CN212721525U - 一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，主要包括片式分布式光纤应变传感器(1)、探杆式光纤光栅温度传感器(2)、定位不锈钢卡箍(3)、传输光缆(4)、分布式光纤布里渊解调模块(5)、光纤光栅解调模块(6)、管道变形评定模块(7)、管道泄漏评定模块(8)和管道整体安全评估中心模块(9)。通过安装在长距离保温层输送管道上的片式分布式光纤应变传感器(1)、探杆式光纤光栅温度传感器(2)感知管道变形和泄漏引起的温度变化来进行管道整体安全监测。本实用新型的优点是管道变形监测不需要考虑保温层的材质或物理性能，应用范围广泛，不仅适合地下和地上长距离保温层输送管道变形和泄漏监测，而且适合其它带有保温层的刚性结构的变形监测。

Description

一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统

技术领域

本实用新型属于长距离管道安全监测领域，具体涉及一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统。

背景技术

随着我国经济的快速稳定增长以及一带一路的推动，我国的管道建设工程取得了长足的发展。目前中国陆上油气管道总里程达到了12万公里，其中原油管道约2.3万公里、成品油管道约2.1万公里、天然气管道约7.6万公里。这些重要的能源管道形成了我国横跨东西、纵贯南北，连通海外的油气管网格局，成为推动我国经济发展的重要生命线。中俄油气管道、中缅油气管道是近年中国海外建设的重大能源和工业项目，对于完善我国油气管网建设和布局均衡以及确保能源战略安全，提升西南、东北地区经济建设水平具有重要的意义。长距离管道穿越地质条件极其恶劣，在各种复杂的环境荷载(冻融、沉降)、自然灾害(地震、泥石流)、交通荷载、人为破坏(恐怖破坏，长期占压、非法开挖等)以及材料自身老化等单一或多种因素耦合作用下，管道易发生大变形，泄漏爆炸等灾害性事故。例如，1973年我国第一条输油管线格尔木－拉萨输油管道，由于冰堵、冻融破坏等原因，曾发生30多起泄漏事故；我国西气东输工程干线总长约4000公里，遭受滑坡、采空区塌陷等多种自然地质灾害，其中已发生滑坡灾害近40起和受到近80个采空区的影响；2013年青岛黄岛输油管道11.22爆炸事件，事件主要原因是管道泄漏处置不当导致的，造成62人死亡、136人受伤，直接经济损失达到7.5亿元。随着大批新建管道项目获批(特别是十三五规划的管道工程建设项目)以及众多服役管道的满负荷运营，我国油气管道已经进入“管(理)-监/检(测)-养(护)”阶段，采取有效的监测手段对管道结构变形和泄漏进行监测，为管道服役期状态评估提供依据，提升管道运营安全，延长管道服役寿命，具有重要的意义。

长距离管道可分为带保温层和不带保温层的管道。对于不带保温层的管道，已有采用分布式光纤传感器和光纤光栅传感器开展管道整体和局部变形研究的报道。但是对于带有保温层的管道，管道保温层的材质众多，如地上管道的保温材料有橡塑保温管道、玻璃棉管壳、聚氨酯泡沫以及岩棉保温管；地下管道多采用聚氨酯泡沫+沥青玻璃纤维构成保温层和3PE防腐钢管防腐层(如西气东输管道)。保温层具有一定的厚度，比如油田常用的岩棉保温管的保温层厚度为50-75mm，西气东输管道3PE防腐钢管防腐层厚度为2.5-3.7mm。此外保温层材质离散性大，其弹性模量与管道弹性模量不匹配，如果直接将传感器布设到保温层外边，会导致外部传感器不能很好的监测到管道的变形。与此同时，因为有保温层，管道发生微泄漏，泄漏介质不易渗出保温层，已报道的采用分布式光纤传感技术开展温度管道泄漏监测的技术不适合带有保温层的管道泄漏监测。已报道其它管道泄漏监测方法，如泄漏介质检测方法(人工巡检、空气采样法)、红外线扫描巡检、管壁参数无损检测方法(漏磁检测方法、超声波检测法等)、声学原理方法(应力波法、负压波法等)等，存在泄漏定位精度不高和监测的时效性差等缺点。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统。

