CN114034277A - 一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法，装置包括：综合监测桩、应变监测传感器组和远程终端。通过应变监测传感器组采集传感器组所在轴向截面的轴向应变数据；各应变监测传感器组包括N支轴向应变传感器，各轴向应变传感器沿油气管道截面圆周依次布置；N大于等于4；通过综合监测桩获取应变监测传感器组采集的轴向应变数据并传输给远程终端；远程终端对接收到的轴向应变数据进行处理，以对油气管道轴向应变进行实时监测。通过设置N支传感器，确保部分传感器出现故障时，该装置仍然能够实现轴向应变监测，提高了装置运行的稳定性，且多支传感器包含的信息更丰富，监测更准确。

Description

一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法

技术领域

本发明涉及油气管道应力应变监测技术领域，特别是涉及一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法。

背景技术

长输管道的安全运行需要管体在工作载荷和周围环境变化(包括可能的地质灾害在内)引发的各种附加载荷作用下满足强度要求，并且不发生屈曲、整体失稳和断裂等失效行为。近年来，为实现地埋管道安全的实时监测，各种传感技术、测试设备和计算机软硬件系统不断发展；目前管道应变监测仍是管道安全监测中普遍采用的监测技术。通过对管道进行实时或定期应变监测，能够掌握管道工作状态的变化，进而评估管道强度、损伤累积和可靠性，为管道运维提供科学依据。

现有技术中，已有：中国专利CN201922399768.1公开了一种基于传感器的管道应变监测系统，其中包括均匀敷设安装在待测管周的三支振弦式应变计，通过焊接固定在管道圆周的0点、4点及8点钟方向；中国专利CN201220257107.0公开了一种长输油气管道应力应变监测装置，其中包括安装在长输油气管道外表面的三支光纤光栅传感器，通过焊接或者磁吸附方式成品字形(即管周0点、3点、9点钟方向)安装固定在管道外表面上部。

上述提及专利及相关类似专利技术中公开的有关于油气管道应变监测装置均为在管周横截面安装3支轴向应变传感器；此种情况下，对于短期的安全监测而言其问题并不突著，但经长期实际应用中仍存在以下三方面的问题。

1)随着传感器运行年限的增加，其受外部环境或自身因素的影响，传感器发生故障的可能性增高。由于我国长输管道一般埋地敷设且因为安全原因要求人工开挖，若传感器发生故障，重新开挖更换传感器将产生较高的经济特别是人工成本。并且传感器出现故障与新传感器安装存在时间差，该段时间内管道应力数据间断，为新传感器安装后的数据接续和管道安全评价带来不确定性。

2)管道变形符合欧拉-伯努利梁的平截面假定，依据该假定，已知沿圆周三处点位的轴向应变，可唯一确定管道轴向应变和应力沿管道圆周分布，并唯一确定管道受力状态。传感器安装后由于施工对管道和传感器的扰动作用，传感器需要一段才能达到稳定状态。当3支传感器数据稳定时开始监测，并将此时数据做为初始值，在后期将传感器数据与初始值对比，得到监测管道应变和应力变化。但是当管道沿圆周布设3支传感器时，从理论上无法判断选取的初始值是否达到稳定态，为后期管道监测数据带来系统误差。虽然经验性地选取初始值可降低初始值对后期数据的影响，但对数据分析人员的经验提出较高要求，也难以有效验证初始值是否为真实的稳定态。

3)长输管道服役期达到数十年，且外部风险对管道的影响周期也可达到十年或更久的时间尺度，因此长期服役后的传感器数据可靠性一直是行业关注的重点问题。当前判断传感器长期可靠性的方法包括：①选取长期可靠性经过工程验证的传感器；②严格规范传感器的安装工艺；③观察历史数据趋势，并与现场调查结果比对，以更具经验的数据分析师分析数据。通过以上途径可改善并评估传感器的长期可靠性，但是以上方法存在无法在监测预警系统中自动量化评估监测数据的长期可靠性。

基于对以上问题的深入认识，提出本发明内容，从技术上更好地解决以上三方面问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法，能够确保管道长期运行监测中不会因传感器故障失效而导致无法获取监测数据的问题，同时多支传感器的加入带来更多有效信息，能够提高油气管道轴向应变数据监测的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种油气管道轴向应变智能化监测装置，所述装置包括：多支应变监测传感器组、综合监测桩和远程终端；

