CN113155017B

CN113155017B - 一种山区管道应变在线监测系统

Info

Publication number: CN113155017B
Application number: CN202110444332.9A
Authority: CN
Inventors: 王亮; 廖柯熹; 何国玺; 何腾蛟; 赵建华; 廖德琛
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN113155017A

Abstract

本发明公开了一种山区管道应变在线监测系统，所述安全系统包括应变计，应变采集器，信号控制器，网络摄像头，风光互补供电器以及在线监测软件构成，全系统包括4对应变片，每对应变片又分为轴向应变片和环向应变片，应变片安装在管道上两处位置，两处位置相隔1km，系统采用太阳能板和风力发电机进行发电，应变采集器和在线监测软件每20s对数据进行采集和处理一次，在线监测软件实现对管道应变动态显示与分析，同时搭载网络摄像头，分析引起应变突变的外部环境因素，本发明能够实现对山区管道安全状态的实时动态监测与分析。

Description

一种山区管道应变在线监测系统

技术领域

本发明涉及一种油气管道结构健康监测技术领域，特别涉及一种山区管道应变在线监测系统。

背景技术

山区管道所处地理位置特殊，沿线需要穿过高山，跨越河流，地形高低起伏，沿线构造不一，从而造成管道安全状态处于动态不确定性中。山区管道面临的自然灾害有山体滑坡、地质沉降、地震泥石流等，这些灾害发生具有很大的随机性和重复性，一旦发生将会对管道本体安全产生极大的危害。在实际工程中，按照生产安全要求，必须定期对管道进行巡检，及时发现管道所处工况。然而针对山区管道，由于道路复杂，实现管道沿线全程高频巡线几乎很难实现，为解决这一难题，国内外管道公司采取了各种措施，例如采取无人机沿线巡线，但限于形式，无法真正掌握管道安全状况，基于此，从判断管道安全本质的应力应变角度出发，实时连续掌握应力应变参数，即时管道安全状态。

管道应力应变作为一种直接有效判断材料的安全的参数，在基础力学科学中，无不为止而努力。应力应变的产生由于在外力约束的条件下而产生的，通常针对材料，任意位置处的应力和应变不是通过测量得到的，而是通过力学模型计算得到的，前提是要知道材料的所有约束，只有材料表面的应力应变通过特定方法和计算可以得到。针对山区管道这种工况，准确掌握管道的约束大小是不可能的，而管道由于其形状的特殊性，管道内部受力与表面受力有一定准确关系，为此，测量管道表面应力应变来监测管道安全状况成为一种切实可行的方法。

发明内容

针对山区管道安全问题，本发明旨在提供一种山区管道应变在线监测系统，采用监测软件实时动态对管道结构安全进行监测。

本发明技术方案如下：

一种山区管道应变在线监测系统，该系统硬件包括应变计、应变采集器、信号控制器、风光互补供电器、数据连接线以及在线监测软件构成，所述传感器与信号采集器通过屏蔽信号连接线连接，采集器与控制器通过专有信号总线连接，控制器通过内置信号卡接入路由器，控制器采用网络远程控制。

