CN111024210B - 一种pccp管道断丝监测及爆管预警方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法及系统。所述方法包括：利用分布式振动传感光缆里面的光纤作为分布式振动传感器，通过分布式振动传感器实时监测PCCP管道沿线断丝时发出的振动能量信号，将监测到的振动能量信号及其断丝的准确位置传输至光纤振动能量信号分析仪，光纤振动能量信号分析仪对振动能量信号进行分析及时发现断丝，并自动累计管道全线和每一节管道的断丝数量和时间间隔，判断断丝发生的趋势，及时提供爆管预警，并为管道加固维修或彻底更换提供决策依据。能够实时且及时的了解管道断丝情况，根据管道断丝情况作为相应的指导策略，极大的降低了PCCP管道断丝情况严重所致的爆管危险。
Description
技术领域
本发明涉及一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法及系统，适用大型PCCP管道引水工程领域。
背景技术
PCCP管道(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，预应力钢筒混凝土管)是指在带有钢筒的高墙混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，它充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。
现有的PCCP管道断丝检测不能准确的定位断丝的位置，而且不能及时了解到管道断丝的情况导致发生爆管，增加了管道加固维修或彻底更换的工作量。
发明内容
本申请提供了一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，包括：带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会传递很大的振动能量给管道壁；利用沿管道敷设的光纤振动传感器，实时采集PCCP管道沿线断丝时产生的振动能量导致的光信号变化；光纤振动信号分析仪通过对光信号的变化数据进行分析对比计算处理，及时发现断丝事件以及断丝的准确位置；报警装置自动累计管道全线和每一节管道的断丝数量和时间间隔，判断断丝发生的速率和趋势，及时提供爆管预警，并为管道加固维修或彻底更换提供决策依据。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中振动信号解调主机通过对光纤中高相干度瑞利散射信号的解调，可解析出断丝事件的振动能量以及幅度、频率和时域特征，实现对断丝事件实时精确监测。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中所述分布式振动传感光缆采用环氧树脂加玻璃纤维或者碳纤维包覆光纤单元挤制而成，具备振动敏感能力，还具有优良的防水和耐腐蚀性能，耐1.5MPa以上水压。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中振动传感光缆的安装敷设方式包括：把传感光缆粘贴于管道内壁和/或管道外壁、或悬浮于管道内或者沉于管道底部、或内置于混凝土罐壁内预留的微管内部；对于新建的PCCP管道，在生产PCCP管道时在管道混凝土壁内预留毛细管或空腔，敷设PCCP管道时将传感光缆同步内置于毛细管或空腔内；或将传感光缆粘贴于管道外壁，便于不停水维修；对于已建在线运行管道，在停水检修时把传感光缆粘贴于管道内壁，或者在不停输的情况下将传感光缆随水流敷设到管道内，设计不同比重的传感光缆，让光缆悬浮或者沉于管底。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中所述光纤振动分析仪发现光纤收到超过设置阈值的异常振动能量信号时，会及时发出预警，其中：
在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集光缆沿途的振动信号数据，形成管道环境噪声曲线图，并作为设置光缆里面的光纤振动报警阈值参考；
把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；
光纤实时采集的振动能量信号没有异常时，表示管道没有发生断丝；
系统采集到单次断丝特征信号时，系统发出单次断丝报警；系统采集到多次断丝信号时，系统发出对应位置的多次断丝报警；同一节管道发生多次断丝，系统会发出爆管预警。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中对于新建PCCP管道，把通信调度用光纤集成到振动传感光缆中来，利用其中一根光纤作为分布式振动传感器，其余光纤用于通信传输；
