CN111442193A - 一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置及其监测方法，属于结构安全监测技术领域。该监测装置包括光纤传感器和数据采集仪器，光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道的外壁上，通过光纤传感器获得管道的纵向应变数据，提取弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。与传统的管道监测方法相比，具有实时监测、远程传感、分布式测量的优势。可以获取管道全长的应变分布状态，根据悬空管道附加弯矩分布特征判断管道任意位置的悬空出现，识别管道悬空长度及其影响范围，并可根据监测数据实时评估管道弯曲应力，避免因悬空未能及时发现而导致的管道破坏，实现管道悬空状态的实时监测和科学预警。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置及其监测方法，属于结构安全监测技术领域。
背景技术
天然气、石油与煤炭作为当今世界一次性能源的三大支柱，在国家的经济发展中起着相当重要的作用。长期以来，我国一直都是煤炭消费大国，在发展经济的同时也带来了严重的环境问题。进入新时代以来，我国逐步进行能源结构调整优化，走向大力开发清洁能源的道路。我国对石油和天然气消费量呈井喷式的增长，埋地管道作为油气资源的主要运输方式之一，是较为经济、合理的运输方式。我国埋地管道的大力兴建，铺设场地环境越来越复杂，埋地管道安全运行形势也较为严峻。
通常，管道在滑坡、侵蚀、沉降、洪水以及流动沙丘等地质或自然灾害作用下会产生悬空，管道应力会发生变化。若管道弯曲应力过大，会导致管道发生塑性变形甚至破裂。而本身运输介质具有易燃、易爆等特点，一旦发生事故，可能会造成重大的经济损失和严重的环境污染，甚至对人民的生命安全构成威胁。因此，对管道悬空状态进行及时预警显得十分重要。
传统的管道监测包括超声波法、负压波法、涡流检测法、漏磁监测法、压电阻抗法、光纤光栅监测技术。但是对于沙漠或山区等野外条件，这些方法会受到天气环境、交通荷载、电磁干扰以及复杂环境腐蚀的影响，无法及时发现管道悬空。因此迫切需要一种适合管道长距离布设进行管道悬空监测的方法。
本发明针对此问题，提出将基于Brillouin散射原理原理的布里渊光纤传感技术应用于埋地管道，利用其实时监测、远程传感、分布式测量的优势，可以对管道全长的应变分布状况进行监测，根据悬空管道附加弯矩分布特征准确判断管道任意位置的悬空出现，识别管道悬空长度及其影响范围，并可根据监测数据实时评估管道弯曲应力，避免因悬空未能及时发现而导致的管道破坏，实现管道悬空状态的实时监测和科学预警。
发明内容
本发明的目的是提供一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置及其监测方法，通过将Brillouin分布式应变光纤传感器纵向布设到埋地管道表面进行分布式测量，可以根据悬空管道附加弯矩分布特征准确判断管道任意位置的悬空出现，识别悬空长度及其影响范围，并可根据分布式传感器采集的管道全长应变分布状况，实时评估管道弯曲应力，为悬空状态导致的管道失效提供科学预警。
本发明的技术方案是：一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，它包括分布式应变光纤传感器和数据采集仪器，所述分布式应变光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道的外壁上，时钟12点位置的第二分布式应变光纤传感器分别连接时钟3点位置的第一分布式应变光纤传感器和时钟9点位置的第三分布式应变光纤传感器，第一分布式应变光纤传感器和第三分布式应变光纤传感器分别与数据采集仪器连接；由于沿埋地管道纵向布设的分布式应变光纤传感器采集的应变是弯曲应变和轴向应变叠加的结果，通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，提取弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
所述第一分布式应变光纤传感器采用第一约束试件与环氧树脂固定在相当于时钟3点位置的埋地管道的外壁上。
