CN111912348A - 一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，由螺旋缠绕光纤1、轴向光纤2、测试单元5、数据处理单元6以及报警单元7组成，螺旋缠绕光纤1与轴向光纤2共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤2单独用以监测管道的轴向应变。当管道某一点发生变形时，该位置的光信号发生改变，并经螺旋缠绕光纤1、轴向光纤2将信号反射回测试单元5，测试单元5获取螺旋缠绕光纤1、轴向光纤2的应变位置和应变值，经数据处理单元6计算得到管道的轴向、环向应变和变形位置，该管道监测系统与监测方法能够有效降低监测成本，提高监测精度。

Description

一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法，属于管线变形监测的技术领域。
背景技术
地下输水输气输油等复杂的管道系统时常面临着堵塞、泄露、人为破坏、自然破坏的问题。分布式光纤管道监测是一类用于监测管道应变的方法，而对于管道的环向应变如膨胀、塌陷等，所采用的FBG传感器或传统电阻应变计技术却存在着监测范围小、精确度低、成本高、难以直观地衡量监测指标等问题。
现有技术一的技术方案
分别将分布式温度传感系统(DTS)和分布式振动传感系统(DVS)用以监测管道的周边环境温度变化和机械振动、土层位移，从而实现管道的泄漏检测和故障定位。
现有技术一的缺点
DTS和DVS需要分别占用光缆的单独一芯，加大了工程的成本和安装的复杂性，且只能监测管道轴向的应变，无法精准监测管道环向的应变。
现有技术二的技术方案
将分布式声波传感光纤沿管道轴向布设，贴合外壁多根光纤均匀分布。可以并行实现流速测量、泄露监控、泄漏点二维定位、管道堵塞情况判断及含砂浓度的实时测量。
现有技术二的缺点
光纤材料用量较大，对施工有较高的要求，加大了工程成本。
现有技术三的技术方案
将分布式传感光纤在管道底部多条布设，每条传感器终端连接一个测试单元，通过传感器对管内杂物於堵、管道塌陷等实时监测。
现有技术三的缺点
将传感光纤布设在管道内部，需在管道内部穿管施工，工艺复杂，且仅可以监测管道轴向的应变。
现有技术四的技术方案
利用布拉格光栅(FBG)准分布式光纤传感技术可以用同一根光纤复用多个FBG传感器，从而实现对待测管道关键部位，如焊接点、拐弯阀门等定点温度、应变的精确测量。
现有技术四的缺点
无法对管道进行整体的应变监测，监测点位置不连续，空间分辨率低，监测距离较短。
现有技术五的技术方案
将测温光纤螺旋缠绕在热力管道外壁，当热力管道发生泄露时，通过数据采集系统分析出热力管道的温度变化和泄露位置，从而实现对热力管道的泄露监测。
现有技术五的缺点
测温光纤监测功能单一，仅能监测管道的温度变化，且单根光纤监测误差较大。
发明内容
技术问题：现有的管道光纤监测技术，无论是贴合管道外壁铺设，还是沿管道内壁底部铺设，存在的普遍问题是仅能实现对于管道轴向应变的监测，通过FBG传感器或传统电阻应变计技术虽能监测管道环向应变，但存在着材料消耗量大、施工量大、检测盲点较多的缺陷。本发明的目的在于提出一种螺旋环绕的分布式光纤监测系统及监测方法，实现对管道的环向和轴向应变监测，又可大幅节约成本和减少施工工序。
技术方案：一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，由螺旋缠绕光纤1、轴向光纤2、测试单元5、数据处理单元6以及报警单元7构成，螺旋缠绕光纤1螺旋缠绕布设在管道8的外壁，轴向光纤2沿管道轴向布设在管道外壁，螺旋缠绕光纤1与轴向光纤2与管道8的外壁粘贴牢固，共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤2单独用以监测管道的轴向应变，螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2的末端连接至测试单元5，测试单元5接收从光纤中反射回的光信号，获取螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发生应变的位置和应变值，然后将数据传给数据处理单元6进行计算得到管道的轴向应变和环向应变的位置和应变值，当数据处理单元6判断数据超过报警值时，控制报警单元7发出警报。
一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，所述的一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，其特征在于螺旋缠绕光纤1在管道8外壁的缠绕螺距
Figure BSA0000218174440000021
其中Δεv为管道8环向应变监测的目标分辨率，ε为光纤的应变分辨率，D为管道直径。
一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统的监测方法，其特征在于该监测方法步骤如下：
a.测试单元5定时向螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发射光信号，并反射回测试单元5，当测试单元5收到的光信号发生异常改变时，测试单元5定位得到螺旋缠绕光纤1发生变形的位置距离始端9的螺线长度S1，并得到螺旋缠绕光纤1在该位置的螺线矢量应变值δ1，测试单元5定位得到轴向光纤2发生变形的位置距离始端9的直线长度S2，并得到轴向光纤2在该位置的轴向应变值δ2，并将数据传给数据处理单元6；
b.数据处理单元6计算得到管道8的应变值和变形位置，计算方法为：环向应变值为
Figure BSA0000218174440000031
轴向应变值为δ2；当δ2为0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离
Figure BSA0000218174440000032
