CN109827078B - 一种基于分布式光纤测温的输油管道缺陷检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分布式光纤测温的输油管道缺陷检验方法，包括如下步骤：关闭冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，对恒温水箱中的水进行加热并控制恒温水箱中温度为恒温；打开热水泵，使得第一连接管道、第二连接管道、待测管道和恒温水箱中的水形成循环通路；数据采集仪采集对温度数据进行采集并将数据输送到计算机中；计算机将数据形成曲线，观察采集的数据，待数据稳定后，停止数据采集；冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，运用冷凝水冷却管道至室温再进行下一组实验。本发明能够根据输油管道的温度差异检查输油管道的缺陷，提高了输油管道缺陷检验的效率和准确度。

Description

一种基于分布式光纤测温的输油管道缺陷检验方法

本案为分案申请，原申请的发明名称为：一种基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷检验系统及方法，原申请的申请日为：2017-11-23，原申请的申请号为：201711178698.6。

技术领域

本发明属于输油管道领域，尤其涉及一种基于分布式光纤测温的输油管道缺陷检验方法。

背景技术

管道运输是国际货物运输方式之一，是利用地下管道将原油、天然气、成品油、矿浆、煤浆等介质送到目的地。相对于其他运输方式具有运量大、不受气候和地面其他因素限制、可连续作业以及成本低等优点，已经成为油气运输的重要途径。由于长途油气管道多分布在荒郊野外等无人留守的地方，易受到外界人为破坏(如：打孔盗油等)和突发性自然灾害(如地震、滑坡等)的破坏，发生管道断裂和油气泄漏事故；又因为管道埋设不深，在通过有人居住区时时常受到各种建筑施工的威胁，因为野蛮施工损害、挖断管道的事件时有发生。油气管道具有高温、高压、易燃和易爆的特点，一旦发生泄漏，不仅使管道停输，而且严重污染环境。给当地人民生命财产带来严重威胁，如果引发泄漏油气的燃烧、爆炸，后果不堪设想。

现有的油气管道安全监测方法主要有油气压力探测法、油气流量探测法，负压力波探测方法等，上述方法和系统已在国内外多条输油管道上进行了试用，成功发现了多起油气泄漏事故，取得了明显的经济效益。然而现有油气管道监测方法主要集中在对油气管道泄漏的监测上，仅能在泄漏事故发生后，被动的检测泄漏点，而不能及时发现早期的事故隐患，从而排除险情、杜绝泄漏事故发生，属于事后监测，仅能减少损失，不能避免损失。所以极有必要在泄漏之前，对可能导致油气泄漏的破坏行为进行预警，彻底杜绝经济损失和安全事故的发生。

常用的超声波探伤对缺陷的显示不直观，探伤技术难度大，容易受到主客观因素影响，以及探伤结果不便于保存，超声波检测对工作表面要求平滑，要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、适合于厚度较大的零件检验，使超声波探伤具有其局限性。而且探伤过程中必须中断管道中流体的流动，影响正常工业运输，在经济上造成一定损失。

而基于拉曼反射的分布式光纤测温系统是近年发展起来的新型光纤测温技术。具有测距，可复用，分辨率高，非破坏性报警，输出光信号，抗电磁干扰，防潮抗腐蚀，误差小等优点，因而可以用于强电磁场，高电压，大电流，易燃易爆和复杂几何环境等恶劣状况下的温度测量。由于油田中输油管道受到腐蚀生成缺陷后的检测较为复杂且经济成本较高。

分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。将光纤沿管线铺设作为传感元件，则整个光纤长度上的任一点都是敏感点，属于“海量”测量，理论上传感距离任意长，空间分辨率任意小，检测没有盲区，并包容了光纤的不受电磁干扰，灵敏度高，可靠性高，耐腐蚀，体积小等诸多优点，能够满足对数十公里管道全线破坏行为的实现预警的监测，因此成为目前国内外研究的热点。

本发明基于该种光纤测温技术，利用缺陷处与正常管道温度差异得到一种输油管道缺陷在线检验的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷检验系统及方法，基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷监测系统，可以在不破坏管道的前提下对输油管道内壁存在的各种类型缺陷进行准确判断，并且能精确定位缺陷的空间位置。监测系统可以测量获得温度、压力、流体速度等参数，将这些参数带入实验数据拟合公式，可以精确计算管道内壁缺陷处的壁厚。该监测系统的开发对输油管道的安全运行具有重要意义。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷检验系统，包括第一连接管道、第二连接管道，所述的待测管道设置在第一连接管道和第二连接管道之间，热水泵连接第二连接管道，恒温水箱连接热水泵和第一连接管道，光纤布线在与第一连接管道、第二连接管道和待测管道的外壁，分布式温度传感器与光纤数据连接，数据采集记录仪连接分布式温度传感器，计算机连接数据采集记录仪。

