CN202904818U - 一种油气管道山洪灾害监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种油气管道山洪灾害监测系统。将金属平板（1）固定于河道边，金属平板（1）上安装置于河道中的防护筒（3），光纤光栅水位传感器（4）固定于防护筒（3）壁内，在河道底部安装固定光纤光栅流速传感器（6）的基准桩（5），在油气管道（7）的监测截面上安装光纤光栅振动传感器（8），水位传感器（4）、流速传感器（6）与光纤光栅振动传感器（8）一并引入光纤接线盒（9），与光缆Ⅰ（10）连接；在监测站里，光缆Ⅰ（10）依次与光开关（11）、解调仪（12）和下位机（13）连接，下位机（13）由无线通讯模块Ⅰ（14）和无线通讯模块Ⅱ（15）与办公室的上位机（16）连接。它空间分辨率高、成本低、安全有效。

Description

一种油气管道山洪灾害监测系统

技术领域

本实用新型是一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测系统，涉及线速度的测量、液位的测量、机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统技术领域。

背景技术

山洪灾害是指山丘地区由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡灾害。随着近年来全球气候变暖导致极端天气异常，几十年不遇甚至百年不遇的暴雨时有发生。我国中小河流众多，流域面积在100～1000km²的河流有5万多条；同时我国地处东亚季风区，山丘区暴雨频发，沟壑纵横、地形地质条件复杂，再加上人类工程活动（乱砍滥伐、开山削坡、水利灌溉）的日益加剧，对原始地形、地貌形成较大的扰动破坏，导致山洪灾害发生频繁。

长输油气管道与铁路、公路等一样，是典型的线型工程，这些线型工程不可避免地受到河流、沟道的影响，如冲刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蚀和河流改道；在地形起伏的地区，这些工程还受到流水所致的坡面侵蚀的影响，如坡面水土流失所致地表塌陷、管沟掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山区及山前区中小河流,因河道坡降较大而引发的汇水面积大、水流急、冲刷剧烈等，使河床常常暴露出基岩、卵砾石及漂石。在这类河道中敷设管道时，管道若没有嵌固于稳定的基岩内或在埋深不够时，一旦山洪暴发，表层这些块石及漂石在高速水流作用下一起运动，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，即管跨段。在一定条件下，水流流经管线时，管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，使管线受到一个顺流向的波动阻力和垂直于流向的波动升力，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响洪水作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。

洪水灾害给我国油气管道工业带来了巨大的风险和损失。如黄土高原的马惠宁管道，建成投产后洪水灾害不断出现，曾数次发生悬空、断管事故。西北地区的涩宁兰输气管道山洪灾害亦很频繁，经常造成管道外露和悬空。2004年7月，青海省乐都地区突降大雨，石头沟暴发山洪，汹涌的洪水将管线冲出，使管道呈裸管悬空的状态，洪水夹带的大漂石强烈冲击管道。2010年7月，忠武管道榔坪地区遭遇强降雨袭击。暴雨使榔坪河洪水暴涨，沿河道敷设的忠武管道多处出现险情，其中两处管道长距离漂管，一处露管，另有30多处水工保护挡墙被冲毁。2010年8月，四川德阳石亭江洪水暴涨，导致河堤被冲毁，出现大面积溃堤，造成兰成渝管道某支线悬空400m，完全暴露于水流冲刷之下。2011年3月，西气东输二线呼图壁县黑娃山沟发生洪水，造成该段冲沟底部下切，约140m管道被冲出，发生管线露空漂浮，情况危急。

面对众多的中小流域山洪灾害，我国管道运营公司经常采取积极的水工保护工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。

