CN217032379U - 一种沙漠埋地管道形变监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沙漠埋地管道形变监测系统，涉及管道监测技术领域。包括感应单元、集成单元、监测站、监控室和供电系统，所述感应单元分布在沙漠埋地管道上，用于监测所述沙漠埋地管道形变；所述感应单元通过所述集成单元与所述监测站通讯连接，所述监测站通过通信单元与监控室进行通讯；所述供电系统为所述监测站提供电能。本实用新型直接利用随沙漠埋地管道敷设时布置的传感光纤和固定于管道表面的感应单元就能实时在线监测管道的在位状态，能对不同管径、管厚和管长的管线进行同时监测，具有制作简易、系统搭建迅速的特点。

Description

一种沙漠埋地管道形变监测系统

技术领域

本实用新型涉及管道监测技术领域，尤其涉及一种沙漠埋地管道形变监测系统。

背景技术

由于油气管道受自然腐蚀、受应力变形、老化、自然灾害、管道连接不紧密和人为破坏等诸多原因影响，管道泄漏事故时有发生，若输送的是有毒有害、易燃易爆的物质，容易造成人员中毒、发生火灾爆炸等严重事故，因此对于油气管道的监测和排查应随着油气管网的进一步完善而持续布设。

对于沙漠地区的管道，其处于细沙的掩埋下，管道服役时间长，由于风沙影响，沙丘推移，使得管线出现横向、竖向弯曲变形，进而引起形变和移位等情况，使得管道结构破坏，极大地影响了油气资源的安全输送。目前大多数管道事故都是管道结构失效导致的，比如管道腐蚀、屈曲、裂纹，弯曲变形等不同形式的失效破坏，在恶劣环境区域服役尤其是在沙漠地区服役的埋地管道上表现尤为突出。尤其是沙丘移位区域的沙漠埋地管道，因沙漠地区环境恶劣以及沙丘移位的不规律性，导致该处的服役管道监测存在较大局限性，管道某些区域发生弯曲变形、移位，使得受影响的管道出现较大变形以及应力集中问题，任其发展将会造成严重的管道事故。因此需要及时发现这些缺陷，防止发生油气泄漏现象，避免事故发生。

专利号为CN202011284794.0的中国专利公开了一种油气管道轴向变形监测装置及方法，根据行走小车的行程及回路电流得到所在行程位置的电阻丝变形量，即得到所在行程位置的油气管道轴向变形量，为管道的在线形变监测提供了一定指导。

专利号为CN201820611359.6的中国专利公开了一种地埋大直径薄壁柔性管道变形监测装置”，提出了电阻丝缠绕在绝缘芯管上，并与绝缘芯管贴合固定，电阻丝的一侧设有金属变量条，为薄壁柔性管道的监测提供了指导。针对顺北沙漠地区服役管道的日常运营安全，关键在于对受地质结构变化的影响，尤其是沙丘移位区域的沙漠埋地管道发生变形和移位现象的实时监测。

但是上述专利均未针对沙漠地恶劣环境服役下的管道形变监测问题提供解决办法。因此，在沙漠地区的恶劣环境以及沙丘移位的不规律性下的沙漠埋地管道形变监测具有重要意义，是本领域亟待解决的问题。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种沙漠埋地管道形变监测系统，通过布置光纤光栅传感器监测节点进行管道应变监测，利用光缆进行数据传输；通过无线光纤光栅解调仪获得管道形变数据。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种沙漠埋地管道形变监测系统，包括感应单元、集成单元、监测站、监控室和供电系统，

所述感应单元分布在沙漠埋地管道上，用于监测所述沙漠埋地管道形变；

所述感应单元通过所述集成单元与所述监测站通讯连接，所述监测站通过通信单元与监控室进行通讯；

所述供电系统为所述监测站提供电能。

优选地，所述感应单元包括若干个光纤光栅应变传感器，所述集成单元为光纤接续盒，所述监测站设有光纤终端盒和光纤光栅解调仪；

所述光纤光栅应变传感器通过光纤依次与所述光纤接续盒和所述光纤终端盒连接，所述光纤终端盒与所述光纤光栅解调仪电性连接。利用光纤光栅应变传感技术针对流动性沙丘作用下的埋地管道进行形变监测，凭借其极强的环境适应性、抗干扰能力，以及无需额外供电的特点，能长期有效的对在沙漠这种恶劣环境服役的管道进行实时在线监测。采用光纤进行数据传输，并利用监测站进行多个监测段的数据处理，大大的增加了监测系统的可靠性，更加便于对监测系统的维护和升级。

