型结构的温度与应变在工程上一直是个难题。
目前国内对于高温压力管道的温度、应变等参量的监测技术一般采用人工停机年检，这种方法需要停产进行，检测效率低，安全等级差，而在管道焊接等工业过程中需实时监测管道温度、应变值。现阶段，国外比较成熟的技术是采用在线检测技术，比如电学传感器检测方法和超声波检测方法和红外热成像检测方法。通常高温压力管道内部输送的为易燃易爆的气体或液体，电学传感器的电火花极易引发燃爆等危险，并不适合此时的需要；超声波检测方法和红外热成像检测方法基于无损检测理论，避免了传统电类传感器的危险缺陷，但只能检测管道的壁厚、内壁的裂缝以及材料的气泡，只适用于检测管道出厂时的品质检测，尚不能对高温管道的外壁应变及温度进行实时监测。光纤光栅对温度和应力敏感，采用光栅作为传感器可以监测温度和应力，光纤传感技术具有本征防爆，耐强高温等优点，可以弥补电类传感器的不足。由于管道传输距离长，需监测范围大，强反射率光栅串接技术传感单元数量少、焊接引起损耗、和抗机械强度低等缺点，不适合用于长距离的传输管道。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构合理、采用超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，能够提供大应变、高精度的传感数据的石化管道应变及温度在线监测系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种石化管道应变及温度在线监测系统,包括光源模块、探测光缆、数据处理模块和监测终端，所述光源模块通过光分路器分别连接三根探测光缆，探测光缆上刻写有弱光栅阵列，三根探测光缆上刻写的弱光栅阵列具有一致性；所述探测光缆上设有光环形器，数据处理模块分别连接三个光环形器和监测终端。
根据以上方案，所述三根探测光缆分别设置石化管道的外壁上，三根探测光缆依次沿90°夹角间隔设置。
根据以上方案，所述弱光栅阵列中包含有8～10000个依次间隔分布的弱光栅，相邻两个弱光栅的间距在0.1m-50m之间。
根据以上方案，所述探测光缆的表面涂覆有涂覆层，涂覆层可以是树脂、碳、金属中的任意一种，探测光纤上套有外护套且探测光纤与外护套之间设有非金属的强化层。
一种石化管道应变及温度在线监测方法，其步骤如下：
A、光源模块采用连续波长的高速扫频激光器，经过光分路器和环形器将光信号导入三根探测光缆,各监测点上的弱光栅产生的反射信号返回光环形器，数据处理模块提取反射信号并通过解调模块获得波长值实现解调；
B、数据处理模块根据各监测点的波长值和温度信号计算温度值Tix和应变值εix，其中εi由该监测点横截面处获得的三个应变值εiA、εiB、εiC为单元进行计算，并将获取值、轴向应力值与阀值进行比较；
C、监测终端根据数据处理模块提供的实时监测信号输出温度、轴向应力的报表，并对信号进行分析以提供预警信息。
本发明有益效果为：本发明结构合理，本发明采用三根大容量弱光栅阵列的探测光缆，按照每90度夹角方向排列的形式安装于石化管道，通过某一横截面三个点的应变值可计算出管道该处的轴向应变；无需光纤熔接布设方便，降低了系统的插入损耗，采用超低反射率的弱光栅，传感单元的数量可达数千个，能够提供大应变、高精度的传感数据，从而克服了传统的强光栅串接技术导致的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题；可为石化管道提供大量的、全面的温度及应变数据，便于发现突变信息，并根据报警及时对管道进行检修，避免管道由于温度及应变过大及突变带来的泄露及破损等危险。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的探测光缆在石化管道上的安装结构示意图。
图中：
1、光源模块；2、探测光缆；3、光分路器；4、光环形器；5、数据处理模块；6、监测终端；21、弱光栅。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明所述的一种石化管道应变及温度在线监测系统,包括光源模块1、探测光缆2、数据处理模块5和监测终端6，所述光源模块1通过光分路器3分别连接三根探测光缆2，探测光缆2上刻写有弱光栅21阵列，三根探测光缆2上刻写的弱光栅21阵列具有一致性；所述探测光缆2上设有光环形器4，数据处理模块5分别连接三个光环形器4和监测终端6；所述光源模块1通过连续波长的高速扫频激光器输出光信号，经过光分路器3和光环形器4分别进入三根探测光缆2，三根探测光缆2在石化管道同一截面上的弱光栅21反射信号，通过数据处理模块5分机获得监测点上的轴向应力和温度，大容量的探测光缆2上可分布大量的弱光栅21传感监测点，弱光栅21的分布密度可根据管道监测点数量布局，从而客服传统强光栅串接技术导致的传感单元少、抗机械强度低，不能适应大应变传感变化的问题。