所述第二分布式应变光纤传感器采用第二约束试件、第三约束试件与环氧树脂固定在相当于时钟12点位置的埋地管道的外壁上。
所述第三分布式应变光纤传感器采用第四约束试件与环氧树脂固定在相当于时钟9点位置的埋地管道的外壁上。
所述的一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测方法采取以下步骤：
第一步、根据埋地管道的长度，确定分布式应变光纤传感器的长度；
第二步、根据埋地管道的外径和施工工艺，确定将保护分布式应变光纤传感器的约束试件截面尺寸；
第三步、采用聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯通用塑料材料制作约束试件；
第四步、在埋地管道施工现场，分别从埋地管道起始端沿相当于时钟3点、9点以及12点向末端纵向布设分布式应变光纤传感器，将分布式应变光纤传感器用胶带间隔等距离固定住，并在分布式应变光纤传感器的起始端和末端预留一段用于连接的长度；
第五步、在埋地管道起始端，将相当于时钟3点和12点处的分布式应变光纤传感器都分别先套上热塑管后熔接在一起，然后拧紧热塑管，对分布式应变光纤传感器的连接部位形成封装保护；在埋地管道末端，将相当于时钟9点和12点处的分布式应变光纤传感器的连接部位进行同样处理的封装保护；
第六步、将埋地管道起始端、相当于时钟9点与埋地管道末端、相当于时钟3点处的分布式应变光纤传感器的预留长度分别连接好导引光缆，并采取与第五步同样的保护措施对连接部位进行封装；
第七步、分别在埋地管道相当于时钟3点、9点以及12点附近纵向布置相应的约束试件；
第八步、从埋地管道起始端到末端在相当于时钟3点、9点以及12点处的约束试件浇筑环氧树脂，将分布式应变光纤传感器完全包裹住，待其凝固；
第九步、在完成三条分布式应变光纤传感器的布设和保护后，将两条导引光缆分别连接到数据采集仪器；
第十步、通过数据采集仪器对埋地管道全长的应变数据进行采集，用下列公式进行计算：
式中，x为沿管道纵向的某一任意位置，εL(x)、εR(x)、εD(x)分别为管道在x处截面相当于时钟9点、3点、12点处的光纤实测应变值，θ为管道中性面偏转角，εW(x)、εZ(x)为管道在x处的弯曲和轴向应变；通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，根据上式进行换算得到沿管道任意位置的弯曲应变和轴向应变，进而通过将弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
本发明的有益效果是：这种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，包括分布式应变光纤传感器和数据采集仪器，分布式应变光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道的外壁上，时钟12点位置的第二分布式应变光纤传感器分别连接时钟3点位置的第一分布式应变光纤传感器和时钟9点位置的第三分布式应变光纤传感器，第一分布式应变光纤传感器和第三分布式应变光纤传感器分别与数据采集仪器连接；由于沿埋地管道纵向布设的分布式应变光纤传感器采集的应变是弯曲应变和轴向应变叠加的结果，通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，提取弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。本发明与传统的管道监测方法相比，具有实时监测、远程传感、分布式测量的优势。分布式应变光纤传感器可以获取管道全长的应变分布状态，根据悬空管道附加弯矩分布特征判断管道任意位置的悬空出现，识别管道悬空长度及其影响范围，并可根据监测数据实时评估管道弯曲应力，避免因悬空未能及时发现而导致的管道破坏，实现管道悬空状态的实时监测和科学预警。
附图说明
图1是一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置的示意图。
图2是在埋地管道上分布式应变光纤传感器的布置图。
图3是埋地管道悬空变形示意图。
图4是埋地管道悬空段和转换段力学模型示意图。
图5是埋地管道悬空附加弯矩分布示意图。
图6是管顶分布式光纤应变传感器实测应变值。