优选地，所述光纤光栅应变传感器分为两组设置，分别为管道侧壁检测组和管道顶部检测组，所述管道侧壁检测组分布在所述沙漠埋地管道的侧壁上，所述管道顶部检测组分布在所述沙漠埋地管道的顶部。沙漠埋地管道的侧壁和/或顶部设置光纤光栅应变传感器，侧壁和顶部属于易变形区域，对这两个地方进行监测，可以做到减少传感器数量同时还能达到监测目的。

优选地，所述管道顶部检测组中的所述光纤光栅应变传感器位于同一水平线上。在同一水平线上可以保证信号传输的有效性。

优选地，所述管道侧壁检测组中的所述光纤光栅应变传感器设置在所述沙漠埋地管道的侧壁中部且位于同一水平线上。

优选地，所述光纤光栅应变传感器通过粘胶或者安装平台固定在所述沙漠埋地管道上。沙漠埋地管道的一边侧壁中部或者左右两边侧壁的中部设置若干光纤光栅应变传感器，位于同一侧的光纤光栅应变传感器位于同一水平线上，保证信号传输的有效性，传感器布置为呈90度的两列能够有效监测管道横向和竖向的形变状况。

优选地，所述光纤光栅应变传感器外设有用于防护的封装件，封装件安装后可起到对光纤光栅应变传感器的保护作用。

优选地，所述光纤终端盒设有多个连接通道，所述光纤光栅应变传感器对应的所述光纤通过所述光纤接续盒接入所述光纤终端盒的连接通道中，所述连接通道通过光纤跳线接入所述光纤光栅解调仪。光纤光栅应变传感器数量众多，分组及分通道进行信号传输，按照不同监测段和通道做好标记，方便数据整理和技术人员维护。

优选地，所述通信单元为通信基站，所述光纤光栅解调仪通过所述通信基站与所述监控室内设置的监测系统上位机进行4G/5G数据传输。针对沙漠管道的特殊管线段进行实时在线监测，通过无线设备传输监测数据到监测终端，即监测系统上位机，极大的降低监测装备成本和监测系统布置的复杂程度。

优选地，所述供电系统为太阳能能源供应系统。太阳能能源供应系统适用于沙漠环境。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型直接利用随沙漠埋地管道敷设时布置的传感光纤和固定于管道表面的感应单元就能实时在线监测管道的在位状态，能对不同管径、管厚和管长的管线进行同时监测，具有制作简易、系统搭建迅速的特点；

2、本实用新型针对流动性沙丘作用下的埋地管道进行形变监测，凭借其极强的环境适应性、抗干扰能力，以及无需额外供电的特点，能长期有效的对在沙漠这种恶劣环境服役的管道进行实时在线监测。该沙漠埋地管道形变监测系统应用在沙漠地区环境恶劣以及沙丘移位的管线形变监测领域中，能够根据风险区域的范围，灵活调整。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种沙漠埋地管道形变监测系统的第一结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种沙漠埋地管道形变监测系统的第二结构示意图；

图3是本实用新型提供的一种沙漠埋地管道形变监测系统中光纤光栅应变传感器的光纤敷设示意图；

附图标记：

1-沙漠埋地管道，2-光纤光栅应变传感器，3-光纤接续盒，4-多芯光缆，

5-光纤终端盒，6-光纤光栅解调仪，7-太阳能能源供应系统，

8-监测系统上位机，9-单模光纤，10-监测站，11-监控室，12-通信基站。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

