CN116952422A - 一种油气管道在线应力测量方法及系统 - Google Patents

一种油气管道在线应力测量方法及系统 Download PDF

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孟令民
牛帅
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孙世尧
邢云峰
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Abstract

本发明公开了一种油气管道在线应力测量方法及系统，系统包括：数据采集模块，用于采集油气管道的应变数据和材料性能；数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于对所述应变数据进行预处理，获得预处理数据；数据分析模块，与所述数据处理模块连接，用于根据所述预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；报警模块，与所述数据分析模块连接，用于当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。本系统通过光纤传感器进行数据采集避免了人工测量的误差，会对监测数据实时显示实现实时监测，当检测到数据超出阈值时会发出警报，提醒工作人员进行处理，防止安全事故的发生。

Description

一种油气管道在线应力测量方法及系统
技术领域
本发明属于管道应力测量技术领域，尤其涉及一种油气管道在线应力测量方法及系统。
背景技术
随着国内外对石油、天然气的需求不断提高，油气管道向着大口径、高压力、高强度和高设计系数的方向发展，但是随着使用年限的逐年增长，管道缺陷也随之增多，油气管道进入一个事故多发阶段。在所有的油气管道设备中，金属承受载荷十分大。这些管道内部应力的大小及其变化是衡量其可靠性的主要参考指标。管道金属内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外，还与其加工过程，形变及周围的温度有关。为了维护、检查和延长管道的使用寿命，长期以来人们很关注管道应力的检测。然而常用的油气管道应力测量方法主要依靠人工测量或使用传统测力仪器，这种方法存在测量不准确、人员操作不便的问题，且无法对管道应力进行实时监测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种油气管道在线应力测量方法及系统，以解决无法对管道应力进行实时监测的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种油气管道在线应力测量系统，包括：
数据采集模块，用于采集油气管道的应变数据和材料性能；
数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于对所述应变数据进行预处理，获得预处理数据；
数据分析模块，与所述数据处理模块连接，用于根据所述预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
报警模块，与所述数据分析模块连接，用于当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
优选地，所述数据采集模块包括校正单元、光源、和光纤传感器；
所述校正单元用于测定光线传感器的初始位置和形状；
所述光源用于为测量油气管道应力提供光；
所述光纤传感器用于测定油气管道表面光照的散射强度和方向，获得光信号。
优选地，所述数据处理模块包括光电转换单元和预处理单元；
所述光电转换单元用于将光信号转化为电信号；
所述预处理单元用于对所述电信号进行放大和滤波处理。
优选地，所述数据分析模块包括模型构建单元、有限元网格建立单元和计算单元；
所述模型构建单元用于根据油气管道的应变数据和材料性能构建油气管道模型；
所述有限元网格建立单元用于建立油气管道模型的有限元网格；
所述计算单元用于根据建立的有限元网格计算油气管道的受力。
优选地，所述报警模块包括阈值设定单元、显示单元和警报单元；
所述阈值设定单元用于设定安全阈值；
所述显示单元用于显示油气管道受力值；
所述警报单元用于当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
本发明还提供了一种油气管道在线应力测量方法，包括以下步骤：
铺设光纤传感器，通过所述光纤传感器采集油气管道的应变数据和材料性能；
对所述应变数据进行预处理，获得预处理数据；
根据所述预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
优选地，所述采集油气管道的应变数据的方法包括：
测定光线传感器的初始位置和形状；
用光源照向油气管道；
测定油气管道表面光照的散射强度和方向，获得光信号。
优选地，所述预处理的方法包括：
将光信号转化为电信号；
对所述电信号进行放大和滤波处理。
优选地，所述分析油气管道受力情况的方法包括：
根据油气管道的应变数据和材料性能构建油气管道模型；
建立油气管道模型的有限元网格；
根据建立的有限元网格计算油气管道的受力。
优选地，所述发出警报的方法包括：
设定安全阈值；
当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明公开的一种油气管道在线应力测量方法及系统，通过光纤传感器进行数据采集避免了人工测量的误差，会对监测数据实时显示实现实时监测，当检测到数据超出阈值时会发出警报，提醒工作人员进行处理，防止安全事故的发生。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的油气管道在线应力测量系统结构图；
图2为本发明实施例的油气管道在线应力测量方法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本发明提出了一种油气管道在线应力测量系统，包括：
数据采集模块，用于采集油气管道的应变数据和材料性能；
数据处理模块，与数据采集模块连接，用于对应变数据进行预处理，获得预处理数据；
数据分析模块，与数据处理模块连接，用于根据预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
报警模块，与数据分析模块连接，用于当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
进一步地优化方案，数据采集模块包括校正单元、光源、和光纤传感器；
校正单元用于测定光线传感器的初始位置和形状；
光源用于为测量油气管道应力提供光；
光纤传感器用于测定油气管道表面光照的散射强度和方向，获得光信号。
进一步地优化方案，数据处理模块包括光电转换单元和预处理单元；