图中：1、第一分布式应变光纤传感器，1a、第二分布式应变光纤传感器，1b、第三分布式应变光纤传感器，2、环氧树脂，3、第一约束试件，3a、第二约束试件，3b、第三约束试件，3c、第四约束试件，4、数据采集仪器，5、埋地管道，6、导引光缆，7、管道水平面，θ、管道中性面偏转角。
具体实施方式
图1、2出示了一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置和分布式应变光纤传感器的布置图。图中，这种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置包括分布式应变光纤传感器和数据采集仪器4，分布式应变光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道5的外壁上，时钟12点位置的第二分布式应变光纤传感器1a分别连接时钟3点位置的第一分布式应变光纤传感器1和时钟9点位置的第三分布式应变光纤传感器1b，第一分布式应变光纤传感器1和第三分布式应变光纤传感器1b分别与数据采集仪器4连接。由于沿埋地管道5纵向布设的分布式应变光纤传感器采集的应变是弯曲应变和轴向应变叠加的结果，通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，将弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
第一分布式应变光纤传感器1采用第一约束试件3与环氧树脂2固定在相当于时钟3点位置的埋地管道5的外壁上。第二分布式应变光纤传感器1a采用第二约束试件3a、第三约束试件3b与环氧树脂2固定在相当于时钟12点位置的埋地管道5的外壁上。第三分布式应变光纤传感器1b采用第四约束试件3c与环氧树脂2固定在相当于时钟9点位置的埋地管道5的外壁上。
这种埋地管道悬空状态分布式光纤监测方法采取以下步骤：
第一步、根据埋地管道5的长度，确定分布式应变光纤传感器的长度；
第二步、根据埋地管道5的外径和施工工艺，确定将保护分布式应变光纤传感器的约束试件截面尺寸；
第三步、采用聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯通用塑料材料制作约束试件；
第四步、在埋地管道5施工现场，分别从埋地管道5起始端沿相当于时钟3点、9点以及12点向末端纵向布设分布式应变光纤传感器，将分布式应变光纤传感器用胶带间隔等距离固定住，并在分布式应变光纤传感器的起始端和末端预留一段用于连接的长度；
第五步、在埋地管道5起始端，将相当于时钟3点和12点处的分布式应变光纤传感器都分别先套上热塑管后熔接在一起，然后拧紧热塑管，对分布式应变光纤传感器的连接部位形成封装保护；在埋地管道5末端，将相当于时钟9点和12点处的分布式应变光纤传感器的连接部位进行同样处理的封装保护；
第六步、将埋地管道5起始端、相当于时钟9点与埋地管道5末端、相当于时钟3点处的分布式应变光纤传感器的预留长度分别连接好导引光缆6，并采取与第五步同样的保护措施对连接部位进行封装；
第七步、分别在埋地管道5相当于时钟3点、9点以及12点附近纵向布置相应的约束试件；
第八步、从埋地管道5起始端到末端在相当于时钟3点、9点以及12点处的约束试件浇筑环氧树脂2，将分布式应变光纤传感器完全包裹住，待其凝固；
第九步、在完成三条分布式应变光纤传感器的布设和保护后，将两条导引光缆6分别连接到数据采集仪器4；
第十步、通过数据采集仪器4对埋地管道5全长的应变数据进行采集，用下列公式进行计算：
式中，x为沿管道纵向的某一任意位置，εL(x)、εR(x)、εD(x)分别为管道在x处截面相当于时钟9点、3点、12点处的光纤实测应变值，θ为管道中性面偏转角，εW(x)、εZ(x)为管道在x处的弯曲和轴向应变；通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，根据上式进行换算得到沿管道任意位置的弯曲应变和轴向应变，进而通过将弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
