CN108917635A - 基于ofdr技术的管道变形监测系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer)技术的地下管道变形监测系统及使用方法，系统包括应变传感光缆、温度补偿光缆、OFDR数据采集仪、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统和监测结果显示系统。通过在地下管道开槽布设，使应变传感光缆和温度补偿光缆平行布设在管道凹槽内，并进行全封装保护；使用OFDR数据采集仪进行光纤数据的实时采集传输，再获取管道的应变、温度变化信息，经过监测结果显示系统显现。与现有技术相比，本发明具有高灵敏度、测量精度大、抗干扰能力强的优点，能够实时长期监控管道的应变和温度，获知地下管道的变形规律。

Description

基于OFDR技术的管道变形监测系统及使用方法

技术领域

本发明涉及岩土工程监测领域，尤其涉及基于OFDR(Optical Frequency DomainReflectometer)技术的地下管道变形监测系统及使用方法。

背景技术

随着经济社会的快速发展，管道运输对于世界经济的发展起着至关重要的作用，因此管道的安全运行问题受到了社会各界的普遍关注。管道运输自身具有输送量大、运费用低，投资小、输送过程损失小和输送过程连续平稳等优点，同时也有一定的缺陷，即由于管龄较长以及环境复杂的原因造成管道变形较大和渗漏的问题。如何实现对管道变形的实时动态监测，从而对管道变形进行监测已成为工程领域关注和研究的热点之一。

目前主要采用管道通径检测器法、压电超声波法、应变片法及激光光源投射成像法等监测手段，这些手段存在着以下不足之处：(1)检测结果误差较大，检测速度慢，不适合长距离的检测；(2)在可行性和耐久性上无法达到对管道实时在线长期监测的要求；(3)测点布置繁琐，而且测点存活率低，经常影响监测进度；(4)劳动强度较大，需要监测人员花费大量时间去投入，在自动化方面处于欠缺状态；(5)仪器的测量精度低，难以获得监测对象细微的变化。

针对上述传统管道变形监测方法中的缺陷与不足，有待发挥分布式光纤传感监测技术的优势，亟需开发出一种基于OFDR技术的地下管道变形监测系统及使用方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于OFDR技术的地下管道变形监测系统及使用方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统及使用方法，包括相邻铺设在地下管道凹槽内的应变传感光缆和温度补偿光缆，OFDR数据采集仪、光纤数据处理与分析系统和监测结果显示系统。OFDR数据采集仪将采集到的应变传感光缆和温度补偿光缆数据导入光纤数据处理与分析系统处理后，显示在监测结果显示系统中。

地下管道开有凹槽，应变传感光缆沿着凹槽埋入槽缝内，并进行预拉，此布设方法使光缆与管道一起协调变形，更能反映出管道的变形规律。

温度补偿光缆与应变传感光缆平行铺设于地下管道凹槽内，铺设时应在光缆弯折处平缓过渡。铺设的传感光缆应在端部预留一定长度，以便于后期测试时引出接入OFDR数据采集仪。

基于OFDR技术的地下管道变形监测系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：管道内壁开槽：在施工开始之前，用斗墨在光纤的管道预设部位进行弹墨，以便留下一条呈U字型的细长墨线，沿着墨线用切割机切出一条凹槽，在弯曲过渡段切割直径应尽量大一些，为后续出线保护做准备；