本实用新型的技术方案为：一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，包括片式分布式光纤应变传感器1、探杆式光纤光栅温度传感器2、定位不锈钢卡箍3、传输光缆4、分布式光纤布里渊解调模块5、光纤光栅解调模块6、管道变形评定模块7、管道泄漏评定模块8和管道整体安全评估中心模块9，其特征在于：探杆式光纤光栅温度传感器2通过螺丝固定在片式分布式光纤应变传感器1上，所述长距离保温输送管道包括管道本体和设置在管道本体外的保温层，探杆式光纤光栅温度传感器穿过保温层且与管道本体抵接，然后片式分布式光纤应变传感器1通过定位不锈钢卡箍3固定在长距离保温输送管道上，通过传输光缆4分别接入分布式光纤布里渊解调模块5和光纤光栅解调模块6，经过解调的应变和温度信息通过有线或无线的方式分别传输至管道变形评定模块7和管道泄漏评定模块8开展变形和泄漏评定；管道变形评定模块7和管道泄漏评定模块8的评定结果通过有线或无线方式传递到管道整体安全评估中心模块9中，发布管道安全状态。

所述的片式分布式光纤应变传感器1为两根单模光纤10采用环氧玻璃纤维11片式成型封装保护，宽3cm，厚3mm，长度可任意长；传感器表面沿中线位置间隔4m预留一个直径为2mm的圆孔，圆孔的圆心在传感器长度方向的中心线上。两根单模光纤10 分别位于传感器上下内表面，距离各自外表面0.2mm，距离圆孔中心3mm。

所述的探杆式光纤光栅温度传感器2包含一个直径为1mm，长度30mm毛细钢管 12和一个直径为4mm，长度40mm的不锈钢圆柱体13。毛细钢管12中封装光纤光栅传感器并插入到不锈钢圆柱体13中；不锈钢圆柱体13一端的上部焊接一个直径为2mm，长为30mm的带外螺纹的螺纹杆14。

所述的探杆式光纤光栅温度传感器2中的不锈钢圆柱体13内部填充可吸附油气的海绵15。

所述的探杆式光纤光栅温度传感器2将自身螺纹杆14穿过片式分布式光纤应变传感器1上的圆孔并用螺丝固定。

所述的片式分布式光纤应变传感器1和探杆式光纤光栅温度传感器2在固定到长距离保温层输送管道时，预先在探杆式光纤光栅温度传感器2的布设位置钻一个直径为5mm的孔，然后将探杆式光纤光栅温度传感器2的不锈钢圆柱体13插入到钻孔中直抵管道本体。对片式分布式光纤传感器1施加一定的预拉伸，然后间隔8m用定位不锈钢卡箍3固定在管道上，并用环氧树脂将保温层上的钻孔空隙填充密封。

所述的不锈钢圆柱体13在管道发生变形时，将管道变形通过不锈钢圆柱体13传递到片式光纤光栅应变传感器1，使片式光纤光栅应变传感器1产生弯拉变形；管道发生泄漏时，不锈钢圆柱体13内的海绵15吸附油气，相应的毛细钢管12内的光纤光栅传感器感知吸附油气后的温度变化信息。

所述的片式分布式光纤应变传感器1和探针式光纤光栅温度传感器2分别通过传输光缆4与分布式光纤布里渊解调模块5和光纤光栅解调模块6连接。

所述的分布式光纤布里渊解调模块5解调施加在片式分布式光纤应变传感器1上的应变，并通过有线或无线的方式将采集的应变信息传输到管道变形评定模块7进行管道变形计算。

所述的光纤光栅解调模块6解调因油气泄漏导致的温度变化引起的探杆式光纤光栅温度传感器2光栅中心波长的波动，并通过有线或无线的方式将采集的光栅中心波长波动信息传输到管道泄漏评定模块8进行管道泄漏评定。

所述的管道整体安全评估中心模块9通过有线或无线接收管道变形评定模块7和管道泄漏评定模块8中各自的分析结果，发布管道变形或泄漏事件，并对管道安全进行评定。

本实用新型的效果和益处是基于分布式光纤布里渊和局部光纤光栅传感技术发明了一种可用于长距离保温层输送管道的变形、泄漏一体化监测系统，其优点是管道变形监测不需要考虑保温层的材质或物理性能。该发明应用范围广泛，不仅适合地下和地上长距离保温层输送管道变形和泄漏监测，而且适合任何带有保温层的刚性结构的变形监测。