对于已有通信或者振动传感光缆的PCCP管道，在传感光缆上集成光纤水听器，连接准分布式光纤信号解调主机，和分布式光纤断丝监测主机进行复合判断。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中对振动能量信号进行处理分析而做出判断，具体包括：
腐蚀导致的断丝，信号强度较弱；
氢脆或者人为切割断丝的信号强度较强；
粘贴于管道表面的传感光缆采集到的断丝信号，比埋设于土壤中或者水中的传感光缆采集的信号强。
如上所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其中分布式光纤振动信号分析仪对采集的实时振动能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多根管道还是同一根管道：
如果断丝分散在多根管道，系统发出预警并继续监测；
如果断丝发生在同一根管道，且断丝数量超过设定数量，系统将报警；
如果断丝发生在同一根管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续不间隔的断丝，并达到设计断丝数量系统即时报警；
如果装置采集到比断丝能量大、延续时间长的振动信号，系统将发出爆管报警；
系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动接受终端。
本申请还提供一种PCCP管道断丝监测及爆管预警系统，包括：所述PCCP管道断丝监测及爆管预警系统执行上述PCCP管道断丝监测及爆管预警方法。
本申请实现的有益效果如下：采用本申请的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法及装置能够实时且及时的了解管道断丝情况，而且能够根据管道断丝情况作为相应的指导策略，极大的降低了PCCP管道断丝情况严重所致的爆管危险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法示意图；
图2是本申请实施例提供的分布式振动传感系统原理图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本申请实施例一提供一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，如图1所示，应用于PCCP管道断丝监测及爆管预警系统中，带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会传递很大的振动能量给管道壁；利用沿管道敷设的光纤振动传感器，实时采集PCCP管道沿线断丝时产生的振动能量导致的光信号变化；光纤振动信号分析仪通过对光信号的变化数据进行分析对比计算处理，及时发现断丝事件以及断丝的准确位置；报警装置自动累计管道全线和每一节管道的断丝数量和时间间隔，判断断丝发生的速率和趋势，及时提供爆管预警，并为管道加固维修或彻底更换提供决策依据。
本申请采用的分布式振动传感光缆，包含1芯以上单模G.652光纤。所述分布式振动传感光缆采用环氧树脂加玻璃纤维或者碳纤维包覆光纤单元挤制而成，例如可以采用芳纶纱、碳纤维等高强度材料加强的非金属光缆；也可以采用不锈钢管光纤单元加不锈钢丝铠装的光缆。且分布式振动传感光缆具备振动敏感能力，还具有优良的防水和耐腐蚀性能，耐1.5MPa以上水压。传感光缆制作光缆的材料要满足输水管道的安全环保要求。采用先进的分布式光纤传感技术，能连续实时监测预警单向＞40Km双向＞80km长度的PCCP管道断丝，并能精确显示断丝的准确位置。
其中，振动传感光缆的安装敷设方式包括：把传感光缆粘贴于管道内壁和/或管道外壁、或悬浮于管道内或者沉于管道底部、或内置于混凝土罐壁内预留的微管内部；
对于新建的PCCP管道，在生产PCCP管道时在管道混凝土壁内预留毛细管或空腔，敷设PCCP管道时将传感光缆同步内置于毛细管或空腔内；或将传感光缆粘贴于管道外壁，便于不停水维修；且对于新建的PCCP管道可以把通信调度用光纤集成到振动传感光缆中来，利用其中一根光纤作为分布式振动传感器，其余光纤用于通信传输；
对于已建在线运行管道，在停水检修时把传感光缆粘贴于管道内壁，或者在不停输的情况下将传感光缆随水流敷设到管道内，设计不同比重的传感光缆，让光缆悬浮或者沉于管底。且对于已有通信或者振动传感光缆的PCCP管道，可在传感光缆上集成光纤水听器，连接准分布式光纤信号解调主机，和分布式光纤断丝监测主机进行复合判断。
本申请实施例中，光纤振动分析仪对振动能量信号进行处理分析而做出判断，具体包括：
腐蚀导致的断丝，信号强度较弱；
氢脆或者人为切割断丝的信号强度较强；
粘贴于管道表面的传感光缆采集到的断丝信号，比埋设于土壤中或者水中的传感光缆采集的信号强。
进一步地，分布式光纤振动信号分析仪对采集的实时振动能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多根管道还是同一根管道：
如果断丝分散在多根管道，系统发出预警并继续监测；