实施例一

如图1和图2所示，一种沙漠埋地管道形变监测系统，包括光纤光栅应变传感器2、供电系统、监测站10和监控室11；光纤光栅应变传感器2用于监测沙漠埋地管道1形变，沙漠埋地管道1通过信号线连接至监测站10，监测站10通过通信单元与监控室11进行通信；供电系统(比如太阳能电板供电)设置在监测站10旁边，用于给监测站10提供电能；

光纤光栅应变传感器2通过光纤连接至光纤接续盒3，光纤接续盒3与设置在监测站10内的光纤终端盒5连接；光纤终端盒5与光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪也设置在监测站10内；

将接入光纤终端盒5的不同通道的光纤通过光纤跳线接入自带无线传输模块的无线光纤光栅解调仪6，并按照不同监测段和通道做好标记，方便数据整理和技术人员维护，供电系统采用太阳能能源供应系统7，光纤光栅解调仪6与太阳能能源供应系统7连接；光纤光栅解调仪6通过通信单元将信号传输至监控室11。

如图1和图2所示，根据沙漠埋地管道1上的路径进行合理的光纤光栅应变传感器2数目布局，在同一路径上设置了12个光纤光栅应变传感器2，其中4个光纤光栅应变传感器2为一组，对一处沙漠埋地管道的检测区域进行监测，然后通过光纤熔接机将传感器串接到单模光纤9上，并且在熔接的两端加以保护；然后在路径上的人工标记的监测点处做相应的清理，涂抹特定的粘合剂，然后对光纤光栅应变传感器2施加一定预应力使其能与粘合剂和沙漠埋地管道1表面达到理想的结合效果。应用在沙漠地区环境恶劣以及沙丘移位的管线形变监测领域中时，使用易于大量投入使用的传感光纤和光纤光栅应变传感器2，能对不同管径、管厚和管长的管线进行同时监测，而且光纤与传感器的连接时机械连接，同时不需要进行额外供电。

在进行光纤熔接时需注意，施工环境多位于露天沙漠地区，风沙较大。为避免影响熔接质量，尽量在室内或者临时搭建遮掩物，其中光纤熔接步骤为：

1.利用米勒钳剥覆光纤外保护套，动作迅速，不能犹豫停滞，然后利用无尘纸或棉球蘸取适量酒精，对去除保护套的光纤端面进行清洁。

2.接着利用光纤切割刀进行光纤端面制备，首先要清洁切刀和调整切刀位置，切刀的摆放要平稳，切割时，动作要自然平稳、不急不缓，避免断纤、斜角、毛刺及裂痕等不良端面的产生，保证切割的质量。同时，要谨防端面污染，确保热缩套管应在剥覆前穿入，严禁在端面制备后穿入。

3.然后将端面制备完毕的光纤固定到光纤熔接机中，进行相应的熔接工作。

4.最后将端面附近的热缩套管移动至熔接处对其加热，使其固定于光纤熔接部位用以保护。

光纤接续盒3将各监测段的单模光纤9集成到多芯光缆4中，并将多芯光缆4套入保护管中，埋入集线沟槽中，然后送至后续监测站10中。为避免受到干扰出现异常拉伸，也可利用粘合剂将单模光纤9固定于路径上。图1或者图2中所示光纤布线出现直角的情况，是为了方便表示，实际布线中需要满足光纤的最小工作弯曲半径，从而避免损坏光纤以及降低光损耗。

将接入光纤终端盒5的不同通道的光纤通过光纤跳线接入无线光纤光栅解调仪6，并按照不同监测段和通道做好标记，方便数据整理和技术人员维护。其中无线光纤光栅解调仪6通过太阳能能源供应系统7对其进行供电，充分利用沙漠地区充足的光照，并为其集成蓄电池，放置夜晚光照变弱、供电系统故障以及天气原因导致的电源断供问题。无线光纤光栅解调仪6采集到的波长数据，通过自带的无线模块，利用沙漠地区已有的通信基站12，进行4G/5G数据传输，将波长数据无线传输到远端监控室11的监测系统上位机8，从而实现无人值守。