目前，我国中小河流山洪监测预警技术还处于起步阶段，由于大部分中小河流站网密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有强度大、历时短、难预报等特点。传统的山洪灾害水情监测多采用机械式或电磁式传感器，对于前者，其技术相对成熟，常见的有浮子式水位计、差压式水位计、机械转子式流速计等，但由于受机械结构自身限制，其测量误差大、精度低；对于后者，常见的有雷达式液位计、超声波流速仪、声学多普勒流速仪等，测量精度较高、使用简便，但成本高，且易受电磁波干扰。另外，对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻胀融沉、活动发震断层等大规模土体移动作用下埋地管道的安全监测更多的关注于对管体应力应变的监测，而山洪作用下管道的破坏方式主要表现为流固耦合效应引起的涡激振动导致管道发生疲劳失效，单纯的监测管体应力应变已不能满足山洪作用下管道安全防护的要求。对于金属构件的振动监测，传统的机械式、电类振动传感器（如压电、磁电和电涡流式等）存在灵敏度低、测量范围小、传输距离近以及材料缺陷等缺点，不适用于大型工程的长期远程实时监测。近几年兴起的分布式光纤传感技术（以BOTDR为代表）在机械振动监测方面已有一定的应用，但尚未见到将光纤光栅技术应用于山洪作用下管线涡激振动监测的报道。

当前山洪灾害监测预警技术多应用于公路、铁路、电站、大坝等工程及城镇防洪体系建设，还未对山洪及其影响下的埋地油气管道进行系统的联合监测。开展管道山洪灾害联合监测，不仅能超前判断山洪形成前的水位、流速及洪峰流量，还能查明水流冲刷对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道在洪水冲击作用下发生涡激振动的条件及变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供依据。综合以上的信息，就能对山区河沟谷地段的管道进行安全预警，提前预报山洪的形成时间、规模以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。

光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性：易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating）是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。

由耦合模理论可知，均匀的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长（布拉格波长）λ_B为：

λ_B＝2n_effΛ                                                     （1）

式中：λ_B为布拉格波长；n_eff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。

对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\ϵ}---\left(2\right)$

式中：α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；P_e为光纤材料的弹光系数。由式(2）可知，应变ε是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度T是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。

光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：（1）传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；（2）与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；（3）具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；（4）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；（5）测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；（6）高灵敏度、高分辩力。

与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有：（1）对测量点能精确定位，分辨率高；（2）成本低；（3）能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。

由于这些优点，在岩土工程领域中，光纤光栅传感器很容易埋入岩土体中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围测量，技术优势非常明显，尤其体现在能获得长期、可靠的岩土体变形数据，目前还未见到光纤光栅传感技术用于山涧河谷地区山洪雨水情及洪水冲击作用下管线涡激振动频率联合监测的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种空间分辨率高、成本低、安全有效的基于光纤光栅的油气管道山洪灾害监测系统。

本实用新型提出了一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测预警系统。系统采用光纤光栅传感技术，对山涧河谷地区山洪水情及洪水冲击作用下的管道进行联合监测，监测内容包括河道水位、山洪流速和管线涡激振动监测。并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。

本实用新型提出的基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测内容包括三部分：水位监测、流速监测和管线涡激振动监测，分别采用光纤光栅传感器实时在线监测，光纤光栅预警内容包括对山洪的洪峰流量和管线涡激振动频率的预警。

基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测原理如图1所示。包括水位监测装置、流速监测装置、管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端-上位机。将金属平板1用螺栓2固定于河道岸边，在金属平板1上安装防护筒3，并将防护筒3向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器4固定于防护筒3壁内，在河道底部安装基准桩5，桩上固定光纤光栅流速传感器6，在油气管道7的监测截面上安装光纤光栅振动传感器8，然后将水位传感器4、流速传感器6与振动传感器8一并引入光纤接线盒9，与引至监测站的光缆10连接，在监测站里，光缆10与光开关11连接，光开关11与光纤光栅解调仪12连接，解调仪12与下位机13连接，下位机13预处理后的数据通过无线通讯模块14传输，无线通讯模块15接收到上位机16;用上述装置对油气管道山洪灾害进行监测。

