CN113532302B - 管道应变监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管道应变监测预警系统，其包含：弹性监测杆件，系统包含两条弹性监测杆件，对称设置在待监测管段的两侧，采用矩形中空截面设计，中空截面的两侧外壁设有矩形凹槽；传感光纤，包含两条传感光纤，分别设置在两条弹性监测杆件的矩形凹槽内；多通道切换模块，与传感光纤连接，用于在两条传感光纤之间进行通道切换；分布式光纤应变解调仪，与多通道切换模块连接，用于发出探测激光并接收反馈信号；连接光纤，其用于连接分布式光纤应变解调仪与多通道切换模块、多通道切换模块与传感光纤。本发明提出了监测预警系统的布设方案，对采集系统获取的数据进行分析，为管道到结构安全提供依据，实现准确、全面的管道结构健康监测和安全预警。

Description

管道应变监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及管道结构安全监测技术领域，具体地说，涉及一种管道应变监测预警系统及方法。

背景技术

随着现代化建设的快速发展，能源需求量日益增加。管道作为油气输送的主要方式，是油气资源开发的“生命线工程”系统。由于国民经济和社会发展对于油气管道的依赖性逐渐提高，管道安全对经济、环境和社会稳定的敏感度也愈加重要，油气管道的服役安全已经成为公众、政府和企业关注的焦点。

但是，随着管线的增多、管龄的增长，管道服役过程中多种复杂因素的长期作用，管道结构状态退化现象普遍存在，管道安全事故时有发生，给人们的生命、财产安全和生态环境等造成了巨大威胁。因此，迫切需要研发先进的管道在位监测和精细检测的技术手段，实时评估管道结构状态，定量预测管道剩余寿命，为管道全寿命周期安全运行提供决策支持，为提升油气管网效益、防止公共安全事故提供科技支撑。

因此，本发明提供了一种管道应变监测预警系统及方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种管道应变监测预警系统，所述系统包含：

弹性监测杆件，所述系统包含两条所述弹性监测杆件，对称设置在待监测管段的两侧，每条所述弹性监测杆件的长度与所述待监测管段的长度相同，所述弹性监测杆件采用矩形中空截面设计，所述中空截面的两侧外壁设有矩形凹槽；

传感光纤，所述系统包含两条所述传感光纤，分别设置在两条所述弹性监测杆件的矩形凹槽内，每条所述传感光纤采用对称折返布设，每条所述传感光纤的长度为所述待监测管段的两倍；

多通道切换模块，其与所述传感光纤连接，用于在两条所述传感光纤之间进行通道切换；

分布式光纤应变解调仪，其与所述多通道切换模块连接，用于发出探测激光并接收反馈信号；

连接光纤，其用于连接所述分布式光纤应变解调仪与所述多通道切换模块、所述多通道切换模块与所述传感光纤。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包含环氧树脂层，用于布设所述传感光纤。

根据本发明的一个实施例，每条所述弹性监测杆件布设于所述待监测管段的管腰处，与所述待监测管段的外壁的直线距离为第一预设长度。

根据本发明的一个实施例，所述连接光纤以及所述传感光纤均为单模光纤。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种管道应变监测预警方法，通过如上任一项所述的系统进行管道应变监测预警，其包含以下步骤：

步骤一：通过所述分布式光纤应变解调仪向入射段传感光纤发出所述探测激光，并接收返回段传感光纤反馈的所述反馈信号，其中，每条所述传感光纤划分为所述入射段传感光纤以及所述返回段传感光纤；

步骤二：对所述反馈信号进行应变分析，分别得到两条所述弹性监测杆件的轴心分布式弯曲应变，以对所述待监测管段的安全情况进行评估，当有风险时发出预警。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤一之前，所述方法还包含：在布设所述监测预警系统时，基于所述待监测管段的长度，对所述反馈信号进行倒转处理，使得所述反馈信号的与所述探测激光的入射方向一致。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算所述入射段传感光纤的分布式应变：

ε_f1(x)＝ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f1(x)表示所述入射段传感光纤的分布式应变，ε_M(x)表示侧向弯曲引起的弯曲应变，ε_N(x)表示轴力引起的应变，ε_OT(x)表示光热效应引起的应变。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算所述返回段段传感光纤的分布式应变：