步骤2：对凹槽进行除尘和清洗，同时对部分线路进行重复切割，修整平直，避免卡段光纤；

步骤3：将应变传感光缆2和温度补偿光缆3呈U字型平行放入到槽内，使用胶水将光缆进行分区段固定，然后沿着凹槽埋入感测光缆，并对光缆进行预拉；

步骤4：用定点夹具固定住凹槽内的分布式传感光缆；

步骤5：用环氧树脂沿传感光缆沿线进行全覆盖封装保护；

步骤6：光缆布设完成后，对出线部位的光缆使用铠装护套保护；

步骤7：光纤布设好后，对管道端部伸出的应变传感光纤和温度补偿光纤分别进行熔接；

步骤8：将熔接好的光纤接头接入到OFDR数据采集仪，设置好相应的参数检查系统联通性并进行初始值的采集，核实监测数据有效性以便进行后续试验测试；

步骤9：将OFDR数据采集仪的数据导入光纤数据处理与分析系统，作出管道的应力应变曲线。

步骤4中，定点夹具利用钻机打孔的方式安装夹具，使用膨胀螺丝固定夹具，以使得光纤与管道变形更加协调。

步骤7中，光纤熔接处加上增加刚度和耐久性的热膨胀管，光纤熔接的步骤包括：

a、剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取少量酒精擦拭裸纤表面灰尘；

b、对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口要平整；

c、将两根备制好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

d、待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热缩管固定于光纤熔接部位以此获得保护。

工作原理：本发明将OFDR光纤数据采集技术应用到地下管道变形监测中，通过在地下管道开槽布设的方法，使应变传感光缆和温度补偿光缆光缆呈U字型平行布设在管道凹槽内，并使用定点夹具来固定光缆，使其更加稳固，最后使用环氧树脂胶体沿传感光缆沿线进行全封装保护，使光缆与管线结构体耦合成形。使用基于OFDR技术的数据采集仪进行光纤数据的实时采集和传输，再通过光纤数据处理系统获取管道的应变、温度变化等信息，经过监测结果显示系统显现出来。可以准确地监测管道应变的动态变化信息，从而得出管道变形变化规律。

其中OFDR技术是分布式光纤传感技术的一种，具有灵敏度与空间分辨率高、测量精度大、抗电磁干扰和辐射与环境适应能力强等优点。其应变分辨率达到了1.0με，温度分辨率达到0.12℃，测量范围达到±30000με和-270～900℃，OFDR技术可同时对应变、温度、挠度等实施监测，因此相对于OTDR、FBG、BOTDR等光纤技术，OFDR技术在岩土工程监测领域具有更加广阔的应用前景。

有益效果：相较于传统的监测手段，本发明具有稳定性好、环境适应力强、高灵敏度、高空间分辨率、测量精度高、抗干扰能力强、测点存活率高、采集数据全面、可实时监测、实现数据自动化处理、人为误差小等优势，OFDR技术拥有极高的灵敏度和空间分辨率，监测效果更为准确，可以实现对管道受力过程中管道变形的实时监测和长期监测，以获知地下管道的变形发展规律。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为管道光缆布设侧面示意图。

具体实施方式

如图1所示，1为地下管道，2为应变传感光缆，3为温度补偿光缆，4为管道上切割的U型槽，光缆呈U字型铺设在地下管道的凹槽4内，铺设时应使传感光缆紧贴在管道壁上。将应变传感光缆2和温度补偿光缆3呈U字型平行布设，布设好后对感测光缆预拉直。5为定点夹具，布设时用来使光缆与管道变形更加协调。铺设的传感光缆应在端部预留一定长度，以便于后期测试时引出接入OFDR数据采集仪，6为热膨胀管，光纤与跳线连接处采用热膨胀管6进行加固保护。7为OFDR数据采集仪，采用一台基于OFDR技术的光纤数据采集仪，与计算机相连以实现数据的及时和快速传输。8为光纤数据处理与分析系统，能够根据光纤数据的特点自动判断监测对象的所在位置并提取出相关数据进行平滑、去噪等处理；9为监测结果显示系统，能将处理后的光纤数据以图表等直观的形式显示出来。其中的布设光缆为纤维加强复合光缆，可以确保在布设完成后可以长时间不被破坏。

如图2所示，该图为管道光缆布设的侧面示意图。

地下管道变形监测系统的使用方法如下：

步骤1，在施工开始之前，用斗墨在管道预设部位进行弹墨，以便留下一条呈U字型的墨线，然后沿墨线处使用切割机切割出3mm的槽线即为开槽。在开槽过程中应尽量在弯曲过渡段切割直径大一些，为后续出线保护做准备，保持槽线整体平滑性，防止不同部位槽线深浅不一，导致其后光纤布设时紧贴槽线底部的光纤局部转弯半径过小，从而使得光波在光纤中传播的光损过大，影响测量结果；

步骤2，对凹槽进行有效的除尘和清洗，同时对部分位置线路重复切割修整平直，避免卡断光纤；

步骤3，将应变传感光缆2和温度补偿光缆3呈U字型平行放入到槽内，再使用快干胶将光缆分区段定点固定，然后沿着凹槽埋入感测光缆，对感测光缆进行预拉；最后使用粘结剂以定点粘贴的方式固定感测光缆，粘结剂可采用玻璃钢胶、环氧树脂等胶。

步骤4，利用钻机打孔的方式安装夹具，使用膨胀螺丝固定夹具，用定点夹具使光纤与管道变形更加协调；

步骤5，用AB胶每隔一小段将传感光纤固定于槽缝内，然后用环氧树脂或玻璃钢胶沿传感光缆沿线进行全覆盖封装保护，等待12小时待其自然风干；最后使用AB胶或其他弹性胶对风干后环氧树脂胶进行查漏补缺以确保对于内部光纤线的全封装；