光纤光栅水位传感器4、光纤光栅流速传感器6和光纤光栅振动传感器8将山洪水位、河道流速和管线涡激振动信号经光缆Ⅰ10传到光开关11，光开关11后经解调仪12解调传至下位机13,下位机13调用自编的程序，控制光开关11和解调仪12，实现数据的采集并对数据进行预处理;预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ14传输、无线通讯模块Ⅱ15接收到到上位机16，上位机16对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与管线自身的固有振动频率的对比分析，判断山洪冲击作用下管道的安全状态。数据的处理主要由软件完成，软件流程如图3所示。下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据转化为应变数据，上位机在接收数据后，首先将数据分类，根据雨量、水位和流速计算山洪总量和洪峰，并将其与管线涡激振动信号相结合，判断山洪形成的时间、规模及洪水冲刷作用下管道的安全状况。

油气管道山洪灾害监测系统的构成如图5所示，该系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括水位监测装置、流速监测装置、管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端(上位机)。

油气管道山洪灾害监测系统的总体构成如图1所示。将金属平板1用螺栓2固定于河道岸边，在金属平板1上安装防护筒3，并将防护筒3向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器4固定于筒壁内，在河道底部安装基准桩5，桩上固定光纤光栅流速传感器6，在油气管道7的监测截面上安装光纤光栅振动传感器8，然后将水位传感器4、流速传感器6与振动传感器8一并引入光纤接线盒9，与引至监测站的光缆Ⅰ10连接，在监测站里，光缆Ⅰ10与光开关11连接，光开关11与光纤光栅解调仪12连接，解调仪12与下位机13连接，下位机13预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ14传输，无线通讯模块Ⅱ15接收到上位机16；用上述装置对油气管道山洪灾害进行联合监测。

光纤光栅水位传感器4、光纤光栅流速传感器6和光纤光栅振动传感器8将河道水位、山洪流速和管线涡激振动信号经光缆Ⅰ10传到光开关11，光开关11后经解调仪12解调传至下位机13,下位机13调用自编的程序，控制光开关11和解调仪12，实现数据的采集并对数据进行预处理;预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ14传输、无线通讯模块Ⅱ15接收到上位机16，上位机16对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与其固有频率对比分析结果，判断山洪冲刷作用下管道的安全状态。

该系统的电原理如图6所示，分别监测水位、流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器--光纤光栅水位传感器4、光纤光栅流速传感器6和光纤光栅振动传感器8的PC接头用光缆Ⅰ10与光转换开关11的PC接头连接，光转换开关11的R232连接下位机13的R232接口，光转换开关11的PC接头连接光纤光栅解调仪12SM125的CH1端，光纤光栅解调仪12SM125的LAN端口连接下位机13的LAN端口，下位机13的R232端口接GPRS无线通讯模块Ⅰ14西门子MC35i的R232端口，GPRS无线通讯模块Ⅰ14经天线GSM、GPRS网络，被GPRS无线通讯模块Ⅱ15天线GSM接收后由R232接到上位机16的R232，上位机16的输出由VGA端接显示器的VGA端。

水位、流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关逐一导通传输至光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机13，光开关11导通信号的周期由下位机13控制。下位机13对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS无线通讯模块Ⅰ14，GPRS无线通讯模块Ⅰ14将下位机13计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机16，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

其中:

河道水位监测装置如图2所示。在不锈钢密闭箱体17的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体18，将一支光纤光栅应变传感器Ⅰ19粘贴于圆柱体18表面，并通过光缆Ⅱ20将信号引至光纤接线盒9，光纤接线盒9与光缆Ⅰ10连接，并最终引至监测站。

所述光纤光栅应变传感器Ⅰ19选温度补偿型光纤光栅应变传感器。

山洪流速监测装置如图3所示。由文丘里管式节流管21、导管Ⅰ22、导管Ⅱ23和光纤光栅压强传感机构组成，光纤光栅压强传感机构由有机玻璃密封箱24、密闭铝箔管25、钢销26、等强度悬臂梁27、温度补偿型光纤光栅应变传感器Ⅱ28及光缆Ⅲ29等组成。密闭铝箔管25通过钢销26与悬臂梁27的自由端刚性连接。将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器Ⅱ28粘贴在悬臂梁27表面，并通过光缆Ⅲ29将信号引至光纤接线盒9，光纤接线盒9与光缆Ⅰ10连接，并最终引至监测站。