在本实施例中还提供一种监测显示预警系统，位于远端的监控室11内，保证监控的可靠性以及预警的及时性。它包括监控主机和一套基于LabVIEW开发的上位机监控软件。监测显示预警系统通过对无线光纤光栅解调仪6传输来的波长和位置数据进行打包处理，得到各监测段的管道轴向应变信息。具体分析步骤如下：

以无线光纤光栅解调仪6传输来的一个管道监测段的波长数据为例，在已知监测段实际位置的情况下，对传输回来的波长数据进行处理得到监测节点处的管道实际应变数据。

然后将处理结果以图表的方式打包上传至监控界面，描绘出该监测段的管道实际应变趋势图。同时得到的管道实际应变数据还将与管道应变预警阀值进行比较，判断报警系统是否生效，若到达报警要求，监测软件会产生蜂鸣警报，并且给出报警等级以及位置提示等信息。

管道应变预警阀值，可以通过输入管道的外径、壁厚、管材的弹性模量利用上位机监控软件计算得到或者人工设置，根据实际需要可以对该阀值进行等级划分，从而确定预警级别，方便工作人员可以简单的在监控室11上第一时间获得管道的运行情况。

每隔一段时间监测显示预警系统都会对无线光纤光栅解调仪6传输过来的数据进行处理，这样会产生巨大的数据，为此可以降低监测显示预警系统和无线光纤光栅解调仪6的采样频率，保证监测的有效性的同时，减少数据处理量。

本实用新型利用光纤光栅应变传感技术针对流动性沙丘作用下的埋地管道进行形变监测，凭借其极强的环境适应性、抗干扰能力，以及无需额外供电的特点，能长期有效的对在沙漠这种恶劣环境服役的管道进行实时在线监测。

本实用新型针对沙漠环境的特殊性，采用光纤进行数据传输，并利用配有太阳能能源供应系统7的监测站10进行多个监测段的数据处理，利用简单的波长漂移与应变的关系就能得出该处管道真实的形变状态，大大的增加了监测系统的可靠性，更加便于对监测系统的维护和升级。

实施例二

本实施例与实施例一相似，其不同之处在于：

通信单元为通信基站12，光纤光栅解调仪通过通信基站12与监控室11内设置的监测系统上位机8进行4G或5G数据传输。本实用新型针对沙漠管道的特殊管线段进行实时在线监测，通过无线设备传输监测数据到监测终端，即监测系统上位机8，极大的降低监测装备成本和监测系统布置的复杂程度。

光纤光栅应变传感器2设置两组，分别是管道侧壁检测组和管道顶部检测组；管道侧壁检测组的光纤光栅应变传感器2设置在沙漠埋地管道侧壁，管道顶部检测组的光纤光栅应变传感器2设置在沙漠埋地管道1顶部。

沙漠埋地管道1的侧壁和/或顶部设置光纤光栅应变传感器2，侧壁和顶部属于易变形区域，对这两个地方进行监测，可以做到减少传感器数量同时还能达到监测目的。沙漠埋地管道1顶部的光纤光栅应变传感器2位于同一水平线上，保证信号传输的有效性。沙漠埋地管道1的一侧壁中部设置若干光纤光栅应变传感器2，这些光纤光栅应变传感器2位于同一水平线上；或者，沙漠埋地管道1的左右两侧壁中部均设置若干光纤光栅应变传感器2，位于同一侧的光纤光栅应变传感器2设置在同一水平线上。

光纤光栅应变传感器2的位置能够根据风险区域的范围进行灵活调整。本实施例中光纤光栅应变传感器2布置为呈90度的两列能够有效监测管道横向和竖向的形变状况，

沙漠埋地管道1需要监测的位置设置人工标记位，为确保管道纵向方向的光纤光栅应变传感器2处于同一水平线上，可事先使用激光水平仪对管道上的需要安装光纤光栅应变传感器2的路径进行选定，然后用墨斗在相应路径上划线即可。沙漠埋地管道1的侧壁和/或顶部通过墨斗划线，光纤光栅应变传感器2安装在划线上确保管道待监测段的管道上方和/或侧方的光纤光栅应变传感器2正对管道，起到良好的监测效果。