ε_f2(x)＝-ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f2(x)所述返回段传感光纤的分布式应变。

根据本发明的一个实施例，通过以下公式计算得到每条所述弹性杆件的轴心分布式弯曲应变：

其中，ε_BM1(x)表示每条所述弹性杆件的轴心分布式弯曲应变。

根据本发明的一个实施例，通过所述多通道切换模块进行通道切换，以分别得到两条所述弹性监测杆件的轴心分布式弯曲应变。

本发明提供的管道应变监测预警系统及方法克服现有监测技术和手段中，存在的精度不足、环境影响较大以及无法准确获得管道在流沙作用下的管道结构真实响应等问题，采用分布式光纤应变传感器对管道沿程周围流沙变化进行监测，并提出了监测预警系统的布设方案，通过对采集系统获取的数据进行分析，为管道到结构安全提供依据，实现准确、全面的管道结构健康监测和安全预警。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警系统的结构示意图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警系统中弹性监测杆件横截面示意图；

图3显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警系统中传感光纤布设示意图；以及

图4显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

本发明针对管道安全监测领域，解决流动沙丘作用下管道弯曲应力的监测和预警问题。例如，我国顺北油气田地处塔克拉玛干沙漠腹地，沙漠风沙频繁，年平均出现沙尘暴30天以上，流动沙丘地段，沙丘年移动距离为20-30m。流动沙丘对管道的危害主要包括沉降和屈曲变形，严重时应力可使管道断裂，造成严重事故。开展管道应变监测，是掌握管道应变实时数据的基础，可为管道设计、施工、运行提供可靠的数据支持，保障管道长周期安全，降低因管道失效造成的人员伤亡和经济损失。

目前，国内外针对管道结构响应监测主要分为变形监测和结构承载力监测两方面，其中对管段变形监测的方法主要采用几何水准/全站测量方法，通过管道上监测点的变化识别管道的整体变形情况。但包括静力水准仪以及GPS技术应用在内的管道监测技术在对于管道安全运行上发挥了一定作用，但是其变形监测点有限、范围小、精度低以及环境干扰较大等缺点限制了自身的广泛应用。

另外，管道应力的检测主要采用两种方式，即振弦式应变计和光纤光栅(FBG)应变计。而这一方面的主要挑战在于，由于沉降和荷载导致的管道的弯曲行为具有强烈的不确定性，其最大应力发生的位置以及演变行为难以事先确定，因此仅在有限的位置布设应力传感器(振弦式或光纤光栅式)，难以完整获得管道的应力场变化情况，据此做出的安全评估无法反应管道的真实应力状态。

图1显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警系统的结构示意图。

如图1所示，监测预警系统包含：分布式光纤应变解调仪1、多通道切换模块2、连接光纤3、传感光纤4以及弹性监测杆件5。

其中，分布式光纤应变解调仪(BOTDA/ROTDA)1与多通道切换模块2连接，用于发出探测激光，并接收反馈信号。

如图1，多通道切换模块2与传感光纤4连接，用于在两条传感光纤4之间进行通道切换。具体来说，多通道切换模块2是切换分布式光纤应变调节仪1和不同传感光纤4的。

如图1，连接光纤3用于连接分布式光纤应变解调仪1与多通道切换模块2、多通道切换模块2与传感光纤4。

如图1，传感光纤4，监测预警系统中包含两条传感光纤4，分别设置在两条弹性监测杆件1的矩形凹槽内，每条传感光纤4采用对称折返布设，每条传感光纤4的长度为待监测管段7的两倍。

如图3所示，传感光纤4采用对称折返布设，连段分别与连接光纤3连接，设置在弹性监测杆件5内，每条传感光纤4的长度为待监测管段7的两倍，每条传感光纤可以划分为入射段传感光纤以及返回段传感光纤。

在一个实施例中，连接光纤3以及传感光纤4均为单模光纤。

如图1，弹性监测杆件5，监测预警系统中包含两条弹性监测杆件5，对称设置在待监测管段7的两侧，每条弹性监测杆件5的长度与待监测管段7的长度相同，如图2，弹性监测杆5件采用矩形中空截面设计，中空截面的两侧外壁设有矩形凹槽。