步骤6，在感测光缆布设完毕后，对出线部位光缆，用铠装护套进行保护；将部分长度穿入铠装护套光纤使用粘结剂一起封入到凹槽中；另外部分长度铠装护套光纤穿出到管外部；

步骤7，光纤布设好后，对管道端部伸出的应变传感光缆分别进行熔接，光纤熔接处需加上热膨胀管以增加刚度和耐久性；

步骤8，将光纤接头接入OFDR数据采集仪，设置好相应参数，检查系统联通性并进行初始值的采集，核实监测数据有效性以便进行后续试验测试；

步骤9，将OFDR数据采集仪采集得到的数据导入光纤数据处理与分析系统，系统对数据进行平滑、去噪等处理，剔除光纤交叉点和铠装护套保护段光纤的实测数据后，作出管道的应力应变曲线，分析管道的受力变形特征和变化规律。

步骤(7)中，光纤熔接处加上增加刚度和耐久性的热膨胀管，光纤熔接的步骤包括：

a、用剥线钳剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取少量酒精擦拭裸纤表面灰尘；

b、采用专业的光纤切割刀对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时要保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口要平整，避免切割角度超限、断纤、裂痕、毛刺等现象出现；

c、将两根备制好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

d、待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热缩管固定于光纤熔接部位以此获得保护。

本发明采用开槽布设光缆的方法沿纵向布设应变传感光缆和温度补偿光缆，最后采用环氧树脂胶体黏贴封入到管道内，这样的布设方法使光缆与管道一起协调变形，更能反映出管道的变形规律。

Claims (6)

1.一种基于OFDR技术的地下管道变形监测系统，其特征在于：包括相邻平行铺设在地下管道(1)凹槽内的应变传感光缆(2)和温度补偿光缆(3)、OFDR数据采集仪(7)、光纤数据处理与分析系统(8)和监测结果显示系统(9)，所述OFDR数据采集仪(7)将采集到的应变传感光缆(2)和温度补偿光缆(3)数据导入光纤数据处理与分析系统(8)处理后，显示在监测结果显示系统(9)中。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统，其特征在于：所述应变传感光缆(2)沿着地下管道(1)凹槽埋入槽缝内，并进行预拉。

3.根据权利要求1或2所述的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统，其特征在于：所述温度补偿光缆(3)与应变传感光缆(2)为纤维加强复合光缆。

4.一种采用如权利要求1所述的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：管道内壁开槽：用斗墨在光纤的管道预设部位进行弹墨，以便留下一条呈U字型的细长墨线，沿着墨线切出一条凹槽，在弯曲过渡段切割直径应大一些，为后续出线保护做准备；

步骤(2)：对凹槽进行除尘和清洗，同时对部分线路进行重复切割，修整平直，避免卡段光纤；

步骤(3)：将应变传感光缆(2)和温度补偿光缆(3)呈U字型平行放入到槽内，使用胶水将光缆进行分区段固定，然后沿着凹槽埋入感测光缆，并对光缆进行预拉；

步骤(4)：用定点夹具固定住凹槽内的应变传感光缆(2)和温度补偿光缆(3)；

步骤(5)：用环氧树脂沿传感光缆沿线进行全覆盖封装保护；

步骤(6)：光缆布设完成后，对出线部位的光缆使用铠装护套保护；

步骤(7)：光缆布设好后，对管道端部伸出的应变传感光纤和温度补偿光纤分别进行熔接；

步骤(8)：将熔接好的光缆接头接入到OFDR数据采集仪，设置好相应的参数检查系统联通性并进行初始值的采集，核实监测数据有效性以便进行后续试验测试；

步骤(9)：将OFDR数据采集仪的数据导入光纤数据处理与分析系统，作出管道的应力应变曲线，分析管道的受力变形特征和变化规律。

5.根据权利要求4所述的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统的使用方法，其特征在于：步骤(4)中，所述定点夹具利用钻机打孔的方式安装夹具，使用膨胀螺丝固定夹具，以使得光纤与管道变形更加协调。

6.根据权利要求4所述的基于OFDR技术的地下管道变形监测系统的使用方法，其特征在于：步骤(7)中，所述光缆熔接处加上增加刚度和耐久性的热膨胀管，光纤熔接的步骤包括：

(a)、剥除光缆端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取少量酒精擦拭裸纤表面灰尘；

(b)、对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口要平整；

(c)、将两根备制好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

(d)、待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热缩管固定于光纤熔接部位以此获得保护。