所述应变监测传感器组，用于采集所在轴向截面的轴向应变数据；每个应变监测传感器组包括N支轴向应变传感器，各所述轴向应变传感器沿油气管道的截面圆周上依次布置；N大于等于4；

所述综合监测桩，与各所述应变监测传感器组连接，用于接收所述应变监测传感器组采集的轴向应变数据，并将所述轴向应变数据传输给远程终端；

远程终端，与所述综合监测桩无线连接，用于对接收到的所述轴向应变数据进行处理，以对所述油气管道轴向应变进行实时监测。

可选地，所述综合监测桩包括：

数据获取模块，通过连接管与所述轴向应变传感器的引出线缆电连接，用于获取所述轴向应变传感器采集的轴向应变数据；

无线传输模块，与所述数据获取模块和所述远程终端连接，用于将所述轴向应变数据无线传输至所述远程终端。

可选地，所述综合监测桩还包括：蓄电池、太阳能板、太阳能控制器、集成板和综合监测桩外壳；

所述蓄电池，与所述太阳能控制器连接，用于通过所述太阳能控制器为所述数据获取模块、所述无线传输模块供电；

所述太阳能板，与所述太阳能控制器连接，用于将太阳能转化成电能，通过所述太阳能控制器为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电，并为所述蓄电池充电；

所述太阳能控制器，分别与所述数据获取模块和所述无线传输模块连接，用于控制所述太阳能板为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电，并控制所述太阳能板为所述蓄电池充电；

所述集成板，所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器和所述蓄电池集中排布于所述集成板上；

所述综合监测桩外壳，用于容纳所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器、所述蓄电池和所述集成板，所述集成板经防水处理后嵌入在综合监测箱外壳的背板上。

可选地，所述综合监测桩还包括：

避雷针、接地线和接地体；所述接地线连接所述避雷针和所述接地体。

为实现上述目的，本发明还提供了一种油气管道轴向应变智能化监测方法，所述方法基于所述油气管道轴向应变智能化监测装置，包括：

S1：获取待测截面上N支轴向应变传感器实时采集的油气管道截面的轴向应变数据和各所述轴向应变传感器的安装角度；根据各所述轴向应变传感器的安装角度和N组轴向应变数据，确定待测截面应变分量和待测截面最优应变分量；N大于等于4；所述安装角度为轴向应变传感器与截面圆心的连线与零点方向的夹角；所述零点方向为经过轴向应变传感器所在截面的圆心且垂直油气管道轴向的方向；所述截面应变分量包括：轴向平均拉压应变、水平弯曲应变和竖向弯曲应变；所述截面最优应变分量包括：最优轴向平均拉压应变、最优水平弯曲应变和最优竖向弯曲应变；

S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值；

S3：根据所述待测截面最优应变分量，确定不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值；

S4：基于待测截面轴向应变初始值和不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值的得到轴向应变变化量；根据所述轴向应变变化量对油气管道截面的轴向应变进行实时监测。

可选地，计算油气管道待测截面应变分量采用公式：

其中，θ_i、θ_j、θ_k表示待测截面上三个轴向应变传感器的安装角度，ε_i、ε_j、ε_k分别为与安装角度对应的轴向应变传感器采集的轴向应变数据；ε_m表示平均拉压应变，ε_by表示竖向弯曲应变，ε_bz表示水平弯曲应变。

可选地，所述确定待测截面最优应变分量，具体包括：

N支轴向应变传感器确定

组待测截面应变分量，基于最小二乘法对

组待测截面应变分量进行拟合，得到待测截面最优应变分量，其中，

为大于或等于1的正整数。

可选地，确定油气管道待测截面圆周上任一点处的轴向应变值ε(θ)采用公式：

其中，θ表示油气管道待测截面圆周上任一点与圆心的连线与零点方向的夹角，

表示最优平均拉压应变，

表示最优竖向弯曲应变，

表示最优水平弯曲应变。

可选地，所述“S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值”，具体包括：

S21：基于设定时间间隔，分别计算N支轴向应变传感器在M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差；

S22：比较M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差的大小，若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值大于等于设定阈值，将标准差最小的时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值；若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值小于设定阈值，则将最早时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值；