光电转换单元用于将光信号转化为电信号；
预处理单元用于对电信号进行放大和滤波处理。
进一步地优化方案，数据分析模块包括模型构建单元、有限元网格建立单元和计算单元；
模型构建单元用于根据油气管道的应变数据和材料性能构建油气管道模型；
有限元网格建立单元用于建立油气管道模型的有限元网格；
计算单元用于根据建立的有限元网格计算油气管道的受力。
进一步地优化方案，报警模块包括阈值设定单元、显示单元和警报单元；
阈值设定单元用于设定安全阈值；
显示单元用于显示油气管道受力值；
警报单元用于当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
实施例二
如图2所示，本发明还提出了一种油气管道在线应力测量方法，包括以下步骤：
选择适合的光纤传感器和相应的测量设备。确保传感器能够在高温、高压和腐蚀环境下正常工作。
将光纤传感器固定在输油管道的表面。可以通过将光纤粘贴或固定在管道上，使其与管道表面充分接触。
使用光纤传感器发送光信号，并测量返回的光信号的特性变化。传感器可以测量光强度、光频率或光传输时间等参数。
通过光纤的光学特性，将管道应力转换为光信号的特性变化，再将光信号转化为电信号。当输油管道受到应力时，光纤会发生微小的形变，导致电信号的变化。
使用数据采集设备，采集并记录电信号的变化情况。
对电信号进行预处理，获得预处理数据；
根据预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
进一步地优化方案，采集油气管道的应变数据的方法包括：
在进行形变测量前，需要对光线传感器进行校准，以确保测量结果的准确性和可靠性。校准过程包括确定基准位置和形状，记录参考信号等。
光纤传感器基于光散射原理，利用物体的表面形变改变光线的散射强度和方向。当物体发生形变时，散射的光线的强度和角度会相应改变。
其中，光纤传感器通常由光源和接收器组成。光源发出光线，照射在物体表面上，然后接收器接收散射光。
进一步地优化方案，预处理的方法包括：
将光信号转化为电信号；
对电信号进行放大和滤波处理；
通过小波变换等将信号转换到频域或其他域中，然后进行放大处理，在放大完成后再变换回来；
通过低通滤波滤除高频噪声和杂散信号，保留低频信号的成分。低通滤波可以使用滤波器电路或数字滤波器来实现。
进一步地优化方案，分析油气管道受力情况的方法包括：
首先将需要计算形变的物体进行几何建模，可以使用计算机辅助设计(CAD)软件绘制物体的几何形状。对于复杂的物体，可以使用三维扫描等技术获取几何形状数据；
将物体的几何模型划分为有限个小的子区域，称为单元。为了更好与管道匹配，本实施例中单元设置为四边形；
为了描述物体的材料行为，需要知道材料的特性参数，如杨氏模量、泊松比、密度等。这些参数可以通过实验测量或从材料数据库中获取；
为了模拟实际物体在受力时的行为，为模型设置边界条件。这包括施加力或约束，以及应用温度或其他外部载荷；
有限元法基于弹性理论，通过求解线性方程组来计算物体的形变；
根据单元的几何关系和材料特性，将各个单元的刚度矩阵装配成整体刚度矩阵。这个矩阵描述了物体内部的应力和应变关系；
将约束条件和边界条件引入刚度矩阵和载荷向量中，以考虑外部约束和力的影响；
使用数值计算方法(如线性代数解法)求解由刚度矩阵和载荷向量组成的线性方程组，以得到物体的形变和应力分布。
进一步地优化方案，发出警报的方法包括：
设定安全阈值，当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种油气管道在线应力测量系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集油气管道的应变数据和材料性能；
数据处理模块，与所述数据采集模块连接，用于对所述应变数据进行预处理，获得预处理数据；
数据分析模块，与所述数据处理模块连接，用于根据所述预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
报警模块，与所述数据分析模块连接，用于当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
2.根据权利要求1所述的油气管道在线应力测量系统，其特征在于，
所述数据采集模块包括校正单元、光源、和光纤传感器；
所述校正单元用于测定光线传感器的初始位置和形状；
所述光源用于为测量油气管道应力提供光；
所述光纤传感器用于测定油气管道表面光照的散射强度和方向，获得光信号。
3.根据权利要求1所述的油气管道在线应力测量系统，其特征在于，
所述数据处理模块包括光电转换单元和预处理单元；
所述光电转换单元用于将光信号转化为电信号；
所述预处理单元用于对所述电信号进行放大和滤波处理。
4.根据权利要求1所述的油气管道在线应力测量系统，其特征在于，
所述数据分析模块包括模型构建单元、有限元网格建立单元和计算单元；
所述模型构建单元用于根据油气管道的应变数据和材料性能构建油气管道模型；
所述有限元网格建立单元用于建立油气管道模型的有限元网格；
所述计算单元用于根据建立的有限元网格计算油气管道的受力。
5.根据权利要求1所述的油气管道在线应力测量系统，其特征在于，
所述报警模块包括阈值设定单元、显示单元和警报单元；
所述阈值设定单元用于设定安全阈值；
所述显示单元用于显示油气管道受力值；
所述警报单元用于当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
6.一种油气管道在线应力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
铺设光纤传感器，通过所述光纤传感器采集油气管道的应变数据和材料性能；
对所述应变数据进行预处理，获得预处理数据；
根据所述预处理数据和油气管道的材料性能分析油气管道受力情况；
当油气管道受力超出设定阈值时发出警报，并显示油气管道受力值。
7.根据权利要求6所述的油气管道在线应力测量方法，其特征在于，所述采集油气管道的应变数据的方法包括：
测定光线传感器的初始位置和形状；
用光源照向油气管道；
测定油气管道表面光照的散射强度和方向，获得光信号。
8.根据权利要求6所述的油气管道在线应力测量方法，其特征在于，所述预处理的方法包括：
将光信号转化为电信号；
对所述电信号进行放大和滤波处理。
9.根据权利要求6所述的油气管道在线应力测量方法，其特征在于，所述分析油气管道受力情况的方法包括：
根据油气管道的应变数据和材料性能构建油气管道模型；
建立油气管道模型的有限元网格；
根据建立的有限元网格计算油气管道的受力。
10.根据权利要求6所述的油气管道在线应力测量方法，其特征在于，所述发出警报的方法包括：
设定安全阈值；
当油气管道受力值超出安全阈值时，发出警报声。
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