作为优选，冷凝水输出管路连接第一连接管道，冷凝水回收管路连接第二连接管路。

作为优选，第一连接管道和第二连接管道分别连接压力表。

作为优选，光纤布线方式采用同轴直线或者环轴缠绕的方式。

一种采用前面所述的检验系统检测输油管道缺陷的方法，包括如下步骤：

步骤1)关闭冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，对恒温水箱中的水进行加热并控制恒温水箱中温度为恒温；

步骤2)打开热水泵，使得第一连接管道、第二连接管道、待测管道和恒温水箱中的水形成循环通路；

步骤3)数据采集仪采集对温度数据进行采集并将数据输送到计算机中；

步骤4)计算机将数据形成曲线，观察采集的数据，待数据稳定后，停止数据采集；

步骤5)冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，运用冷凝水冷却管道至室温再进行下一组实验。

作为优选，步骤1)恒温水箱中的恒温温度为50-60℃。

作为优选，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均值，如果测量的某一点的温度超过平均温度一定数值，则计算机自动输出该测量的位置及其温度数据。

作为优选，所述一定温度是10℃以上。

作为优选，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均温度，并计算第一连接管道和第二连接管道的平均温度，如果待测管道的平均温度超过第一连接管道和第二连接管道的平均温度一定数值，则计算机自动发出报警，并输出待测管道的平均温度数据以及第一连接管道和第二连接管道的平均温度数据。

作为优选，判断管道测温点腐蚀厚度的计算公式如下：

其中符号如下：

Δ 腐蚀厚度，m

r 管道内半径，m

δ_p 管道道体壁厚，m

ν 管道内流体运动粘度，m²/s

λ_p 管道材料导热系数，W/(m·K)

λ_f 管道内流体导热系数，W/(m·K)

u 管道内流体流速，m/s

T_f 正常段管道内流体温度，K

T'_f 待测管道内流体温度，K

T₀ 环境温度，K

t 正常段管道表面温度，K

t' 待测管道表面温度，K

ρ 管道内流体密度，kg/m³

c 管道内流体比热，J/(kg·℃)

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明利用输油管道缺陷的温度差异，利用分布式光纤建立起来对输油管道缺陷测量的实验系统及方法，克服了现有技术中例如超声波测量等缺陷，提高了输油管道缺陷检验的效率和准确度。

2)从本实验所得数据可知，缺陷处较其他参照部位存在明显温差，即该光纤测温系统可以较为精准地测出缺陷所在位置，为输油管道缺陷在线检验提供了一种省时、经济、有效的手段。

3)通过分布式光纤感测架构的研究，简化系统结构，便于在油气管道中布放，提高器件的可靠性，减少有用信号损耗和噪音引入，增加信号的稳定性，改善系统的监测性能；其次，单点、多点定位算法以及信号处理算法的研究，为提高监测系统定位精度和监测性能奠定理论基础；再次，采用PGC解调电路和DSP信号处理电路，有效解调出泄漏信号和泄漏点定位信息，提高信号处理分析的效率，使系统小型化，为系统的现场应用提供技术支持。适合于油气集输管道泄漏监测系统的探索，为实现我国的油气集输管道的安全检测提供技术支持，对保障我国油气开发安全具有相当重要的意义。

4)通过本测量装置及其方法，即可以检测输油管道整体是否满足输油要求，也可以快速检测输油管道上某一位置上的缺陷，适应范围广泛。

5)本发明通过大量的数值模拟和实验确定了判断管道测温点腐蚀厚度的计算公式，使其广泛应用于输油管道，而且通过大量的实验得到了证明，误差范围在3％以内。

附图说明

图1是本发明的测量装置结构示意图；

图2是本发明的测量装置结构进一步优化示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，一种基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷检验系统，包括第一连接管道、第二连接管道，所述的待测管道设置在第一连接管道和第二连接管道之间，热水泵连接第二连接管道，恒温水箱连接热水泵和第一连接管道，光纤布线在与第一连接管道、第二连接管道和待测管道的外壁，分布式温度传感器与光纤数据连接，数据采集记录仪连接分布式温度传感器，计算机连接数据采集记录仪。

上述检验系统，通过分布式光纤建立起来对输油管道温度的多点测量，可以准确及时的检测出不同位置的温度，从而利用输油管道缺陷的温度差异，准确及时的测量出缺陷的位置及其缺陷输油管道，提高了输油管道缺陷检验的效率和准确度。