所述光纤光栅应变传感器Ⅱ28选温度补偿型光纤光栅应变传感器。

管线涡激振动监测装置如图4所示，在基座30一侧内壁上固定一根金属杆31，杆的自由端固定一个金属块32，将一支光纤光栅应变传感器Ⅲ33粘贴于金属杆31表面，并通过光缆Ⅳ34将信号引至光纤接线盒9，光纤接线盒9与光缆Ⅰ10连接，并最终引至监测站。

所述光纤光栅应变传感器Ⅲ33选温度补偿型光纤光栅应变传感器。

现场监测站设置在河道附近的阀室，包括如下几部分：

（1）监测站与各传感器的光纤接线盒和连接光缆，用于将水位、流速和管线涡激振动传感器信号集中传输到监测站；

（2）光转换开关，由于管道山洪灾害监测所用传感器很多，信号通道众多，无法一次连接到光纤光栅解调仪上，用光转换开关将各通道信号依次转换给解调仪分析；

（3）光纤光栅解调仪，用于解调出各传感器的中心波长位移量；

（4）计算机及程序，用于控制解调仪解调的频率，并将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，将这些监测量发送给GPRS无线通讯模块，并接收GPRS无线通讯模块的信号进行控制；

（5）GPRS无线通讯模块，用于将计算机计算的各监测量通过无线通信网络传输到位于办公室的服务器，也可接受接服务器的信号，发送给计算机。

该系统的工作原理为：当所监测的山涧河谷区域发生持续降雨时，管道沿线的河道水位、河流流速均发生变化，通过水位传感器4监测河道水位的涨幅变化，通过流速传感器6对山洪流速进行测量；基于河道水位、山洪流速可以计算出山洪的洪峰流量；同时，山洪持续冲刷作用会引发管线7产生涡激振动，通过管体上的振动传感器8测量其振动频率；通过连接光缆Ⅰ10，将管道山洪监测区域内各个位置的传感器信号集中传输到光转换开关11，光转换开关11将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12解调出各传感器波长中心波长位移量并传感给现场计算机13，现场计算机13将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，并将监测量发送给现场GPRS无线通讯模块Ⅰ14，GPRS无线通讯模块Ⅰ14通过无线通信网络传输信号,用GPRS无线通讯模块Ⅱ15传送给终端服务器16，终端服务器16将各洪峰流量和管线振动频率与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

本系统的优点表现在：

（1）提出对山涧河谷区暴雨山洪及其影响下油气管道进行联合监测的方法，揭示了河道水位变化、山洪流速变化与以及洪水冲刷作用下管线涡激振动与光纤光栅波长变化之间的关联特征；用多指标进行山涧河谷区暴雨山洪影响下油气管道的安全预警；

（2）将光纤光栅传感技术应用于管道山洪灾害监测，该技术抗干扰、耐腐蚀、易于组网等优势明显；该技术易于实现自动实时在线监测，且成本较低；

（3）水位监测，采用自行设计的光纤光栅水位传感器，将河道水位变化引起的水压变化转化为传感器内部光纤光栅中心波长的移动；测试波长移动大小，可推知水位高低；与传统的浮子式、气泡式、差压式液位传感器相比，本监测方法具有灵敏度高、测量范围广、传输距离远等优点，可用最少的监测点实现对长输油气管道沿线山洪水位的远程实时监测；

（4）流速监测，采用自行设计的光纤光栅流速传感器，基于文丘里管式节流管，将山洪流速变化转化为压强变化，并借助等强度悬臂梁，将压强差转化为传感器内部光纤光栅中心波长的移动；测试波长移动大小，可计算山洪流速的大小；该光纤光栅流速传感器以光纤光栅为传感基元，无任何旋转部件，与传统的机械转子式流速计以及超声波流速仪、声学多普勒流速仪相比，本监测方法具有精度高、抗电磁波干扰、可多点分布式等优点，可用最少的监测点实现对长输油气管道沿线山洪流速的远程实时监测；