如图2所示，所述三根探测光缆2分别设置石化管道的外壁上，三根探测光缆2依次沿90°夹角间隔设置，探测光缆2的之间的间距与监测点处管道直径成正比，弱光栅21反射信号通过数据处理模块5获得该处应变值εiA、εiB、εiC从而计算最大轴向应变εi；所述数据处理模块5采用分时复用方法利用扫频激光器的一个周期，实现弱光栅阵列的时域分离，反射信号经过光电转换成电压信号，再由高速采集卡上传到计算机进行数据处理和显示；监测终端6包括监测数据的实时值、当天的平均值、最大值、最小值和报警次数，报警原因分析及故障定位，报警模块包括界面警报提醒框及警报鸣音，当阈值判别信号为1时，触发报警，发出警报声音并在显示界面弹出提醒框。
上述最大轴向应变εi由该纵向横截面处获取的夹角为90度的三个应变值εiA、εiB、εiC及管道半径R计算得出，横截面圆周上任一点位置(x,y)的应变表达式为：最大轴向应变εimax为：
所述弱光栅21阵列中包含有8～10000个依次间隔分布的弱光栅21，相邻两个弱光栅21的间距在0.1m-50m之间。
所述探测光缆2的表面涂覆有涂覆层，涂覆层可以是树脂、碳、金属中的任意一种，探测光纤上套有外护套且探测光纤与外护套之间设有非金属的强化层。
一种石化管道应变及温度在线监测方法，其步骤如下：
A、光源模块1采用连续波长的高速扫频激光器，经过光分路器3和环形器将光信号导入三根探测光缆2,各监测点上的弱光栅21产生的反射信号返回光环形器4，数据处理模块5提取反射信号并通过解调模块获得波长值实现解调；
B、数据处理模块5根据各监测点的波长值和温度信号计算温度值Tix和应变值εix，其中εi由该监测点横截面处获得的三个应变值εiA、εiB、εiC为单元进行计算，并将获取值、轴向应力值与阀值进行比较；
C、监测终端6根据数据处理模块5提供的实时监测信号输出温度、轴向应力的报表，并对信号进行分析以提供预警信息。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (5)
1.一种石化管道应变及温度在线监测系统,包括光源模块(1)、探测光缆(2)、数据处理模块(5)和监测终端(6)，其特征在于：所述光源模块(1)通过光分路器(3)分别连接三根探测光缆(2)，探测光缆(2)上刻写有弱光栅(21)阵列，三根探测光缆(2)上刻写的弱光栅(21)阵列具有一致性；所述探测光缆(2)上设有光环形器(4)，数据处理模块(5)分别连接三个光环形器(4)和监测终端(6)。
2.根据权利要求1所述的石化管道应变及温度在线监测系统，其特征在于：所述三根探测光缆(2)分别设置石化管道的外壁上，三根探测光缆(2)依次沿90°夹角间隔设置。
3.根据权利要求1所述的石化管道应变及温度在线监测系统，其特征在于：所述弱光栅(21)阵列中包含有8～10000个依次间隔分布的弱光栅(21)，相邻两个弱光栅(21)的间距在0.1m-50m之间。
4.根据权利要求1所述的石化管道应变及温度在线监测系统，其特征在于：所述探测光缆(2)的表面涂覆有涂覆层，涂覆层可以是树脂、碳、金属中的任意一种，探测光纤上套有外护套且探测光纤与外护套之间设有非金属的强化层。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种石化管道应变及温度在线监测方法，其步骤如下：
A、光源模块(1)采用连续波长的高速扫频激光器，经过光分路器(3)和环形器将光信号导入三根探测光缆(2),各监测点上的弱光栅(21)产生的反射信号返回光环形器(4)，数据处理模块(5)提取反射信号并通过解调模块获得波长值实现解调；
B、数据处理模块(5)根据各监测点的波长值和温度信号计算温度值Tix和应变值εix，其中εi由该监测点横截面处获得的三个应变值εiA、εiB、εiC为单元进行计算，并将获取值、轴向应力值与阀值进行比较；
C、监测终端(6)根据数据处理模块(5)提供的实时监测信号输出温度、轴向应力的报表，并对信号进行分析以提供预警信息。
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