如果断丝发生在同一根管道，且断丝数量超过设定数量，系统将报警；
如果断丝发生在同一根管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续不间隔的断丝，并达到设计断丝数量系统即时报警；
如果装置采集到比断丝能量大、延续时间长的振动信号，系统将发出爆管报警；系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动接受终端。
此外，当光纤振动分析仪发现光纤收到超过设置阈值的异常振动能量信号时，会及时发出预警，具体包括：
在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集光缆沿途的振动信号数据，形成管道环境噪声曲线图，并作为设置光缆里面的光纤振动报警阈值参考；
把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；
光纤实时采集的振动能量信号没有异常时，表示管道没有发生断丝；
系统采集到单次断丝特征信号时，系统发出单次断丝报警；系统采集到多次断丝信号时，系统发出对应位置的多次断丝报警；同一节管道发生多次断丝，系统会发出爆管预警。
实施例二
本申请实施例二对于新建的PCCP管道或既有在用的PCCP管道均能够采用分布式振动传感光缆对管道断丝进行监测，具体包括：
(1)对于新建的PCCP管道安装断丝检测预警系统，在PCCP管道内壁和/或管道外壁固定传感光缆，利用光缆里面的光纤作为分布式振动传感器，通过实时分布式监测光纤采集管道沿线断丝时发出的的振动能量信号；分布式振动传感器连接振动能量信号分析仪，通过对振动能量信号的分析及时发现断丝，实现PCCP管道断丝监测，并提供断丝的准确位置，自动累计管道全线和每一节管道的断丝数量和时间间隔，判断断丝发生的趋势，及时提供爆管预警；并为管道加固维修或彻底更换提供决策依据。
具体地，利用敷设于管道内、外的光缆作为传感器，及时采集预应力钢丝发生绷断断丝时发出的振动以及外层砂浆碎裂发出的振动能量信号，其中单次断丝会发出单次短暂的信号；多次断丝会发出多次信号；然后实时向所述光纤信号分析仪反馈检测信号。
光纤信号分析仪对检测到的振动能量信号进行处理分析而做出判断，判断结果包括：
腐蚀导致的断丝，信号强度较弱；
氢脆或者人为切割断丝的信号强度较强；
进一步地，光纤信号分析仪发现光纤收到额外振动能量信号时，会及时发出预警，具体包括：
在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集光缆沿途的振动能量信号数据，形成管道环境噪声曲线图，并作为设置光缆里面的光纤振动报警阈值参考；把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；
若光纤实时采集的振动能量信号没有突发的脉冲信号时，表示管道没有发生断丝；若光纤采集到类似断丝的单次信号特征时，系统发出单次断丝报警；若系统采集到多次类似断丝信号时，系统发出对应的多次断丝报警；
另外，分布式振动能量信号分析仪对采集的实时振动能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多根管道还是同一根管道。如果断丝分散在多根管道，系统发出预警并继续监测；如果断丝发生在同一根管道，且断丝数量超过设定数量，系统将报警；如果断丝发生在同一根管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续不间隔的断丝，并达到设计断丝数量，系统即时报警；
可选地，系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动终端。监控中心或移动终端在分析断丝次数达到需要加固管道的设定数量，需要对管道进行加固；如果断丝的数量达到需要换管的设计数量，则需要更换管道。
(2)对于既有再用管道安装断丝监测及爆管预警系统，采用采用金属传感光缆，用浮力浮标从泵站水泵进水口把光缆牵引到指定长度的管道内，把光缆的一端和光纤振动分析仪连接；也可以在传感光缆上集成光纤水听器，连接光纤水听器解调主机，和分布式光纤断丝监测系统进行复合判断，提高断丝监测的准确性。
具体地，利用既有通信光缆里面的一根光纤作为作为分布式振动传感器，即光纤既是传感器也是传输信息的通道；分布式振动传感光缆，包含1芯以上单模G.652光纤。传感光缆可以采用芳纶纱、碳纤维等高强度材料加强的非金属光缆；也可以采用不锈钢管光纤单元加不锈钢丝铠装的光缆，制作光缆的材料要满足输水管道的安全环保要求。
敷设于管道内的振动传感光缆，须具备很好的纵向和径向防水功能，并能够承受1.5MPa以内的水压。一般采用把传感光缆固定在管道内壁和/或管道外壁的粘贴方式；也可以悬浮于水中或者沉于管道底部；也可以内置于管道底部的混凝土、或者预置于混凝土内的微管(金属或者非金属)内部。由于断丝会传递很大的能量给管道壁，因此粘贴于管道表面的传感光缆采集到的断丝信号比埋设于土壤中或者水中的传感光缆采集的信号强。