（5）管线涡激振动监测，采用自行设计的光纤光栅振动传感器，利用内置金属杆的受力把振幅、加速度等参量转化为轴向应变量，进而转化为光纤光栅的布拉格波长变化，利用解调仪检测波长的改变量就可以实现对山洪作用下管线涡激振动的测量；与传统的机械式、电类振动传感器相比，本监测方法具有灵敏度高、测量范围广、传输距离远等优点，可用最少的监测点实现对长输油气管线的远程实时监测，节约了成本，也减少了设备的安装时间及对管体的损伤，为管道山洪灾害的防治提供了有效依据，确保了管道的安全。

本实用新型结构简捷可靠、设计目的明确,安装灵活、隐蔽、安全，操作使用方便，维护保养简单，使油气管道山洪灾害防护工作的针对性、有效性增高，是经济、实用的管道山洪灾害监测装置。

本实用新型可广泛用河沟道水毁、坡面水毁、台田地水毁等常见管道洪水灾害的监测预警，具有很好的应用前景。

附图说明

图1油气管道山洪灾害监测方法原理图

图2水位传感器监测装置构成图

图3流速传感器监测装置构成图

图4振动传感器监测装置构成图

图5油气管道山洪灾害监测系统原理

图6油气管道山洪灾害监测系统电原理图

其中

1—金属平板               2—螺栓

3—防护筒                 4—光纤光栅水位传感器

5—固定桩                 6—光纤光栅流速传感器

7—管道                    8—光纤光栅振动传感器

9—光纤接线盒              10—光缆Ⅰ

11—光开关                 12—解调仪

13—下位机                 14—无线通讯模块Ⅰ

15—无线通讯模块Ⅱ         16—上位机

17—不锈钢密闭箱体         18—圆柱体

19—光纤光栅应变传感器Ⅰ   20—光缆Ⅱ

21—文丘里管式节流管       22—导管Ⅰ

23—导管Ⅱ                 24—有机玻璃密封箱

25—密闭铝箔管             26—钢销

27—等强度悬臂梁           28—光纤光栅应变传感器Ⅱ

29—光缆Ⅲ                 30—基座

31—金属杆                 32—金属块

33—光纤光栅应变传感器Ⅲ   34—光缆Ⅳ

具体实施方式

实施例.本例是一种监测系统，其构成如图1-图6所示。并在兰成渝成品油管道蒲坝河、忠武天然气管道榔坪河分别进行了现场试验，这两个试验段均属于山区典型小流域河沟道山洪，汛期山区暴雨强度大、产汇流速度快、河道洪水陡涨陡落、河流源段流急，山洪具有强度大、洪峰高、洪量集中的特点，下切和侧蚀能力强，对伴行路、管道、水工保护设施破坏性强。其中兰成渝管道蒲坝河位于甘肃省陇南市成县镡河乡，受影响管道长度约10km，流域面积约25km2；忠武管道榔坪河位于湖北长阳县榔坪镇，受影响管道长度约16km，流域面积约100km2。

油气管道山洪灾害监测系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括河道水位监测装置、山洪流速监测装置和管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端(上位机)。

油气管道山洪灾害监测系统的总体构成如图1所示。将金属平板1用螺栓2固定于河道岸边，在金属平板1上安装防护筒3，并将防护筒3向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器4固定于筒壁内，在河道底部安装基准桩5，桩上固定光纤光栅流速传感器6，在油气管道7的监测截面上安装光纤光栅振动传感器8，然后将水位传感器4、流速传感器6与振动传感器8一并引入光纤接线盒9，与引至监测站的光缆Ⅰ10连接，在监测站里，光缆Ⅰ10与光开关11连接，光开关11与光纤光栅解调仪12连接，解调仪12与下位机13连接，下位机13预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ14传输，无线通讯模块15接收到上位机16，上位机对预处理后的数据进行处理分析，综合判断管道的安全状态。