S23：根据待测截面应变分量初始值，确定待测截面轴向应变初始值。

可选地，在步骤S4之后还包括：当待测截面上M个不同时刻中任意时刻对应的

组待测截面应变分量的标准差数值增大且超过设定阈值时，则判定对应时刻传感器出现故障。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法，该装置包括：多个应变监测传感器组、综合监测桩和远程终端；应变监测传感器组用于采集所在轴向截面的轴向应变数据；每个应变监测传感器组包括N支轴向应变传感器，各轴向应变传感器沿油气管道的截面圆周上依次布置；N大于等于4；综合监测桩，与各应变监测传感器组连接，用于接收所述应变监测传感器组采集的轴向应变数据，并将轴向应变数据传输给远程终端；远程终端，与综合监测桩无线连接，用于对接收到的轴向应变数据进行处理，以对油气管道轴向应变进行实时监测。通过设置N支传感器，确保部分传感器出现故障时，该装置仍然能够实现轴向应变监测，提高了装置运行的稳定性，多支传感器包含了更丰富的信息，使得对数据的监测更准确。

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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明油气管道轴向应变智能化监测装置结构示意图；

图2为本发明油气管道轴向应变智能化监测装置实体结构示意图；

图3为本发明油气管道轴向应变智能化监测方法流程图；

图4为本发明轴向应变传感器的安装角度示意图。

符号说明：

应变监测传感器组-1，综合监测桩-2，远程终端-3，油管-4，轴向应变传感器-11，太阳能板-21，一体化综合监测箱-22，避雷针-23，接地线-24，接地体-25。

具体实施方式

下面将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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通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。

本发明的目的是提供一种油气管道轴向应变智能化监测装置与方法，能够确保管道长期运行监测中不会因传感器故障失效而导致无法获取监测数据的问题，同时多支传感器的加入带来更多有效信息，能够提高油气管道轴向应变数据监测的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

如图1所示，本发明油气管道轴向应变智能化监测装置，包括：多个应变监测传感器组1、综合监测桩2和远程终端3。

所述应变监测传感器组1，用于采集所在轴向截面的轴向应变数据；每个应变监测传感器组包括N支轴向应变传感器11，各所述轴向应变传感器11沿油气管道的截面圆周上依次布置；N大于等于4。其中，以顺油气管道4气流方向，沿圆形截面圆周按顺时针方向布设轴向应变传感器11，依据任意3支传感器11组合计算出当前管道所受轴力、竖向弯矩和侧向弯矩，即可得到一组截面受力状态。所述轴向应变传感器11可为振弦式或光纤光栅式。

所述综合监测桩2，与各所述应变监测传感器组1连接，用于接收所述应变监测传感器组1采集的轴向应变数据，并将所述轴向应变数据传输给远程终端3。

远程终端3，与所述综合监测桩2无线连接，用于对接收到的所述轴向应变数据进行处理，以对所述油气管道4轴向应变进行实时监测。

具体地，所述综合监测桩2包括：数据获取模块和无线传输模块。

数据获取模块，通过连接管与所述轴向应变传感器11的所述引出线缆电连接，用于获取所述轴向应变传感器11采集的轴向应变数据。在本发明的具体实施例中，数据获取模块可为数据采集仪，包括振弦采集仪、光纤光栅采集仪或应变片采集仪等。

无线传输模块，与所述数据获取模块和所述远程终端3连接，用于将所述轴向应变数据无线传输至所述远程终端3。在本发明的具体实施例中，无线传输模块可为4G/5G等远程移动通讯模块、卫星通讯模块及LORA等无线射频模块等。

进一步地，如图2所示，所述综合监测桩2还包括：蓄电池、太阳能板21、太阳能控制器、集成板和综合监测桩外壳。

所述蓄电池，与所述太阳能控制器连接，用于通过所述太阳能控制器，在所述太阳能板电压小于设定电压阈值时，为所述数据获取模块、所述无线传输模块供电。

所述太阳能板21，与所述太阳能控制器连接，用于将太阳能转化成电能，在太阳能板21电压大于设定电压阈值时，通过所述太阳能控制器为所述数据获取模块、所述无线传输模块供电，并为所述蓄电池充电。

所述太阳能控制器，分别与所述数据获取模块和所述无线传输模块连接，用于在太阳能板21的电压大于设定电压阈值时，控制所述太阳能板21为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电，并为所述蓄电池充电；在太阳能板21的电压小于设定电压阈值时，控制所述蓄电池为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电。