采用上述的技术方案，考虑悬空管道的力学行为，监测管道悬空状态的出现及其影响范围。假设管道为弹性地基上的无限长梁，当管道出现悬空段时，管道在自重作用下产生向下的挠曲变形，并且在悬跨跨中下挠高度最大，跨中两侧挠度不断减小。当管道延伸到两侧土体后，由于土体的约束作用，管道挠曲变形逐步减小同时变形方向也发生变化，呈现出先增大再减小，最后变形消失。这里将变形消失处称为“锚固点”，悬空段两侧坡肩至锚固点的距离定义为“转换段”(如图3所示)。转化段的土体可以看做Winkler模型的土弹簧，将其离散为等间距的土弹簧。通过分析管道悬空段和转换段的力学行为，可视为一段以锚固点作为简支边界条件，具有弹性支撑的连续梁(如图4所示)。根据结构力学原理可知，管道悬空会产生附加弯矩，悬空管道跨中会产生最大正弯矩，并向两侧不断减小，逐渐转化为负弯矩，并在悬空管道与土体接触处即坡肩处形成最大负弯矩，接着负弯矩逐渐减小，最后消失于锚固点处(如图5所示)。通过Brillouin分布式光纤传感器可以得到管道任意位置的应变数据，若某段管道应变变化分布与悬空管道的附加弯矩分布形状一致，就可以判断出管道在该位置出现了悬空，判断管道悬空段和转换段的位置和长度。
实验案例
为了验证本发明对管道悬空状态监测的有效性，进行了埋地管道分布式监测的模型试验。以某Φ426钢管为目标，考虑管道和土体的几何相似，采用长度为12m、外径为110mm、壁厚为15.1mm的PPR管进行模型试验。并且为了模拟管道和内部流体的重力效应，也对管道进行了配重。该试验在大型管道试验箱(长12m×宽1m×高1.7m)内进行，首先在试验箱内铺设厚度为1m的碎石和土体并进行夯实，然后铺设30cm厚的细砂，接着将管道平铺在砂床上，当完成传感器布设后在试验箱内填埋细砂，管顶覆砂约10cm。按照本发明所述的方法将Brillouin分布式应变光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道的外壁上，预留出连接长度进行熔接，并封装好连接部位，然后布置好约束试件，浇筑环氧树脂，待其凝固，最后将Brillouin分布式应变光纤传感器与导引光缆接好，并连接到数据采集仪器上。
试验工况共包括5种，即以管道中点为对称中心向两侧等长度开挖，形成管道悬空。5种工况对应的悬空长度分别为1m、2m、3m、4m、5m。
在每种工况下，利用分布式光纤应变传感器监测悬空导致的管道应变变化情况。试验中，位于管道截面3点钟和9点钟的分布式应变数据分布趋势基本一致，并且数值都在±50με范围内波动，因此认为管道轴向应变较小，数据仅与测量误差和试验扰动有关，限于篇幅不再列出，重点讨论与弯曲应变主导的管顶分布式应变数据，如图6和下表1所示。
表1跨中和左右两侧反弯点峰值位置和数值
根据以上数据可以显示，前两种工况中，管顶的分布式应变式应变数据较小，无法明显观测到图5的悬空特征。当悬空长度增加至3m时，管顶的分布式应变数据出现了明显的悬空特征，即在悬空段形成正弯矩(管顶最大压应变达到了-518.844με)，在悬空段两侧出现负弯矩，负弯矩逐渐增加然后减小，可判断该范围为转换段。转换段的应变约在3.5m和8.5处处减小为0，然后至管道两端均无应变反应，说明3.5m和8.5m为锚固点，悬空对其以外的区域没有影响。与实际悬空长度相比，悬空3m的分布式应变监测数据显示，左、右两侧拉应变峰值分别位于4.461m和7.438m处，而左侧坡肩分别在4.5m和7.5m处，因此反弯点应变峰值基本与坡肩位置重合。此外，悬空3m时管道的应变分布也未以管道中点对称分布。这两种情况应与悬空两侧土体性质的非一致性、开挖扰动以及复杂的管-土相互作用有关，但是监测数据可以准确判断悬空的出现，并对悬空导致的管道应变(应力)分布给出定量结果，同时对悬空长度也可给出一定精度的估计。
随着悬空长度增加至4m和5m，分布式应变数据的形状都具有清晰的悬空特征，并且悬空段的峰值应变也明显增加，悬空4m和悬空5m时各悬空段管顶的拉应变峰值分别达到-970.436με和-1127.521με。在转换段内，负弯矩峰值对应的拉应变数值也逐渐增加，同时锚固点位置不断外扩。在这两种工况中，负弯矩峰值点的位置都与坡肩位置接近，且差别均不超过0.5m，说明监测数据对悬空长度的识别也基本正确。
上述试验验证了本发明可以通过分布式应变光纤传感器可以获取管道全长的应变分布状态，根据悬空管道附加弯矩分布特征判断管道任意位置的悬空出现，识别管道悬空长度及其影响范围，并可根据监测数据实时评估管道弯曲应力，避免因悬空未能及时发现而导致的管道破坏，实现管道悬空状态的实时监测和科学预警。
Claims (5)