附图说明

图1为本实用新型的一种长距离保温输送管道的变形及泄漏监测系统示意图；

图2为片式分布式光纤应变传感器结构示意图；

图3为探杆式光纤光栅温度传感器结构示意图；

图4为片式分布式光纤应变传感器和探杆式光纤光栅温度传感器在长距离保温层输送管道上布设示意图；

图5为管道变形和泄漏监测示意图。

图中：片式分布式光纤应变传感器1、探杆式光纤光栅温度传感器2、定位不锈钢卡箍3、传输光缆4、分布式光纤布里渊解调模块5、光纤光栅解调模块6、管道变形评定模块7、管道泄漏评定模块8、管道整体安全评估中心模块9、单模光纤10、环氧玻璃纤维11、毛细钢管12、不锈钢圆柱体13、螺纹杆14和海绵15。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

附图1为本实用新型的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统示意图。具体实施方式是片式分布式光纤应变传感器1和探杆式光纤光栅温度传感器2通过定位不锈钢卡箍3安装在管道上，感知相应位置的管道变形和泄漏引起的温度信息，任何两个相邻的定位不锈钢卡箍3的间距为8m，传感器通过传输光缆4分别连接到分布式光纤布里渊解调模块5和光纤光栅解调模块6；分布式光纤布里渊解调模块5将采集得到的应变信息通过有线或无线的方式传输到管道变形评定模块7中进行管道变形分析；光纤光栅解调模块6解调因油气泄漏导致的温度变化引起的探杆式光纤光栅温度传感器2光栅中心波长的波动，并通过有线或无线的方式将采集的光栅中心波长波动信息传输到管道泄漏评定模块8进行管道泄漏评定，管道泄漏评定方法是基于探针式光纤光栅温度传感器2监测的时程温度数据，识别时程温度数据中的温度突变拐点确定泄漏事件。管道整体安全评估中心模块9接收来自管道变形评定模块7和管道泄漏评定模块8的管道变形和泄漏信息，对管道安全进行整体评估，发布管道的安全状态。

图2为片式分布式光纤应变传感器结构示意图。具体实施方式是在环氧树脂和玻璃纤维成型片材的过程中，将两根单模光纤10在环氧玻璃纤维11成型片材式时植入其上下内表面，距各自外表面0.2mm且距离成型片材中心线3mm的位置，成型后的片式分布式光纤应变传感器宽3cm，厚0.3cm，长度可任意调节，成型后沿中心线间隔4m钻直径为2mm的圆孔，圆孔的圆心在传感器长度方向的中心线上。

图3为探杆式光纤光栅温度传感器结构示意图。具体实施方式是先用毛细钢管12封装光纤光栅传感器，毛细钢管直径为1mm，长度为30mm；然后将封装好光纤光栅的毛细钢管12插入到直径4mm、长度40mm的不锈钢圆柱体13内部，传输线从不锈钢圆柱 13顶端侧面引出，在不锈钢圆柱的顶部焊接一个直径2mm，长度为30mm的外螺纹螺纹杆14，同时在不锈钢圆柱体13和毛细钢管12之间的空隙填充可吸附油气的海绵15，其作用是油气发生泄漏，吸附到海绵15上，封装在毛细钢管内13内的光纤光栅传感器感知油气泄漏引起的温度变化。

图4为片式分布式光纤应变传感器和探杆式光纤光栅温度传感器在长距离保温层输送管道上布设示意图。具体实施方式是首先将探杆式光纤光栅温度传感器2穿过片式分布式光纤应变传感器1上的圆孔，并用螺丝固定。然后在管道保温层与探杆式光纤光栅温度传感器2安装的对应位置上钻5mm的孔，孔深由保温层的厚度确定。安装传感器时，将探杆光纤光栅温度传感器2的不锈钢圆柱体13插入到保温层的孔中，直抵管道本体。同时间隔8m用定位不锈钢卡箍3固定片式分布式光纤应变传感器1，固定之前，对片式分布式光纤应变传感器1进行一定的预拉伸。最后采用环氧树脂密封不锈钢圆柱体13 与保温层空洞之间的空隙。

图5为管道变形和泄漏监测示意图。具体实施方式是管道发生变形时，管道变形通过探杆式光纤光栅温度传感器2上的不锈钢圆柱体13传递变形到片式分布式光纤应变传感器1，平时分布式光纤应变传感器1产生弯拉变形，根据管道的几何尺寸和材料性质计算得到管道的变形量。管道发生泄漏时，不锈钢圆柱体13内的海绵15吸附油气，导致不锈钢圆柱体13内部温度改变，封装在毛细钢管12中的光纤光栅传感器感知相应的温度信息，基于温度信息的时程突变信号，探测油气泄漏。