作为优选，冷凝水输出管路连接第一连接管道，冷凝水回收管路连接第二连接管路。冷凝水用于对连接管道和待测管道进行快速冷却，使它们快速降低到常温(优选20℃)，以便及时进行下一组的检测。提高检测的效率。

作为优选，冷凝水输出管路与第一连接管道之间设置阀门，用于开闭冷凝水输出。

作为优选，第一连接管道和第二连接管道分别连接压力表。压力表用来测量管道入口处和出口处流体的压力，得到流体在管内流动的压力降，用以计算缺陷处管道的实际壁厚。

作为优选，光纤布线方式采用同轴直线或者环轴缠绕的方式。

一种采用如图1所示的所述的检验系统检测输油管道缺陷的方法，包括如下步骤：

步骤1)关闭冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，对恒温水箱中的水进行加热并控制恒温水箱中温度为恒温；

步骤2)打开热水泵，使得第一连接管道、第二连接管道、待测管道和恒温水箱中的水形成循环通路；

步骤3)数据采集仪采集对温度数据进行采集并将数据输送到计算机中；

步骤4)计算机将数据形成曲线，观察采集的数据，待数据稳定后(优选采集15分钟)，停止数据采集；

步骤5)冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，运用冷凝水冷却管道至室温再进行下一组实验。

通过上述测量步骤，可以及时准确的测量出不同位置或者不同管道的温度差异，从而进行及时准确的缺陷测试。

作为优选，步骤1)恒温水箱中的恒温温度为50-60℃。

作为优选，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均值，如果测量的某一点的温度超过平均温度一定数值，则计算机自动输出该测量的位置及其温度数据。此步骤是针对输油管道的某一位置的缺陷进行的检测，可以有针对性的测量输油管道的某一位置的缺陷。例如某一位置有点凹陷、线凹陷及面凹陷等，可以立刻检测出来相关的位置及其根据温度检测出来凹陷的程度，是否容易泄露等，进行准确的判断。

作为优选，所述一定温度是10℃以上。

作为优选，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均温度，并计算第一连接管道和第二连接管道的平均温度(即两个连接管道一起的平均温度数据)，如果待测管道的平均温度超过第一连接管道和第二连接管道的平均温度一定数值，则计算机自动发出报警，并输出待测管道的平均温度数据以及第一连接管道和第二连接管道的平均温度数据。此步骤是针对输油管道的整体进行的检测，因为连接管道采用的是满足输油要求的标准管道，因此通过待测管道和连接管道之间的温度对比，可以有针对性的测量整体输油管道的缺陷。可以立刻检测出来相输油管道的缺陷程度，是否还有必要维修，是否是次品等，进行准确的判断。

作为优选，本发明通过大量的数值模拟和实验确定了判断管道测温点腐蚀厚度的计算公式，具体公式如下：

符号	意义	数据来源
			Δ	腐蚀厚度，m	计算得到
r	管道内半径，m	测量得到
			δ<sub>p</sub>	管道壁厚，m	测量得到
ν	管道内流体运动粘度，m<sup>2</sup>/s	查数据表得到
			λ<sub>p</sub>	管道道体材料导热系数，W/(m·K)	查数据表得到
λ<sub>f</sub>	管道内流体导热系数，W/(m·K)	查数据表得到
			u	管道内流体流速，m/s	测量得到
T<sub>f</sub>	正常段管道内流体温度，K	测量得到
			T'<sub>f</sub>	待测管道内流体温度，K	测量得到
T<sub>0</sub>	环境温度，K	测量得到
			t	正常段管道表面温度，K	测量得到
t'	待测管道表面温度，K	测量得到
			ρ	管道内流体密度，kg/m<sup>3</sup>	查数据表得到
c	管道内流体比热，J/(kg·℃)	查数据表得到

正常段管道内流体温度T_f采用第一连接管道和第二连接管道内流体温度的平均值来计算。优选可以将第一第一连接管道和第二连接管道测量的多个温度值进行加权平均。

正常段管道表面温度用第一连接管道和第二连接管道内管道表面温度的平均值来计算。优选可以将第一第一连接管道和第二连接管道测量的多个表面温度值进行加权平均。

作为优选，32mm<r<300mm；3mm<δ_p<12mm；(0.5<ν<45)×10^-6m²/s；0.2<u<25m/s；10<T_f<200℃；820<ρ<950kg/m³。

进一步优选，100mm<r<200mm；6mm<δ_p<9mm；(15<ν<30)×10^-6m²/s；8<u<15m/s；50<T_f<100℃；850<ρ<920kg/m³。