1.一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，它包括分布式应变光纤传感器(1)和数据采集仪器(4)，其特征是：所述分布式应变光纤传感器纵向平行并固定在相当于时钟3点、9点、12点位置的埋地管道(5)的外壁上，时钟12点位置的第二分布式应变光纤传感器(1a)分别连接时钟3点位置的第一分布式应变光纤传感器(1)和时钟9点位置的第三分布式应变光纤传感器(1b)，第一分布式应变光纤传感器(1)和第三分布式应变光纤传感器(1b)分别与数据采集仪器(4)连接；由于沿埋地管道(5)纵向布设的分布式应变光纤传感器采集的应变是管道弯曲应变和轴向应变叠加的结果，通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，提取弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
2.根据权利要求所述的一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，其特征是：所述第一分布式应变光纤传感器(1)采用第一约束试件(3)与环氧树脂(2)固定在相当于时钟3点位置的埋地管道(5)的外壁上。
3.根据权利要求所述的一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，其特征是：所述第二分布式应变光纤传感器(1a)采用第二约束试件(3a)、第三约束试件(3b)与环氧树脂(2)固定在相当于时钟12点位置的埋地管道(5)的外壁上。
4.根据权利要求所述的一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测装置，其特征是：所述第三分布式应变光纤传感器(1b)采用第四约束试件(3c)与环氧树脂(2)固定在相当于时钟9点位置的埋地管道(5)的外壁上。
5.根据权利要求1所述的一种埋地管道悬空状态分布式光纤监测方法，其特征是：采取以下步骤：
第一步、根据埋地管道(5)的长度，确定分布式应变光纤传感器的长度；
第二步、根据埋地管道(5)的外径和施工工艺，确定将保护分布式应变光纤传感器的约束试件截面尺寸；
第三步、采用聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯通用塑料材料制作约束试件；
第四步、在埋地管道(5)施工现场，分别从埋地管道(5)起始端沿相当于时钟3点、9点以及12点向末端纵向布设分布式应变光纤传感器，将分布式应变光纤传感器用胶带间隔等距离固定住，并在分布式应变光纤传感器的起始端和末端预留一段用于连接的长度；
第五步、在埋地管道(5)起始端，将相当于时钟3点和12点处的分布式应变光纤传感器都分别先套上热塑管后熔接在一起，然后拧紧热塑管，对分布式应变光纤传感器的连接部位形成封装保护；在埋地管道(5)末端，将相当于时钟9点和12点处的分布式应变光纤传感器的连接部位进行同样处理的封装保护；
第六步、将埋地管道(5)起始端、相当于时钟9点与埋地管道(5)末端、相当于时钟3点处的分布式应变光纤传感器的预留长度分别连接好导引光缆(6)，并采取与第五步同样的保护措施对连接部位进行封装；
第七步、分别在埋地管道(5)相当于时钟3点、9点以及12点附近纵向布置相应的与约束试件；
第八步、从埋地管道(5)起始端到末端在相当于时钟3点、9点以及12点处的约束试件浇筑环氧树脂(2)，将分布式应变光纤传感器完全包裹住，待其凝固；
第九步、在完成三条分布式应变光纤传感器的布设和保护后，将两条导引光缆(6)分别连接到数据采集仪器(4)；
第十步、通过数据采集仪器(4)对埋地管道(5)全长的应变数据进行采集，用下列公式进行计算：
式中，x为沿管道纵向的某一任意位置，εL(x)、εR(x)、εD(x)分别为管道在x处截面相当于时钟9点、3点、12点处的光纤实测应变值，θ为管道中性面偏转角，εW(x)、εZ(x)为管道在x处的弯曲和轴向应变；通过分布式应变光纤传感器获得管道的纵向应变数据，根据上式进行换算得到沿管道任意位置的弯曲应变和轴向应变，进而通过将弯曲应变数据按照悬空管道附加弯矩分布特征识别管道悬空位置和长度。
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