申请人结合说明书附图对本实用新型的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本实用新型的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本实用新型精神，而并非对本实用新型保护范围的限制，相反，任何基于本实用新型的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，包括片式分布式光纤应变传感器(1)、探杆式光纤光栅温度传感器(2)、定位不锈钢卡箍(3)、传输光缆(4)、分布式光纤布里渊解调模块(5)、光纤光栅解调模块(6)、管道变形评定模块(7)、管道泄漏评定模块(8)和管道整体安全评估中心模块(9)；其特征在于：探杆式光纤光栅温度传感器(2)通过螺丝固定在片式分布式光纤应变传感器(1)上，所述长距离保温输送管道包括管道本体和设置在管道本体外的保温层，探杆式光纤光栅温度传感器穿过保温层且与管道本体抵接，片式分布式光纤应变传感器(1)通过定位不锈钢卡箍(3)固定在长距离保温输送管道上，并通过传输光缆(4)分别接入分布式光纤布里渊解调模块(5)和光纤光栅解调模块(6)，经过解调的应变和温度信息通过有线或无线的方式分别传输至管道变形评定模块(7)和管道泄漏评定模块(8)开展变形和泄漏评定；管道变形评定模块(7)和管道泄漏评定模块(8)的评定结果通过有线或无线的方式传递到管道整体安全评估中心模块(9)中，发布管道安全状态。

2.根据权利要求1所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是片式分布式光纤应变传感器(1)包含两根单模光纤(10)和环氧玻璃纤维(11)，在环氧玻璃纤维(11)片式成型过程中，两根单模光纤(10)植入在片式分布式光纤应变传感器(1)的上下内表面，距离各自外表面0.2mm；距离传感器长度方向的中心线3mm，沿着片式分布式光纤应变传感器(1)间隔4m设定直径为2mm的圆孔，圆孔的圆心在传感器长度方向的中心线上，片式分布式光纤应变传感器(1)宽3cm，厚0.3cm，长度任意长。

3.根据权利要求1所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是探杆式光纤光栅温度传感器(2)包含毛细钢管(12)、不锈钢圆柱体(13)、螺纹杆(14)和海绵(15)，毛细钢管(12)直径1mm，长度30mm，光纤光栅传感器封装在毛细钢管里面；不锈钢圆柱体(13)直径4mm，长度40mm，一端的上部焊接直径为2mm、长30mm的螺纹杆(14)；所述的毛细钢管(12)插入到不锈钢圆柱体(13)内部，传输光缆从不锈钢圆柱体(13)顶部侧面引出，不锈钢圆柱体(13)与毛细钢管(12)之间的空隙填充海绵。

4.根据权利要求1、2和3之一所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是探杆式光纤光栅温度传感器(2)上的螺纹杆(14)穿过片式分布式光纤应变传感器(1)上的圆孔，并用螺丝固定。

5.根据权利要求1所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是在长距离保温层输送管道与探杆式光纤光栅温度传感器(2)对应的位置钻直径5mm的圆孔，孔深为保温层厚度；布设传感器时，将探杆式光纤光栅温度传感器(2)上的不锈钢圆柱体(13)插入保温层的圆孔中，并用环氧树脂密封；间隔8m用定位不锈钢卡箍(3)固定片式分布式光纤应变传感器(1)，固定前，对片式分布式光纤应变传感器(1)施加一定的预拉伸。

6.根据权利要求1所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是分布式光纤布里渊解调模块(5)解调施加在片式分布式光纤应变传感器(1)上的应变，并通过有线或无线的方式将采集的应变信息传输到管道变形评定模块(7)进行管道变形分析；光纤光栅解调模块(6)解调因油气泄漏导致的温度变化引起的探杆式光纤光栅温度传感器(2)光栅中心波长的波动，并通过有线或无线的方式将采集的光栅中心波长波动信息传输到管道泄漏评定模块(8)进行管道泄漏评定。

7.根据权利要求1所述的一种长距离保温输送管道变形及泄漏监测系统，其特征是管道整体安全评估中心模块(9)通过有线或无线接收管道变形评定模块(7)和管道泄漏评定模块(8)中各自的分析结果，发布管道变形或泄漏事件，并对管道安全进行评定。

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