在一个实施例中，每条弹性监测杆件5布设于待监测管段7的管腰处，与待监测管段7的外壁的直线距离为第一预设长度。具体来书，第一预设长度可以为2m，在应用中，第一预设长度的取值可以根据实际情况进行调整，本发明不对此作出限制。

具体来说，弹性监测杆件5是矩形中空的高弹性杆件，长度和待监测管段7长度一致，如图2所示，弹性监测杆件5两侧通过环氧树脂层6内嵌一条传感光纤4，并对称布设于待监测管段7管腰处，据外壁2m处。

在一个实施例中，监测预警系统还包括环氧树脂层6，其用于布设传感光纤4。

总结来说，本发明采用两条分布式光纤应变传感器(即传感光纤4)，长度均为待监测管段7的两倍，通过环氧树脂层6，附着于弹性监测杆件5上。弹性监测杆件5长度与待监测管段7长度一致，传感光纤4采用对称折返布设。弹性监测杆件5采用矩形中空截面设计，在两侧外壁设有矩形凹槽，用于布设传感光纤4，通过环氧树脂层6进行封装。

图4显示了根据本发明的一个实施例的管道应变监测预警方法流程图。

如图4，步骤S401中，通过分布式光纤应变解调仪向入射段传感光纤发出探测激光，并接收返回段传感光纤反馈的所述反馈信号，其中，每条传感光纤划分为入射段传感光纤以及返回段传感光纤。

具体来说，通过分布式光纤应变解调仪(BOTDA/ROTDA)1发出探测激光，通过连接光纤3进入多通道切换模块2，根据多通道切换模块2的设置，经连接光纤3进入待监测管道7两侧的传感光纤4中，同时采集传感光纤4中的背向散射光，在一个实施例中，此处的背向散射光即为反馈信号。

具体来说，如图3所示，每条传感光纤4由于对称折返设置，可以划分为入射段传感光纤以及返回段传感光纤，入射段传感光纤接收入射的探测激光，返回段传感光纤返回背向散射光。

总结来说，本发明采用分布式光纤应变传感器对管道沿程周围流沙变化进行监测，并提出了监测预警系统的布设方案，特殊的弹性杆光纤传感器设计，采用折返布设以及中空矩形的截面设计、传感光纤布设方案及走线设计，通过对采集系统获取的数据进行分析，为管道的结构安全提供依据，实现准确、全面的管道结构健康监测和安全预警。

如图4，步骤S402中，对反馈信号进行应变分析，分别得到两条弹性监测杆件的轴心分布式弯曲应变，以对待监测管段的安全情况进行评估，当有风险时发出预警。

具体来说，当待监测管道7周围流动沙丘发生变化时，弹性监测杆件5随之发生侧向弯曲变形。由于环氧树脂层6使传感光纤4随之发生变化，通过监测传感光纤4中的背向散射光，可获取有流沙作用下的弹性监测杆件5的响应变化情况。

一般来说，传感光纤4中的应变由三种荷载作用引起，分别是侧向弯曲引起的弯曲应变ε_M、轴力引起的应变ε_N和光热效应引起的应变ε_OT。

具体来说，通过以下公式计算入射段传感光纤的分布式应变：

ε_f1(x)＝ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f1(x)表示入射段传感光纤的分布式应变，ε_M(x)表示侧向弯曲引起的弯曲应变，ε_N(x)表示轴力引起的应变，ε_OT(x)表示光热效应引起的应变。

具体来说，由弹性监测杆件5截面形式和弯曲应变特性可知，通过以下公式计算返回段段传感光纤的分布式应变：

ε_f2(x)＝-ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f2(x)返回段传感光纤的分布式应变。

进一步地，根据弹性监测杆件5截面形式以及入射和返回两端传感光纤的应变组成分析可知，通过以下公式计算得到每条弹性杆件的轴心分布式弯曲应变：

其中，ε_BM1(x)表示每条弹性杆件的轴心分布式弯曲应变。

总结来说，以上方法能够获取弹性监测杆件5纯弯曲作用下的应变ε_M(x)，实现监测流沙对待监测管段7的作用程度和影响大小。

在一个实施例中，通过多通道切换模块2进行通道切换，以分别得到两条弹性监测杆件5的轴心分布式弯曲应变。

在一个实施例中，在步骤S401之前，在布设监测预警系统时，基于待监测管段的长度，对反馈信号进行倒转处理，使得反馈信号的与探测激光的入射方向一致。

具体来说，以上步骤的目的是为了保障：在布设监测预警系统时，保持入射段传感光纤与返回段传感光纤处于平行状态，入射的探测激光与返回的反馈信号的方向一致。

综上，对待监测管道7两侧一定距离处的弹性监测杆件5的弯曲应变的监测和分析，可以监测流沙作用程度和影响大小，对待监测管道7安全进行评估；同时，由于弹性监测杆件5布设位置距管道仍有一定距离，对流沙作用能够起到预警作用，实现管道风险预警功能。