作为优选，所述应变片安装在管道轴向距离相隔1km的2个位置处，每个位置安装4个应变片，2个垂直于轴向，2个平行于轴向，每一应变片左上顶角设置一数据传输接头。

作为优选，所述应变片粘结后，应变片外部采用铝制防护壳进行覆盖防护，现场线缆内嵌在镀锌管内部，应变采集器、信号控制器、电池箱采用隔爆机箱进行隔爆防护。

作为优选，所述风光互补供电器外接太阳能电池板和风力发电机，内接蓄电池组。

作为优选，所述在线监测软件24小时连续监测管道营运状况，在线显示管道振动、应力、应变、温度、压力信息，设有参数超值报警功能。

作为优选，所述在线监测软件接入网络摄像头，采集数据与视频信号同步分析与故障分析。

作为优选，应变片选择大塑性应变测量应变计。

另一方面，一种山区管道应变在线监测系统，工作过程包括以下步骤：

将所述山区管道应变监测系统，安装在被监测管道上；

通过软件账号登录，远程开启数据采集器、控制器开始工作；

根据在线监测记录，连续稳定记录数据一周，得到应变时域变化曲线；

将所得到的数据进行处理，对数据平稳段取平均值；

对数据进行零点设置，以平均值为零点，根据监测数据设置管道轴向和环向应变预警阈值；设置数据记录周期，存储形式，报警时长。

作为优选，软件内部名义应变计算方法为：

式中：ΔR为应变片变形后电阻变化值，Ω；R为应变片变形前的电阻值，Ω；K为应变片指示应变灵敏系数，取值为5。

作为优选，真实应变与名义应变的关系为：

式中：ε_x′为真实应变，1；ε_x为名义应变，1；K^*为应变片灵敏系数，取值为2。

作为优选，管道轴向和环向应力计算方法为：

式中：ε_z为轴向应变，1；ε_h为环向应变，1；E为管道弹性模量，MPa；μ为管道泊松比，1；σ_z为管道轴向应力，Pa；σ_h为管道环向应力，Pa。

作为优选，系统选择的蓄电池带有自动卸载功能，五天内未得到充电，蓄电池停止工作。

作为优选，报警方式可以选择短信、邮件功能，将报警信息以短信或邮件的形式进行发送。

作为优选，用户可根据需要从数据库内查询各种监测类型的原始数据和报警数据，历史数据显示分析、趋势分析，日报表、周报表、月报表、年报表生成和打印。

本发明的有益效果是：

本发明是直接对管道应变进行监测，进而换算为对应的应力大小，是判断管道安全状态最准确的参数；系统采用太阳能和风力发电，前期设备投资小，后期维护少，是一种经济可行的方法；通过在线软件实时动态显示测量数据，能够长期对管道安全状态进行监测，同时对历史数据具有储存，处理功能，方便通过历史数据对管道安全状态进行判断，在线监测软件搭配网络摄像头，可以发现引起管道应变发生变化的外部成因。

附图说明

为了更清楚的展示本发明的实施例和技术方案，下面将通过附图对实施例或现有技术做简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1为本发明山区管道应变在线监测系统的一个实施例结构示意图。

图2为一个实施例的应变时域变化曲线示意图。

图中标号：

1—山体、2—金属保护壳、3(1)—第一轴向应变片、3(2)—第二轴向金属应变片、4(1)—第一环向金属应变片、4(2)—第二环向金属应变片、5—管道本体、6—屏蔽信号连接线、7—应变采集器、8—电池箱、9—信号传输线、10—无线信号发射器、11—控制器、12—太阳能板、13—电源连接线、14—风力发电、15—网络摄像头、16—路由器、17—信号连接线、18—在线监测软件、19—远程控制计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

如图1所示，本发明提供一种山区管道应变在线监测系统，包括应变计3、应变采集器7、信号控制器11、风光互补供电器12和14、数据连接线6、9、13和17、以及在线监测软件18。在一个具体的实施例中，所述应变计3总数有8个，所述应变计分为轴向应变计3(1)，环向应变计3(2)，1个轴向应变计和1环向应变计是一对，总共有4对，1对应变计里的轴向和环向应变计之间的间隔距离不得超过50mm。

需要说明的是，所述的应变计总数3为4对，其中，其中2对埋在管道的A段，另外2对埋在距离管道A段1km处的位置。

为了保证应变计在野外可以保持长期有效的工作，同时可以适应各种外界工况的影响，所述应变计3选择大塑性应变测量片。

在一个具体实施例中，应变片3应该贴在管道本体上，在有防腐层的地方，应该对其进行剥开，在管道贴合过程中，要对管道表面进行清洁，去除本体上的杂质，同时采用强力胶将应变片牢牢贴在管道上。

为了使得应变片3可以最大发生作用，应变片贴合位置尽量选在在管道周围地理环境比较复杂的地方，推荐靠近陡峭山体一侧，或者土制比较酥软的地方。

为了防止外界环境对应变片造成损坏，在应变片3外面加设铝制防护壳2进行覆盖防护，同时应变片外接屏蔽信号连接线6内嵌在镀锌管内部。

在一个具体实施例中，应变片3左上角屏蔽信号连接线6外接连接到应变采集器7，应变采集器放在距离管道1m以外的土壤中，同时通过信号连接线9连接在控制器11上。

为了防止上述应变采集器7和控制器11对管道内危险介质的影响，应变采集器7、信号控制器11、以及与其连接的电池箱8采用隔爆机箱进行隔爆防护。

在一个具体实施例中，控制器11内嵌通讯卡，可以通过远程网络控制控制器11进行工作的开启与终止。

在一个具体实施例中，应变采集器7和控制器11由电池箱8进行供电，电池箱8由悬挂在外部的太阳板12和风力发电14进行供电，太阳能板12和风力发电14悬挂在距离地面5m以上的钢管柱上，太阳能板12面向日照光最长方向，风力发电14的风扇面与当地主流风向平行。