处，当δ2为非0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；轴向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；
c.当步骤b计算得到的管道轴向应变或环向应变超过报警值时，报警单元7发出警报，并报告变形位置。
本发明的有益效果：其一、螺旋分布式光纤通过两根光纤实现对管道的轴向和径向的应变监测，大幅节约了光纤的材料用量；其二、有效减小检测盲区的同时能够进一步增加空间测点数量、提高管道检测空间分辨率。
附图说明
图1一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统示意图
附图标记：1-螺旋缠绕光纤；2-轴向光纤；3-螺距；4-管道直径；5-测试单元；6-数据处理单元；7-报警单元；8-管道；9-始端
具体实施方式
实施例1
在本例中，一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法用于监测海底输油管道的变形位置和应变值，该监测系统由传感光纤1、传感光纤2、测试单元5、数据处理单元6以及报警单元7组成。螺旋缠绕光纤1螺旋缠绕布设在管道8的外壁轴向光纤2沿管道轴向布设在管道外壁，螺旋缠绕光纤1与轴向光纤2与管道8的外壁粘贴牢固，共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤2单独用以监测管道的轴向应变，螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2的末端连接至测试单元5，测试单元5接收从光纤中反射回的光信号，获取螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发生应变的位置和应变值，然后将数据传给数据处理单元6进行计算得到管道的轴向应变和环向应变的位置和应变值，当数据处理单元6判断数据超过报警值时，控制报警单元7发出警报。所要求的管道8环向应变监测的目标分辨率Δεv为0.3m，光纤的应变分辨率ε为0.5m，管道直径D为1m，则螺旋缠绕光纤1在管道8外壁的缠绕螺距
Figure BSA0000218174440000033
在本例中，该螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统的监测方法步骤如下：
a.测试单元5定时向螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发射光信号，并反射回测试单元5，当测试单元5收到的光信号发生异常改变时，测试单元5定位得到螺旋缠绕光纤1发生变形的位置距离始端9的螺线长度S1，并得到螺旋缠绕光纤1在该位置的螺线矢量应变值δ1，测试单元5定位得到轴向光纤2发生变形的位置距离始端9的直线长度S2，并得到轴向光纤2在该位置的轴向应变值δ2，并将数据传给数据处理单元6；
b.数据处理单元6计算得到管道8的应变值和变形位置，计算方法为：环向应变值为
Figure BSA0000218174440000041
轴向应变值为δ2；当δ2为0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离
Figure BSA0000218174440000042
处，当δ2为非0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；轴向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；
c.当步骤b计算得到的管道轴向应变或环向应变超过报警值时，报警单元7发出警报，并报告变形位置。
实施例2
在本例中，一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法用于监测架空输气管道的变形位置和应变值，该监测系统由传感光纤1、传感光纤2、测试单元5、数据处理单元6以及报警单元7组成。螺旋缠绕光纤1螺旋缠绕布设在管道8的外壁轴向光纤2沿管道轴向布设在管道外壁，螺旋缠绕光纤1与轴向光纤2与管道8的外壁粘贴牢固，共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤2单独用以监测管道的轴向应变，螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2的末端连接至测试单元5，测试单元5接收从光纤中反射回的光信号，获取螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发生应变的位置和应变值，然后将数据传给数据处理单元6进行计算得到管道的轴向应变和环向应变的位置和应变值，当数据处理单元6判断数据超过报警值时，控制报警单元7发出警报。所要求的管道8环向应变监测的目标分辨率Δεv为0.4m，光纤的应变分辨率ε为0.6m，管道直径D为1.5m，则螺旋缠绕光纤1在管道8外壁的缠绕螺距
Figure BSA0000218174440000043
在本例中，该螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统的监测方法步骤如下：
a.测试单元5定时向螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发射光信号，并反射回测试单元5，当测试单元5收到的光信号发生异常改变时，测试单元5定位得到螺旋缠绕光纤1发生变形的位置距离始端9的螺线长度S1，并得到螺旋缠绕光纤1在该位置的螺线矢量应变值δ1，测试单元5定位得到轴向光纤2发生变形的位置距离始端9的直线长度S2，并得到轴向光纤2在该位置的轴向应变值δ2，并将数据传给数据处理单元6；
b.数据处理单元6计算得到管道8的应变值和变形位置，计算方法为：环向应变值为