其中，当分布式振动传感器连接振动能量信号解调主机时，振动能量信号解调主机通过对光纤中高相干度瑞利散射信号的解调，可高保真还原振动事件的位置、幅度和频率，从而实现对断丝发出的振动的实时精确监测预警。原理如下：
分布式光纤振动监测系统采用OTDR原理:激光器输出的连续激光光波经声光调制器(AOM)转换成脉冲光。通过掺铒光纤放大器(EDFA)对脉冲光强进行放大，通过环形器注入到传感光纤中。传感光纤产生的后向瑞利散射光经环形器被光电探测器(PD)接收后，由数据采集卡采集光强信号，交由计算机处理。使用窄线宽激光器以实现脉宽范围内后向瑞利散射光之间发生干涉，提高灵敏度，使之能够响应振动引起的光相位变化。光纤分布式振动传感系统原理如图2所示。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其特征在于，包括：带预应力的钢丝绷断时，钢丝脱离混凝土束缚的瞬间，会传递很大的振动能量给管道壁；利用沿管道敷设的光纤振动传感器，实时采集PCCP管道沿线断丝时产生的振动能量导致的光信号变化；光纤振动信号分析仪通过对光信号的变化数据进行分析对比计算处理，及时发现断丝事件以及断丝的准确位置；报警装置自动累计管道全线和每一节管道的断丝数量和时间间隔，判断断丝发生的速率和趋势，及时提供爆管预警，并为管道加固维修或彻底更换提供决策依据；
分布式振动传感光缆的安装敷设方式包括：把传感光缆粘贴于管道内壁和/或管道外壁、或悬浮于管道内或者沉于管道底部、或内置于混凝土罐壁内预留的微管内部；对于新建的PCCP管道，在生产PCCP管道时在管道混凝土壁内预留毛细管或空腔，敷设PCCP管道时将传感光缆同步内置于毛细管或空腔内；或将传感光缆粘贴于管道外壁，便于不停水维修；对于已建在线运行管道，在停水检修时把传感光缆粘贴于管道内壁，或者在不停输的情况下将传感光缆随水流敷设到管道内，设计不同比重的传感光缆，让光缆悬浮或者沉于管底；
所述光纤振动分析仪发现光纤收到超过设置阈值的异常振动能量信号时，会及时发出预警，其中：
在确认新建PCCP管道正常没有断丝状态下，采集光缆沿途的振动信号数据，形成管道环境噪声曲线图，并作为设置光缆里面的光纤振动报警阈值参考；
把采集到的断丝信号的频域、时域及强度数据特征作为断丝模式识别参考；
光纤实时采集的振动能量信号没有异常时，表示管道没有发生断丝；
系统采集到单次断丝特征信号时，系统发出单次断丝报警；系统采集到多次断丝信号时，系统发出对应位置的多次断丝报警；同一节管道发生多次断丝，系统会发出爆管预警；
对振动能量信号进行处理分析而做出判断，具体包括：
腐蚀导致的断丝，信号强度较弱；
氢脆或者人为切割断丝的信号强度较强；
粘贴于管道表面的传感光缆采集到的断丝信号，比埋设于土壤中或者水中的传感光缆采集的信号强；
分布式光纤振动信号分析仪对采集的实时振动能量信号及位置数据加以分析处理和统计对比，判断断丝发生在多根管道还是同一根管道：
如果断丝分散在多根管道，系统发出预警并继续监测；
如果断丝发生在同一根管道，且断丝数量超过设定数量，系统将报警；
如果断丝发生在同一根管道，虽然断丝数量没有达到报警阈值，但是发生连续不间隔的断丝，并达到设计断丝数量系统即时报警；
如果装置采集到比断丝能量大、延续时间长的振动信号，系统将发出爆管报警；
系统报警时会发出声光信号，并同时将报警信号通过网络发送至监控中心或者相关人员的移动接受终端。
2.如权利要求1所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其特征在于，振动信号解调主机通过对光纤中高相干度瑞利散射信号的解调，可解析出断丝事件的振动能量以及幅度、频率和时域特征，实现对断丝事件实时精确监测。
3.如权利要求1所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其特征在于，所述分布式振动传感光缆采用环氧树脂加玻璃纤维或者碳纤维包覆光纤单元挤制而成，具备振动敏感能力，还具有优良的防水和耐腐蚀性能，耐1.5MPa以上水压。
4.如权利要求1所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法，其特征在于，对于新建PCCP管道，把通信调度用光纤集成到振动传感光缆中来，利用其中一根光纤作为分布式振动传感器，其余光纤用于通信传输；
对于已有通信或者振动传感光缆的PCCP管道，在传感光缆上集成光纤水听器，连接准分布式光纤信号解调主机，和分布式光纤断丝监测主机进行复合判断。
5.一种PCCP管道断丝监测及爆管预警系统，其特征在于，包括：所述PCCP管道断丝监测及爆管预警系统执行如权利要求1-4中任一项所述的PCCP管道断丝监测及爆管预警方法。
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