实施例三

如图3所示，本实施例对光纤光栅应变传感器2的安装结构进行优化。沙漠埋地管道1外的侧壁和/或顶部设置光纤光栅应变传感器2，在沙漠埋地管道1的一个侧壁和顶部设置光纤光栅应变传感器2。沙漠埋地管道1与光纤光栅应变传感器2之间的空隙采用粘胶填充，保证光纤光栅应变传感器2反应的是管道真实的形变情况，提高沙漠埋地管道1形变监测的准确性。

实施例四

本实施例与实施例三相比，对光纤光栅应变传感器2的安装结构进一步进行优化。在沙漠埋地管道1上设置一个传感器安装平台，该传感器安装平台可以采用切削打磨的方式，在沙漠埋地管道1切出一个平台，光纤光栅应变传感器2粘接在传感器安装平台上，保证光纤光栅应变传感器2与传感器安装平台紧密贴合，提升传感精度。针对这种情况，在光纤光栅应变传感器2安装以后，通过在光纤光栅应变传感器2外粘贴胶带，可以起到对光纤光栅应变传感器2的保护作用。另外，可以设置一种封装原件，封装原件为弧形板，弧形板内设置钕铁硼磁铁。弧形板设置在光纤光栅应变传感器2外侧起到保护作用。

或者，在沙漠埋地管道1的表面粘上钢板，钢板与沙漠埋地管道1之间的空隙采用固定胶填充。光纤光栅应变传感器2粘接在钢板上。此种情况，也需设置封装件，封装件为弧形状。封装件内部设置一个容纳光纤光栅应变传感器2和钢板的容置腔体，封装件的两侧均为填充有钕铁硼磁铁粉的弧形板。封装件安装后可起到对光纤光栅应变传感器2的保护作用。

实施例五

本实施例与实施例一相比，区别在于光纤接续盒3分别和光纤光栅应变传感器2及光纤终端盒5的连接方式上。光纤接续盒3设置在沙漠埋地管道1的端部。光纤光栅应变传感器2与光纤接续盒3之间的光缆采用单模光纤9。光纤接续盒3与光纤终端盒5之间的光缆采用多芯光缆4。光纤光栅应变传感器2进行封装后固定在沙漠埋地管道1表面。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：

包括感应单元、集成单元、监测站、监控室和供电系统，

所述感应单元分布在沙漠埋地管道上，用于监测所述沙漠埋地管道形变；

所述感应单元通过所述集成单元与所述监测站通讯连接，所述监测站通过通信单元与监控室进行通讯；

所述供电系统为所述监测站提供电能；所述感应单元包括若干个光纤光栅应变传感器，所述集成单元为光纤接续盒，所述监测站设有光纤终端盒和光纤光栅解调仪；所述光纤光栅应变传感器通过光纤依次与所述光纤接续盒和所述光纤终端盒连接，所述光纤终端盒与所述光纤光栅解调仪电性连接。

2.如权利要求1所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器分为两组设置，分别为管道侧壁检测组和管道顶部检测组，所述管道侧壁检测组分布在所述沙漠埋地管道的侧壁上，所述管道顶部检测组分布在所述沙漠埋地管道的顶部。

3.如权利要求2所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述管道顶部检测组中的所述光纤光栅应变传感器位于同一水平线上。

4.如权利要求2所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述管道侧壁检测组中的所述光纤光栅应变传感器设置在所述沙漠埋地管道的侧壁中部且位于同一水平线上。

5.如权利要求1所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器通过粘胶或者安装平台固定在所述沙漠埋地管道上。

6.如权利要求5所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器外设有用于防护的封装件。

7.如权利要求1所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述光纤终端盒设有多个连接通道，所述光纤光栅应变传感器对应的所述光纤通过所述光纤接续盒接入所述光纤终端盒的连接通道中，所述连接通道通过光纤跳线接入所述光纤光栅解调仪。

8.如权利要求1所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述通信单元为通信基站，所述光纤光栅解调仪通过所述通信基站与所述监控室内设置的监测系统上位机进行4G/5G数据传输。

9.如权利要求1中所述的一种沙漠埋地管道形变监测系统，其特征在于：所述供电系统为太阳能能源供应系统。

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