所述集成板，所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器和所述蓄电池集中排布于所述集成板上。

所述综合监测桩外壳，用于容纳所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器、所述蓄电池和所述集成板，所述集成板经防水处理后嵌入在综合监测箱外壳的背板上。进一步地，所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述蓄电池、太阳能控制器、集成板和综合监测桩外壳形成一体化综合监测箱22。

进一步地，如图2所示，所述综合监测桩2还包括：避雷针23、接地线24和接地体25；所述接地线24连接所述避雷针23和所述接地体25。所述避雷针23通过热镀锌不锈钢处理，所述接地体25间通过接地线24连接并做防腐处理，且埋深不小于0.5米。

在本发明的具体实施中，所述的应变监测传感器组1通常安装在风险程度较高的油气管段，需安装在管道钢体表面，传感器外安装保护罩保护，保护罩外使用粘弹体膏完全覆盖，起到防水、防潮作用，延长传感器使用寿命。监测截面使用防腐带、冷缠带作为外保护；监测截面引出线缆呈S形沿管道轴线方向盘绕于管道上方，并使用冷缠带、橡胶板保护。所述监测截面引出线缆与管道敷设并保护，使用线缆保护管引入综合监测桩2内。

为实现上述目的，如图3所示，本发明还提供了一种油气管道轴向应变智能化监测方法，所述方法基于所述油气管道轴向应变智能化监测装置，包括：

S1：获取待测截面上N支轴向应变传感器实时采集的油气管道截面的轴向应变数据和各所述轴向应变传感器的安装角度；根据各所述轴向应变传感器的安装角度和N组轴向应变数据，确定待测截面应变分量和待测截面最优应变分量；N大于等于4；所述安装角度为轴向应变传感器与截面圆心的连线与零点方向的夹角；所述零点方向为经过轴向应变传感器所在截面的圆心且垂直油气管道轴向的方向，如图4所示，以4支轴向应变传感器为例，z轴所在方向即为零点方向，安装角度如图中的θ₁、θ₂、θ₃和θ₄。所述截面应变分量包括：轴向平均拉压应变、水平弯曲应变和竖向弯曲应变；所述截面最优应变分量包括：最优轴向平均拉压应变、最优水平弯曲应变和最优竖向弯曲应变。

S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值。

S3：根据所述待测截面最优应变分量，确定不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值。

S4：基于待测截面轴向应变初始值和不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值的得到轴向应变变化量；根据所述轴向应变变化量对油气管道截面的轴向应变进行实时监测。

具体地，计算油气管道待测截面应变分量采用公式：

其中，θ_i、θ_j、θ_k表示待测截面上三个轴向应变传感器的安装角度，ε_i、ε_j、ε_k分别为与安装角度对应的轴向应变传感器采集的轴向应变数据；ε_m表示平均拉压应变，ε_by表示竖向弯曲应变，ε_bz表示水平弯曲应变。

进一步地，所述确定待测截面最优应变分量，具体包括：

N支轴向应变传感器确定

组待测截面应变分量，基于最小二乘法对

组待测截面应变分量进行拟合，得到待测截面最优应变分量，其中，

为大于或等于1的正整数。

具体地，确定油气管道待测截面圆周上任一点处的轴向应变值ε(θ)采用公式：

其中，θ表示油气管道待测截面圆周上任一点与圆心的连线与零点方向的夹角，

表示最优平均拉压应变，

表示最优竖向弯曲应变，

表示最优水平弯曲应变。

本发明能够解决无备用传感器导致的故障传感器维修时的数据间断和接续问题，并有效降低监测截面故障率。具体来说，当单个监测截面存在4支或以上传感器时，当若干传感器发生故障时，只要剩余正常传感器数据不少于3支，即可实现连续有效监测。

若监测期间有传感器故障需要替换，则面临新安装传感器与旧传感器“数据接续”的问题。传统监测截面中只有3支传感器用于计算分析，因此当其中一支传感器故障，另外2支传感器无法完成截面监测，在故障期间管道的应力变化未知，因此新传感器安装后，与旧传感器的数据接续存在困难，进而导致管道安全评价的不准确。本发明中所有传感器参与计算，当某传感器故障时，只要截面正常传感器不少于3支，即可监测到故障期间应力变化，基于该应力变化可完成新传感器与旧传感器间的数据接续。只有当监测截面正常存活传感器数量少于3支时，该监测截面才失去应力监测能力，判定为故障截面。当每截面仅安装3支轴向应变传感器时，在某服役年限，设单支传感器完好率为f，则3支传感器均完好的概率为f^3，即截面完好率为f^3。