综上，本发明提供的管道应变监测预警系统及方法克服现有监测技术和手段中，存在的精度不足、环境影响较大以及无法准确获得管道在流沙作用下的管道结构真实响应等问题，采用分布式光纤应变传感器对待检测管段沿程周围流沙变化进行监测，并提出了监测预警系统的布设方案，通过对采集系统获取的数据进行分析，为待检测管段的结构安全提供依据，实现准确、全面的管道结构健康监测和安全预警。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种管道应变监测预警系统，其特征在于，对管道沿程周围流沙变化进行监测，获得管道在流沙作用下的管道结构真实响应，所述系统包含：

弹性监测杆件，所述系统包含两条所述弹性监测杆件，对称设置在待监测管段的两侧，每条所述弹性监测杆件的长度与所述待监测管段的长度相同，所述弹性监测杆件采用矩形中空截面设计，所述中空截面的两侧外壁设有矩形凹槽，每条所述弹性监测杆件布设于所述待监测管段的管腰处，与所述待监测管段的外壁的直线距离为第一预设长度，由于所述弹性监测杆件布设位置距管道为所述第一预设长度，对流沙作用能够起到预警作用，实现管道风险预警功能，获取所述弹性监测杆件侧向弯曲引起的纯弯曲作用下的应变，实现监测流沙对待监测管段的作用程度和影响大小；

传感光纤，所述系统包含两条所述传感光纤，分别设置在两条所述弹性监测杆件的矩形凹槽内，每条所述传感光纤采用对称折返布设，每条所述传感光纤的长度为所述待监测管段的两倍；

多通道切换模块，其与所述传感光纤连接，用于在两条所述传感光纤之间进行通道切换；

分布式光纤应变解调仪，其与所述多通道切换模块连接，用于发出探测激光并接收反馈信号；

连接光纤，其用于连接所述分布式光纤应变解调仪与所述多通道切换模块、所述多通道切换模块与所述传感光纤。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包含环氧树脂层，用于布设所述传感光纤。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述连接光纤以及所述传感光纤均为单模光纤。

4.一种管道应变监测预警方法，其特征在于，通过如权利要求1-3中任一项所述的系统进行管道应变监测预警，其包含以下步骤：

步骤一：通过所述分布式光纤应变解调仪向入射段传感光纤发出所述探测激光，并接收返回段传感光纤反馈的所述反馈信号，其中，每条所述传感光纤划分为所述入射段传感光纤以及所述返回段传感光纤；

步骤二：对所述反馈信号进行应变分析，分别得到两条所述弹性监测杆件的轴心分布式弯曲应变，以对所述待监测管段的安全情况进行评估，当有风险时发出预警。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤一之前，所述方法还包含：在布设所述监测预警系统时，基于所述待监测管段的长度，对所述反馈信号进行倒转处理，使得所述反馈信号的与所述探测激光的入射方向一致。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述入射段传感光纤的分布式应变：

ε_f1(x)＝ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f1(x)表示所述入射段传感光纤的分布式应变，ε_M(x)表示侧向弯曲引起的弯曲应变，ε_N(x)表示轴力引起的应变，ε_OT(x)表示光热效应引起的应变。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述返回段传感光纤的分布式应变：

ε_f2(x)＝-ε_M(x)+ε_N(x)+ε_OT(x)

其中，ε_f2(x)所述返回段传感光纤的分布式应变。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到每条所述弹性杆件的轴心分布式弯曲应变：

其中，ε_BM1(x)表示每条所述弹性杆件的轴心分布式弯曲应变。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过所述多通道切换模块进行通道切换，以分别得到两条所述弹性监测杆件的轴心分布式弯曲应变。

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