为了防止由于天气原因以及发电设备的损坏造成电池箱8连续5天无法得到充电，电池箱在平时充电足够的情况下要保持5天的续航能力，当超过5天，电池箱8未得到充电，则电池箱8停止对应变采集器7和控制器11供电，同时将信号通过控制器11及时传回远程控制计算机19中。

在一个具体实施例中，通过设置路由器16与控制器11实现信号的无线传输。

在一个具体实施例中，在埋设应变片3的管道外面安装网络摄像头15，网络摄像头15连接在控制器11上，通过控制器11将数据远程回传到远程控制计算机上，网络摄像头的功能可以捕捉管道外部动态变化形貌，同时可以对地面位移进行监测，以管道上相距5m的两个点为参考点进行相对位移计算。

在一个具体实施例中，实现对远程传回数据进行实施处理计算的为在线监测软件18，在线监测软件对数据的处理能力为每分钟3次，对应应变采集器每分钟对数据采集3次，每20s对数据采集一次，数据处理采用时域分布图，以时间为X轴，纵轴则为相应的应变和管道外部的位移。

为了使数据展现的形式更加的多样，在对监测到的应变进行换算，换算为对应的应力，以时域图进行分布，X轴为时间，纵轴为应力，动态显示测量数据。

为了对管道安全进行评价，在线监测软件具有对历史数据具有储存、处理功能、显示分析、趋势分析，日报表、周报表、月报表、年报表生成和打印功能。

在一个具体实施例中，管道应变动态监测方法为，在上述实施例所描述的系统搭建完毕后，通过远程计算机控制现场控制器开始工作，系统首先连续工作7天，得到7天的数据采集信息，7天后对得到的数据进行分析，去除数据异常点，将数据平稳值取平均，以得到的平均值为零点对系统进行设置，设置系统的异常点上限和下线以及报警阈值。

在一个具体实施例中，在线监测软件具有对应变监测得到的数据和网络摄像头得到的数据对比分析功能，以此来分析引起管道应变的外部环境因素。

为了对管道安全具有一个准确的判断，在线监测软件需要相隔一定时间对所有数据进行整体分析，通过最值，平均值，极值，突变率等来分析管道安全状况。

Claims

1.一种山区管道应变在线监测系统，其特征在于，该系统包括应变计、应变采集器、信号控制器、风光互补供电器、网络摄像头、数据连接线以及在线监测软件，所述应变计与应变采集器通过屏蔽信号连接线连接，应变采集器与信号控制器通过专有信号总线连接，信号控制器通过内置信号卡接入路由器，信号控制器采用网络远程控制，应变计选择大塑性应变片，应变片安装在管道轴向相距1km的2个位置处，每个位置安装4个应变片，2个垂直于轴向，2个平行于轴向，该系统工作过程为将上述系统安装在被监测管道上，通过软件账号登录，远程开启应变采集器、信号控制器开始工作，应变计算公式为：

式中：ΔR为应变片变形后电阻变化值，Ω；R为应变片变形前的电阻值，Ω；K为应变片指示应变灵敏系数，取值为5；ε_x′为真实应变；ε_x为名义应变；K^*为应变片灵敏系数，取值为2；ε_z为轴向应变；ε_h为环向应变；E为管道弹性模量，MPa；μ为管道泊松比；σ_z为管道轴向应力，Pa；σ_h为管道环向应力，Pa；

在线监测软件24小时连续监测管道营运状况，在线显示管道振动、应力、应变、温度、压力信息，在线监测软件接入网络摄像头，采集数据与视频信号同步分析，根据在线监测记录，连续稳定记录数据一周，得到应变时域变化曲线；将所得到的数据进行处理，对数据平稳段取平均值；对数据进行零点设置，以平均值为零点，根据监测数据设置管道轴向和环向应变预警阈值；设置数据记录周期，存储形式，报警时长。