当每监测截面安装N(N≥4)支轴向应变传感器时，将显著提高监测截面的完好率，下面以N＝4和N＝5为例进行说明。

若N＝4，监测截面完好分为以下两种情况：①4支传感器均完好，概率为f^4；②一支传感器有故障而其它3支传感器完好，概率为4*(1-f)*f^3。因此，N＝4时截面完好的概率为f^4+4*(1-f)*f^3。

若N＝5，监测截面完好分为以下三种情况：①5支传感器均完好，概率为f^5；②一支传感器故障而其它四支传感器完好，概率为5*(1-f)*f^4；③两支传感器故障而其它三支传感器完好，概率为

因此，N＝5时截面完好的概率为f^5+5*(1-f)*f^4+10*(1-f)^2*f^3。

设运行5年后单支传感器完好率为f＝90％，则现有专利技术(N＝3)的监测截面完好率为f^3＝72.9％；本专利技术的监测截面n＝4时完好率为94.8％，n＝5时的完好率为99.1％。显然，随着传感器支数的增加，同时期监测截面传感器完好率快速增加，而当N＝4时即可达到工程可接受的完好率水平。

相应地，需要进行传感器维修的概率大幅下降，可很好改善因传感器维修时数据间断导致的问题。

进一步地，所述“S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值”，具体包括如下步骤：

S21：基于设定时间间隔，分别计算N支轴向应变传感器在M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差。

S22：比较M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差的大小，若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值大于等于设定阈值，将标准差最小的时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值；若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值小于设定阈值，则将最早时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值。

S23：根据待测截面应变分量初始值，确定待测截面轴向应变初始值。

传感器初始值不稳定的一个重要表现为不同传感器数据吻合度较差。对比不同初始值时的数据一致性统计学指标，取统计学指标最小即各种计算方法吻合度最高的一期数据为初始值，在本发明的具体实施例中，数据一致性统计学指标可为方差或标准差，也可为其他数据一致性统计学指标，在此不作限制。将上述步骤程序化，嵌入管道应力应变监测预警系统，即可实现监测数据初始值的自校准功能。

确定待测截面轴向应变初始值后，随后各时间点的数据均有

组计算结果。此时，各组计算结果之间的差异为监测截面系统误差，由传感器精度、监测截面沿圆周温度分布、传感器安装角度误差、传感器安装方向误差等因素决定。

1)监测截面会持续返回数据，一般情况下每天返回2-4期数据(一期数据为一个时刻返回的数据)，加密监测情况下最高可达到每小时一期数据至数分钟一期数据。对于每一期数据，均可得到

组计算结果间的差异，通过分析这些差异随时间变化规律，可获得有用信息。这些差异由两部分构成，其一为系统误差，其二为测值误差。对于测值误差，满足随机性分布特征，而系统误差则表现出随时间的规律性。

2)如传感器安装角度误差为系统误差，导致的差异与截面应力成正比，并且表现出显著的方向性；对于这种误差，通过微调传感器安装角度值，可使每一期数据中的误差均减小，当误差为最小时，即得到传感器安装角度修正值。通过修正传感器安装角度消除此类系统误差，即所谓的“自校准”。

3)如初始值选取时数据不稳定导致的误差，也为系统误差，在每一期数据中均存在，且方向性一致，不随截面应力大小而改变大小。对于初始值选取不当导致的系统误差，可通过更换监测数据初始值解决，如选取第2、3或4期数据为初始值，将初始值期数顺延，当选取某一期监测数据为初始值后，各期监测数据反映出误差均大幅减小至可接受时，认为该期监测数据采集时传感器已达稳定安装状态。通过此方法，一方面可量化评估初始值选取时传感器状态是否已达稳定态，另一方面可选取更合理的初始值，消除初始值导致的系统误差，即“自校准”。

4)传感器老化、可靠性降低导致的差异具有一定的随机性，但这种差异随着监测时间的增长而增长，易于辨识。随着监测时间的增长，如服役几年至十年，当传感器老化、可靠度降低时，各传感器精度、稳定性可能下降。此时，

组计算结果间的差异(即上文所称测值误差)将会增大，可将该差异的代表值(如应力方差、均方差)-时间曲线做为监测截面长期可靠度的指标。如果监测截面长期服役后仍是可靠的，那么