该系统的电原理如图6所示，分别监测河道水位、山洪流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器--光纤光栅水位传感器4、光纤光栅流速传感器6、光纤光栅振动传感器8的PC接头用光缆Ⅰ10与光转换开关11的PC接头连接，光转换开关11的R232连接下位机13的R232接口，光转换开关11的PC接头连接光纤光栅解调仪12SM125的CH1端，光纤光栅解调仪12SM125的LAN端口连接下位机13的LAN端口，下位机13的R232端口接GPRS传输模块Ⅰ14西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块Ⅰ14经天线GSM、GPRS网络，被GPRS无线通讯模块Ⅰ15天线GSM接收后由R232接到上位机16的R232，上位机16的输出由VGA端接显示器的VGA端。

河道水位、山洪流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关逐一导通传输至光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机13，光开关11导通信号的周期由下位机13控制。下位机13对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS无线通讯模块Ⅰ14，GPRS无线通讯模块Ⅰ14将下位机13计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机16，上位机通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。

其中:

水位监测装置如图2所示，在不锈钢密闭箱体17的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体18，将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器19粘贴于圆柱体18表面，并通过光缆Ⅱ20将信号引至光纤接线盒9，光纤接线盒9与光缆Ⅰ10连接，并最终引至监测站。

上述监测装置中：

光纤光栅水位传感器：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

温度补偿型光纤光栅应变传感器：BGK-FBG-4150；

光转换开关选用光隆SUM-FSW；

光栅解调仪选用SM125。

流速监测装置如图3所示，在基座30一侧内壁上固定一根金属杆31，杆的自由端固定一个金属块32，将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器Ⅲ33粘贴于金属杆31表面，并通过光缆Ⅳ34将信号引至光纤接线盒9，光纤接线盒9与光缆Ⅰ10连接，并最终引至监测站。

上述监测装置中：

光纤光栅流速传感器：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

温度补偿型光纤光栅应变传感器：BGK-FBG-4150；

光转换开关选用光隆SUM-FSW；

光栅解调仪选用SM125。

管线涡激振动监测装置如图4所示，在基座17一侧内壁上固定一根金属杆18，杆的自由端固定一个金属块19，将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器Ⅰ19粘贴于金属杆18表面，并通过光缆Ⅱ20将信号引至监测站；监测站的下位机13调用自编的程序，控制光纤光栅解调仪12，实现数据的实时自动采集。

上述监测装置中：

光纤光栅振动传感器：选用自行设计封装的光纤光栅传感器；

温度补偿型光纤光栅应变传感器：BGK-FBG-4150；

光转换开关选用光隆SUM-FSW；

光栅解调仪选用SM125。

现场监测站设置在所选定的管道沿线山涧河谷监测现场，如图1所示，包括光纤接线盒9，连接光缆Ⅰ10、光转换开关11、光纤光栅解调仪12、下机位13、GPRS无线通讯模块Ⅰ14；各光纤光栅传感器采集的信号通过光缆Ⅰ10接到监测站的光开关11，光开关11输出接光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12输出接下机位13，下机位13输出接GPRS无线通讯模块Ⅰ14。

各光纤光栅传感器采集的信号通过光缆10接到监测站的光开关11，光转换开关11将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量给下机位13，下机位13自动计算出各监测量输给GPRS无线通讯模块Ⅰ14并接受GPRS无线通讯模块Ⅰ14的信号进行控制，GPRS无线通讯模块Ⅰ14将下机位13计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接受终端上位机16进行进一步分析与处理；同时下机位13也可通过GPRS无线通讯模块Ⅱ15接受接收上位机16的信号。