当测量的管道壁厚与腐蚀厚度之间的差值超过一定数据(例如3mm以下)或者超过管道壁厚的一定比例(例如50％以上)，则计算机自动发出报警信号，同时输出测温点的位置、温度及其厚度数据。

上述的计算公式是通过大量的数值模拟和实验得到，而且通过大量的实验得到了证明，误差范围在3％以内。

作为优选，在第一连接管道和第二连接管道上分别设置温度传感器和速度传感器，测量管道内流体的温度和流速，并通过计算第一连接管道和第二连接管道的温度和速度的平均值，从而采用上述平均值作为待测管道的温度和速度的数据。通过测量第一连接管道和第二连接管道的数据来作为待测管道内的数据，可以使得测量结果更加准确，而且还可以使得待测管道内没有任何传感器来影响流体在待测管道内的流动，从而保证待测管道内的测量的温度数据更加准确。

实验装置进一步优选如图2所示，包括如下实验步骤：

1.在管道上布置光线，并将光纤数据接口连接到调制解调器。接通电脑、数据采集仪和调制解调器电源。打开相应的数据监测和采集软件，准备开始实验。

2.开启阀门1、2、3，关闭阀门4、5、6；开启热油泵，使恒温箱内的高温油进入测试管道，通过光纤测温系统读取并记录管道外壁温；记录测试管道入口和出口处的流体压力值；记录恒温油箱内油的温度值。

3.数据采集完成后热油泵；关闭阀门1、2、3，开启阀门4、5、6,并开启循环油泵，将冷却油箱内的油泵入被测管道；通过光纤测温系统读取并记录管道外壁温；记录测试管道入口和出口处的流体压力值；记录冷却油箱内油的温度值。

4.数据采集完成后关闭循环油泵；关闭光纤测温系统；关闭阀门4、5、6。

5.测试完成。

基于分布式光纤测温系统的输油管道缺陷监测系统，可以在不破坏管道的前提下对输油管道内壁存在的各种类型缺陷进行准确判断，并且能精确定位缺陷的空间位置。监测系统可以测量获得温度、压力、流体速度等参数，将这些参数带入实验数据拟合公式，可以精确计算管道内壁缺陷处的壁厚。该监测系统的开发对输油管道的安全运行具有重要意义。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤测温的输油管道缺陷检验方法，其特征在于，所述检验方法所采用的检验系统包括：第一连接管道、第二连接管道，待测管道设置在第一连接管道和第二连接管道之间，热水泵连接第二连接管道，恒温水箱连接热水泵和第一连接管道，光纤布线在第一连接管道、第二连接管道和待测管道的外壁，分布式温度传感器与光纤数据连接，数据采集记录仪连接分布式温度传感器，计算机连接数据采集记录仪；所述检验方法包括如下步骤：

步骤1)关闭冷凝水输出管路与第一连接管道之间的阀门，对恒温水箱中的水进行加热并控制恒温水箱中温度为恒温；

步骤2)打开热水泵，使得第一连接管道、第二连接管道、待测管道和恒温水箱中的水形成循环通路；

步骤3)数据采集仪采集对温度数据进行采集并将数据输送到计算机中；

步骤4)计算机将数据形成曲线，观察采集的数据，待数据稳定后，停止数据采集；

步骤5)冷凝水输出管路与第一连接管道之间设有阀门，运用冷凝水冷却管道至室温再进行下一组实验；

其中，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均温度，并计算第一连接管道和第二连接管道的平均温度，如果待测管道的平均温度超过第一连接管道和第二连接管道的平均温度一定数值，则计算机自动发出报警，并输出待测管道的平均温度数据以及第一连接管道和第二连接管道的平均温度数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)恒温水箱中的恒温温度为50-60℃。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，计算机将采集的待测管道的温度数据计算平均值，如果测量的某一点的温度超过平均温度一定数值，则计算机自动输出该测量的位置及其温度数据。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一定数值是10℃以上。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，判断管道测温点腐蚀厚度的计算公式如下：

其中符号如下：

Δ腐蚀厚度，m

r管道内半径，m

δ_p管道道体壁厚，m

ν管道内流体运动粘度，m²/s

λ_p管道材料导热系数，W/(m·K)

λ_f管道内流体导热系数，W/(m·K)

u管道内流体流速，m/s

T_f正常段管道内流体温度，K

T′_f待测管道内流体温度，K

T₀环境温度，K

t正常段管道表面温度，K

t'待测管道表面温度，K

ρ管道内流体密度，kg/m³

c管道内流体比热，J/(kg·℃)。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，冷凝水输出管路连接第一连接管道，冷凝水回收管路连接第二连接管路。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一连接管道和第二连接管道分别连接压力表。

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