Figure BSA0000218174440000051
轴向应变值为δ2；当δ2为0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离
Figure BSA0000218174440000052
处，当δ2为非0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；轴向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；
c.当步骤b计算得到的管道轴向应变或环向应变超过报警值时，报警单元7发出警报，并报告变形位置。
实施例3
在本例中，一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统及监测方法用于监测埋地供水管道的变形位置和应变值，该监测系统由传感光纤1、传感光纤2、测试单元5、数据处理单元6以及报警单元7组成。螺旋缠绕光纤1螺旋缠绕布设在管道8的外壁轴向光纤2沿管道轴向布设在管道外壁，螺旋缠绕光纤1与轴向光纤2与管道8的外壁粘贴牢固，共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤2单独用以监测管道的轴向应变，螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2的末端连接至测试单元5，测试单元5接收从光纤中反射回的光信号，获取螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发生应变的位置和应变值，然后将数据传给数据处理单元6进行计算得到管道的轴向应变和环向应变的位置和应变值，当数据处理单元6判断数据超过报警值时，控制报警单元7发出警报。所要求的管道8环向应变监测的目标分辨率Δεv为0.2m，光纤的应变分辨率ε为0.4m，管道直径D为1.25m，则螺旋缠绕光纤1在管道8外壁的缠绕螺距
Figure BSA0000218174440000053
在本例中，该螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统的监测方法步骤如下：
a.测试单元5定时向螺旋缠绕光纤1和轴向光纤2发射光信号，并反射回测试单元5，当测试单元5收到的光信号发生异常改变时，测试单元5定位得到螺旋缠绕光纤1发生变形的位置距离始端9的螺线长度S1，并得到螺旋缠绕光纤1在该位置的螺线矢量应变值δ1，测试单元5定位得到轴向光纤2发生变形的位置距离始端9的直线长度S2，并得到轴向光纤2在该位置的轴向应变值δ2，并将数据传给数据处理单元6；
b.数据处理单元6计算得到管道8的应变值和变形位置，计算方法为：环向应变值为
Figure BSA0000218174440000054
轴向应变值为δ2；当δ2为0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离
Figure BSA0000218174440000055
处，当δ2为非0时，环向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；轴向变形位置为距始端9的管道轴向距离S2处；
c.当步骤b计算得到的管道轴向应变或环向应变超过报警值时，报警单元7发出警报，并报告变形位置。

Claims (3)

1.一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，由螺旋缠绕光纤(1)、轴向光纤(2)、测试单元(5)、数据处理单元(6)以及报警单元(7)构成，螺旋缠绕光纤(1)螺旋缠绕布设在管道(8)的外壁，轴向光纤(2)沿管道轴向布设在管道外壁，螺旋缠绕光纤(1)与轴向光纤(2)与管道(8)的外壁粘贴牢固，共同用于监测管道的环向应变，轴向光纤(2)单独用以监测管道的轴向应变，螺旋缠绕光纤(1)和轴向光纤(2)的末端连接至测试单元(5)，测试单元(5)接收从光纤中反射回的光信号，获取螺旋缠绕光纤(1)和轴向光纤(2)发生应变的位置和应变值，然后将数据传给数据处理单元(6)进行计算得到管道的轴向应变和环向应变的位置和应变值，当数据处理单元(6)判断数据超过报警值时，控制报警单元(7)发出警报。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统，其特征在于螺旋缠绕光纤(1)在管道(8)外壁的缠绕螺距
Figure FSA0000218174430000011
其中Δεv为管道(8)环向应变监测的目标分辨率，ε为光纤的应变分辨率，D为管道直径。
3.一种螺旋缠绕分布式光纤管道监测系统的监测方法，其特征在于该监测方法步骤如下：
a.测试单元(5)定时向螺旋缠绕光纤(1)和轴向光纤(2)发射光信号，并反射回测试单元(5)，当测试单元(5)收到的光信号发生异常改变时，测试单元(5)定位得到螺旋缠绕光纤(1)发生变形的位置距离始端(9)的螺线长度S1，并得到螺旋缠绕光纤(1)在该位置的螺线矢量应变值δ1，测试单元(5)定位得到轴向光纤(2)发生变形的位置距离始端(9)的直线长度S2，并得到轴向光纤(2)在该位置的轴向应变值δ2，并将数据传给数据处理单元(6)；
b.数据处理单元(6)计算得到管道(8)的应变值和变形位置，计算方法为：环向应变值为
Figure FSA0000218174430000012
轴向应变值为δ2；当δ2为0时，环向变形位置为距始端(9)的管道轴向距离
Figure FSA0000218174430000013
处，当δ2为非0时，环向变形位置为距始端(9)的管道轴向距离S2处；轴向变形位置为距始端(9)的管道轴向距离S2处；
c.当步骤b计算得到的管道轴向应变或环向应变超过报警值时，报警单元(7)发出警报，并报告变形位置。
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