组计算结果将持续具备良好的一致性。如果这种一致性降低，则意味着监测截面长期可靠度的下降，因此，可将应力方差、应力均方差等作为判断可靠性是否可接受的量化指标，此即为“长期可靠度自诊断”。

更进一步地，在步骤S4之后还包括：当待测截面上M个不同时刻中任意时刻对应的

组待测截面应变分量的标准差数值增大且超过设定阈值时，则判定对应时刻传感器出现故障。

监测管道安全的目的是在管道应力急剧变化或缓慢增加至不可接受水平时发布预警信息。当管道危险突然增大时，表现为传感器返回值的急剧变化，而当某支传感器出现故障时，一般也表现为传感器返回值的急剧变化，专业内称为传感器“跳数”。传统监测技术中，一个截面只设3支传感，此时一旦某一支传感器数据剧烈变化时，专业人员不好判断这种数据急剧变化是管道真的发生危险，还是传感器出现故障。若错误地判断为传感器故障，将出现漏报警并引发严重后果；若错误地判断为管道出现危险，将出现误报警而带来人力、物力的严重浪费。因此，传感器的故障诊断是行业内的重要技术问题，当前一般依靠专业人员的经验和现场调查进行判断。

本发明中，每个监测截面设置4支或以上传感器。当监测截面中有一支传感器k发生故障时，该传感器无法获取数据或返回错误读数(表现为数据的剧烈变化)。当传感器k无法获取读数时，可直接判断为故障。而当传感器k返回错误读数时，将导致传感器k数据参与计算的管道应变分量(或由应变分量计算导出的其它数据如应力、内力等)错误，且显著差异于无传感器k参与时的管道应变分量计算结果。

在每组监测数据返回监测预警系统时，采用

种方法计算管道应变分量，并统计各种方法计算结果的差异程度。当差异程度显著增大时，可自动判断出传感器故障。

同时，对于真实发生的管道受力急剧变化，当截面有4支或以上传感器时，必然会导致至少2支传感器数据的急剧变化；依据该原则，当某一期监测截面返回值中，只有一支传感器数据异常变化，则可判定为该传感器故障。

若t时刻返回的传感器数据被判断为传感器故障，自动调取t时刻之前的若干组管道应变计算结果，则没有故障传感器参与时的监测数据将与t时刻之前的管道应变计算结果有更好的吻合度，据此可智能诊断出故障传感器。基于此，可实现传感器故障的自诊断。

本发明通过在管道圆形横截面上安装N(N≥4)支轴向应变传感器的布设方式，可获得

组管道截面受力状态，即随传感器数量的扩增，其截面受力状态分析数据引入了一定的信息冗余，有效避免了管道长期监测需求下由于部分传感器故障失效所致的无法及时获取监测截面受力信息的问题；同时多支传感器组合下的截面受力信息数据经过特定算法分析处理，更有利于监测截面的自校核及自校准，进而实现传感器智能化故障诊断。本应变监测装置前期安装便捷、后期维护方便，在不扰动在役管道运行环境前提下，可长期、稳定地获取管道本体的应变监测数据，并对管道受力进行全面分析并对其安全状态做出预测预警，为管道安全运行维护决策提供数据支撑。且本发明选用的地下管道本体监测设备体积小，易于加装保护进而可避免由于土体位移剪切导致的传感器失效；综合监测桩箱体内部可集成多种采集硬件设备同时配备大功率太阳能电池板，内部及外壳均做防水防雷处理，在野外无人值守、恶劣天气等情况下，仍可确保系统供电的稳定性，满足对管道长期有效的远程监测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种油气管道轴向应变智能化监测装置，其特征在于，所述装置包括：多个应变监测传感器组、综合监测桩和远程终端；

所述应变监测传感器组，用于采集所在轴向截面的轴向应变数据；每个应变监测传感器组包括N支轴向应变传感器，各所述轴向应变传感器沿油气管道的截面圆周上依次布置；N大于等于4；