其中：

光转换开关：选用光隆科技SUM-FSW；

光纤光栅解调仪：选用SM125；

上位计算机及程序：选用研华IPC-610，程序自编；

GPRS传输模块14：西门子MC35i

位于办公室的接收终端包括如下2个部分：

（1）GPRS接收模块15，用于接收现场监测站GPRS无线通讯模块Ⅰ14发送的监测量，并传输给上位机16，也可给现场GPRS无线通讯模块Ⅰ14发送反馈指令；

（2）上位机16及程序，用于下载终端GPRS无线通讯模块Ⅱ15的信号，并调用程序进行自动分析，将分析结果与报警阈值进行对比，必要的时候实施报警。

该系统的工作原理为：当所监测的山涧河谷区域发生持续降雨时，管道沿线的河道水位、河流流速均发生变化，通过水位监测装置4监测河道水位的涨幅变化，通过流速监测装置6对山洪流速进行测量，然后根据水位和流速计算山洪的洪峰流量，一旦超过山洪警戒值即进行报警；同时，山洪持续冲刷作用会引发管线7产生涡激振动，通过管体上的振动传感器8测量其振动频率，并与管线自身的固有频率进行对比，判断管线在山洪冲刷持续冲刷作用下发生疲劳失效的可能性。

通过连接光缆Ⅰ10，将管道山洪监测区域内各个位置的传感器信号集中传输到光转换开关11，光转换开关11将各通道信号依次转换给光纤光栅解调仪12，光纤光栅解调仪12解调出各传感器波长中心波长位移量并传感给现场计算机13，现场计算机13将解调仪解调出的中心波长位移量自动计算为各监测量，并将监测量发送给现场GPRS无线通讯模块Ⅰ14，GPRS无线通讯模块Ⅰ14通过无线通信网络传输信号,用GPRS无线通讯模块Ⅱ15传送给终端服务器16，终端服务器16将山洪的洪峰流量和管线涡激振动频率与报警阈值对比，必要的时候给出报警。

其中：

GPRS无线通讯模块Ⅱ15：选用西门子MC35i；

上位计算机16及程序：上位机选用研华IPC-610；程序自编。

用上述系统在进行监测时，当监测区域发生持续降雨时，采用光纤光栅水位传感器4对各监测点的河道水位变化进行测量，采用光纤光栅流速传感器6对各监测点的山洪流速进行测量，基于河道水位和山洪流速这两个测量值，利用式（12）就可计算出山洪的洪峰流量，进而对达到警戒值的山洪进行预报；同时，山区持续强降雨引发的山洪会将埋地管道冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，在水流波动阻力作用下引起管线发生涡激振动，通过管体光纤光栅振动传感器8对管线涡激振动频率进行测量，并与管线自身的固有频率进行对比分析，判断管线发生疲劳失效的可能性。

经长时间的监测，本例易于构建监测系统，易于山区典型小流域水情及山洪冲刷作用下管道联合监测数据的实时自动采集分析及远程发布，远程实时自动报警。避免了繁琐的人工采集数据，提高了预警的精度，减少了报警时间，同时还能对报警地点进行准确定位，这对管道应急措施的采取至关重要。

Claims (6)

1.一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是该系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括水位监测装置、流速监测装置、管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端-上位机； 

油气管道山洪灾害监测系统的总体构成为：将金属平板（1）用螺栓（2）固定于河道岸边，在金属平板（1）上安装防护筒（3），并将防护筒（3）向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器（4）固定于防护筒（3）壁内，在河道底部安装基准桩（5），桩上固定光纤光栅流速传感器（6），在油气管道（7）的监测截面上安装光纤光栅振动传感器（8），然后将水位传感器（4）、流速传感器（6）与振动传感器（8）一并引入光纤接线盒（9），与引至监测站的光缆Ⅰ（10）连接，在监测站里，光缆Ⅰ（10）与光开关（11）连接，光开关（11）与调仪（12）连接，解调仪（12）与下位机（13）连接，下位机（13）预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ（14）传输，无线通讯模块Ⅱ（15）接收到上位机（16）； 

光纤光栅水位传感器（4）、光纤光栅流速传感器（6）和光纤光栅振动传感器98）将河道水位、山洪流速和管线涡激振动信号经光缆Ⅰ（10）传到光开关（11），光开关（11）后经解调仪（12）解调传至下位机（13），下位机（13）调用自编的程序，控制光开关（11）和解调仪（12），实现数据的采集并对数据进行预处理;预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ（14）传输、无线通讯模块Ⅱ（15）接收到上位机（16），上位机（16）对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与其固有频率对比分析结果，判断山洪冲刷作用下管道的安全状态。 

2.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是该系统的电原理为光纤光栅水位传感器（4）、光纤光栅流速传感器（6）和光纤光栅振动传感器（8）的PC接头用光缆Ⅰ（10）与光转换开关（11）的PC接头连接，光开关（11）的R232连接下位机（13）的R232接口，光开关（11）的PC接头连接光纤光栅解调仪（12）SM125的CH1端，光纤光栅解调仪（12）SM125的LAN端口连接下位机（13）的LAN端口，下位机（13）的R232端口接GPRS无线通讯模块Ⅰ（14）西门子MC35i的R232端口，GPRS无线通讯模块Ⅰ（14）经天线GSM、GPRS网络，被GPRS无线通讯模块Ⅱ（15）天线GSM接收后由R232接到上位机（16）的R232，上位机（16）的输出由VGA端接显示器的VGA端； 

水位、流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器的输出信号经光开关逐一导通传输至解调仪（12），解调仪（12）解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机（13），光开关（11）导通信号的周期由下位机（13）控制；下位 机（13）对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS无线通讯模块Ⅰ（14），GPRS无线通讯模块Ⅰ（14）将下位机（13）计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机（16），上位机（16）对数据进行分析处理，由显示器显示。 

3.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述河道水位监测装置为：在不锈钢密闭箱体（17）的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体（18），将一支光纤光栅应变传感器Ⅰ（19）粘贴于圆柱体（18）表面，并通过光缆Ⅱ（20）将信号引至光纤接线盒（9），光纤接线盒（9）与光缆Ⅰ（10）连接，并最终引至监测站；所述光纤光栅应变传感器Ⅰ（19）选温度补偿型光纤光栅应变传感器。 

4.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述山洪流速监测装置由文丘里管式节流管（21）、导管Ⅰ（22）、导管Ⅱ（23）和光纤光栅压强传感机构组成，光纤光栅压强传感机构由有机玻璃密封箱（24）、密闭铝箔管（25）、钢销（26）、等强度悬臂梁（27）、光纤光栅应变传感器Ⅱ（28）及光缆Ⅲ（29）组成；密闭铝箔管（25）通过钢销（26）与悬臂梁（27）的自由端刚性连接；将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器Ⅱ（28）粘贴在悬臂梁（27）表面，并通过光缆Ⅲ（29）将信号引至光纤接线盒（9），光纤接线盒（9）与光缆Ⅰ（10）连接，并最终引至监测站；所述光纤光栅应变传感器Ⅱ（28）选温度补偿型光纤光栅应变传感器。 

5.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述管线涡激振动监测装置为：在基座（30）一侧内壁上固定一根金属杆（31），杆的自由端固定一个金属块（32），将一支光纤光栅应变传感器Ⅲ（33）粘贴于金属杆（31）表面，并通过光缆Ⅳ（34）将信号引至光纤接线盒（9），光纤接线盒（9）与光缆Ⅰ（10）连接，并最终引至监测站；所述光纤光栅应变传感器Ⅲ（33）选温度补偿型光纤光栅应变传感器。 

6.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述现场监测站设置在河道附近的阀室，包括如下几部分： 

（1）监测站与各传感器的光纤接线盒和连接光缆，将水位、流速和管线涡激振动传感器信号集中传输到监测站； 

（2）将各通道信号依次转换给解调仪分析的光转换开关； 

（3）光纤光栅解调仪； 

（4）计算机； 

（5）GPRS无线通讯模块。 

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