所述综合监测桩，与各所述应变监测传感器组连接，用于接收所述应变监测传感器组采集的轴向应变数据，并将所述轴向应变数据传输给远程终端；

远程终端，与所述综合监测桩无线连接，用于对接收到的所述轴向应变数据进行处理，以对所述油气管道轴向应变进行实时监测。

2.根据权利要求1所述的油气管道轴向应变智能化监测装置，其特征在于，所述综合监测桩包括：

数据获取模块，通过连接管与所述轴向应变传感器的引出线缆电连接，用于获取所述轴向应变传感器采集的轴向应变数据；

无线传输模块，与所述数据获取模块和所述远程终端连接，用于将所述轴向应变数据无线传输至所述远程终端。

3.根据权利要求2所述的油气管道轴向应变智能化监测装置，其特征在于，所述综合监测桩还包括：蓄电池、太阳能板、太阳能控制器、集成板和综合监测桩外壳；

所述蓄电池，与所述太阳能控制器连接，用于通过所述太阳能控制器为所述数据获取模块、所述无线传输模块供电；

所述太阳能板，与所述太阳能控制器连接，用于将太阳能转化成电能，通过所述太阳能控制器为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电，并为所述蓄电池充电；

所述太阳能控制器，分别与所述数据获取模块和所述无线传输模块连接，用于控制所述太阳能板为所述数据获取模块和所述无线传输模块供电，并控制所述太阳能板为所述蓄电池充电；

所述集成板，所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器和所述蓄电池集中排布于所述集成板上；

所述综合监测桩外壳，用于容纳所述无线传输模块、所述数据获取模块、所述太阳能控制器、所述蓄电池和所述集成板，所述集成板经防水处理后嵌入在综合监测箱外壳的背板上。

4.根据权利要求3所述的油气管道轴向应变智能化监测装置，其特征在于，所述综合监测桩还包括：

避雷针、接地线和接地体；所述接地线连接所述避雷针和所述接地体。

5.一种油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-4任一项所述的油气管道轴向应变智能化监测装置，包括：

S1：获取待测截面上N支轴向应变传感器实时采集的油气管道截面的轴向应变数据和各所述轴向应变传感器的安装角度；根据各所述轴向应变传感器的安装角度和N组轴向应变数据，确定待测截面应变分量和待测截面最优应变分量；N大于等于4；所述安装角度为轴向应变传感器与截面圆心的连线与零点方向的夹角；所述零点方向为经过轴向应变传感器所在截面的圆心且垂直油气管道轴向的方向；所述截面应变分量包括：轴向平均拉压应变、水平弯曲应变和竖向弯曲应变；所述截面最优应变分量包括：最优轴向平均拉压应变、最优水平弯曲应变和最优竖向弯曲应变；

S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值；

S3：根据所述待测截面最优应变分量，确定不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值；

S4：基于待测截面轴向应变初始值和不同时刻待测截面圆周上任意一点处的轴向应变值的得到轴向应变变化量；根据所述轴向应变变化量对油气管道截面的轴向应变进行实时监测。

6.根据权利要求5所述的油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，计算油气管道待测截面应变分量采用公式：

其中，θ_i、θ_j、θ_k表示待测截面上三个轴向应变传感器的安装角度，ε_i、ε_j、ε_k分别为与安装角度对应的轴向应变传感器采集的轴向应变数据；ε_m表示平均拉压应变，ε_by表示竖向弯曲应变，ε_bz表示水平弯曲应变。

7.根据权利要求6所述的油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，所述确定待测截面最优应变分量，具体包括：

N支轴向应变传感器确定

组待测截面应变分量，基于最小二乘法对

组待测截面应变分量进行拟合，得到待测截面最优应变分量，其中，

为大于或等于1的正整数。

8.根据权利要求7所述的油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，确定油气管道待测截面圆周上任一点处的轴向应变值ε(θ)采用公式：

其中，θ表示油气管道待测截面圆周上任一点与圆心的连线与零点方向的夹角，

表示最优平均拉压应变，

表示最优竖向弯曲应变，

表示最优水平弯曲应变。

9.根据权利要求8所述的油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，所述“S2：根据所述待测截面应变分量，确定待测截面轴向应变初始值”，具体包括：

S21：基于设定时间间隔，分别计算N支轴向应变传感器在M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差；

S22：比较M个不同时刻的

组待测截面应变分量的标准差的大小，若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值大于等于设定阈值，将标准差最小的时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值；若各时刻的

组待测截面应变分量的标准差的差值小于设定阈值，则将最早时刻对应的待测截面应变分量，作为待测截面应变分量初始值；

S23：根据待测截面应变分量初始值，确定待测截面轴向应变初始值。

10.根据权利要求9所述的油气管道轴向应变智能化监测方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括：当待测截面上M个不同时刻中任意时刻对应的

组待测截面应变分量的标准差数值增大且超过设定阈值时，则判定对应时刻传感器出现故障。

Images