一種油氣管道山洪災害監測系統的制作方法
【專利摘要】本發明是一種油氣管道山洪災害監測系統。將金屬平板（1）固定于河道岸邊，在金屬平板（1）上安裝置于河道中的防護筒（3），光纖光柵水位傳感器（4）固定于防護筒（3）壁內，在河道底部安裝固定光纖光柵流速傳感器（6）的基準樁（5），在油氣管道（7）的監測截面上安裝光纖光柵振動傳感器（8），水位傳感器（4）、流速傳感器（6）與光纖光柵振動傳感器（8）一并引入光纖接線盒（9），與光纜Ⅰ（10）連接；在監測站里，光纜Ⅰ（10）依次與光開關（11）、解調儀（12）和下位機（13）連接，下位機（13）由無線通訊模塊Ⅰ（14）和無線通訊模塊Ⅱ（15）與辦公室的上位機（16）連接。它空間分辨率高、成本低、安全有效。
【專利說明】一種油氣管道山洪災害監測系統
【技術領域】
[0001]本發明是一種基于光纖光柵傳感技術的油氣管道山洪災害監測系統，涉及線速度的測量、液位的測量、機械振動的測量、一般的安全裝置和管道系統【技術領域】。
【背景技術】
[0002]山洪災害是指山丘地區由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡災害。隨著近年來全球氣候變暖導致極端天氣異常，幾十年不遇甚至百年不遇的暴雨時有發生。我國中小河流眾多，流域面積在100?IOOOkm2的河流有5萬多條；同時我國地處東亞季風區，山丘區暴雨頻發，溝壑縱橫、地形地質條件復雜，再加上人類工程活動(亂砍濫伐、開山削坡、水利灌溉)的日益加劇，對原始地形、地貌形成較大的擾動破壞，導致山洪災害發生頻繁。
[0003]長輸油氣管道與鐵路、公路等一樣，是典型的線型工程，這些線型工程不可避免地受到河流、溝道的影響，如沖刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蝕和河流改道；在地形起伏的地區，這些工程還受到流水所致的坡面侵蝕的影響，如坡面水土流失所致地表塌陷、管溝掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山區及山前區中小河流，因河道坡降較大而引發的匯水面積大、水流急、沖刷劇烈等，使河床常常暴露出基巖、卵礫石及漂石。在這類河道中敷設管道時，管道若沒有嵌固于穩定的基巖內或在埋深不夠時，一旦山洪暴發，表層這些塊石及漂石在高速水流作用下一起運動，管道極有可能被水沖出，形成與地表面不直接接觸的懸空管段，即管跨段。在一定條件下，水流流經管線時，管線的尾流區產生渦旋，并且渦旋以一定的頻率在管線后側交替釋放，使管線受到一個順流向的波動阻力和垂直于流向的波動升力，引起管線振動，這一現象通常稱為渦激振動，它是影響洪水作用下管線的使用壽命、引發管跨段疲勞失效的主要因素之一。
[0004]洪水災害給我國油氣管道工業帶來了巨大的風險和損失。如黃土高原的馬惠寧管道，建成投產后洪水災害不斷出現，曾數次發生懸空、斷管事故。西北地區的澀寧蘭輸氣管道山洪災害亦很頻繁，經常造成管道外露和懸空。2004年7月，青海省樂都地區突降大雨，石頭溝暴發山洪，洶涌的洪水將管線沖出，使管道呈裸管懸空的狀態，洪水夾帶的大漂石強烈沖擊管道。2010年7月，忠武管道榔坪地區遭遇強降雨襲擊。暴雨使榔坪河洪水暴漲，沿河道敷設的忠武管道多處出現險情，其中兩處管道長距離漂管，一處露管，另有30多處水工保護擋墻被沖毀。2010年8月，四川德陽石亭江洪水暴漲，導致河堤被沖毀，出現大面積潰堤，造成蘭成渝管道某支線懸空400m，完全暴露于水流沖刷之下。2011年3月，西氣東輸二線呼圖壁縣黑娃山溝發生洪水，造成該段沖溝底部下切，約140m管道被沖出，發生管線露空漂浮，情況危急。
[0005]面對眾多的中小流域山洪災害，我國管道運營公司經常采取積極的水工保護工程防護措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護工程也并非“一勞永逸”，設計施工的不確定因素較多，再者防護治理的周期長以及治理時機不易掌握。而監測則是一種高效、低成本的防治措施。
[0006]目前，我國中小河流山洪監測預警技術還處于起步階段，由于大部分中小河流站網密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有強度大、歷時短、難預報等特點。傳統的山洪災害水情監測多采用機械式或電磁式傳感器，對于前者，其技術相對成熟，常見的有浮子式水位計、差壓式水位計、機械轉子式流速計等，但由于受機械結構自身限制，其測量誤差大、精度低；對于后者，常見的有雷達式液位計、超聲波流速儀、聲學多普勒流速儀等，測量精度較高、使用簡便，但成本高，且易受電磁波干擾。另外，對于滑坡、崩塌、地面塌陷、凍脹融沉、活動發震斷層等大規模土體移動作用下埋地管道的安全監測更多的關注于對管體應力應變的監測，而山洪作用下管道的破壞方式主要表現為流固耦合效應引起的渦激振動導致管道發生疲勞失效，單純的監測管體應力應變已不能滿足山洪作用下管道安全防護的要求。對于金屬構件的振動監測，傳統的機械式、電類振動傳感器(如壓電、磁電和電渦流式等)存在靈敏度低、測量范圍小、傳輸距離近以及材料缺陷等缺點，不適用于大型工程的長期遠程實時監測。近幾年興起的分布式光纖傳感技術(以BOTDR為代表)在機械振動監測方面已有一定的應用，但尚未見到將光纖光柵技術應用于山洪作用下管線渦激振動監測的報道。
[0007]當前山洪災害監測預警技術多應用于公路、鐵路、電站、大壩等工程及城鎮防洪體系建設，還未對山洪及其影響下的埋地油氣管道進行系統的聯合監測。開展管道山洪災害聯合監測，不僅能超前判斷山洪形成前的水位、流速及洪峰流量，還能查明水流沖刷對管道的影響方式和程度，更重要的是能掌握鋼質管道在洪水沖擊作用下發生渦激振動的條件及變化規律，判斷管道的安全狀態，為防治時機的確定提供依據。綜合以上的信息，就能對山區河溝谷地段的管道進行安全預警，提前預報山洪的形成時間、規模以及管道的危險狀態，為減災方案的設計實施提供依據。
[0008]光纖光柵是近幾年發展最為迅速的光纖無源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕等特點外，光纖光柵還具有其獨特的特性:易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領域有著廣闊的前景。作為光子研究領域的一種新興技術，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術近年來受到普遍關注，各國研究者積極開展有關研究工作。目前，已報道的光纖光柵傳感器可以監測的物理量有:溫度、應變、壓力、位移、壓強、扭角、扭矩(扭應力)、加速度、電流、電壓、磁場、頻率、濃度、熱膨脹系數、振動等，其中一部分光纖光柵傳感系統已經實際應用。
[0009]光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡單、最普遍的一種光纖光柵。它是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數。溫度、應變的變化會引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發生變化。通過檢測光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應的溫度和應變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測量溫度和應變的基本原理。
[0010]由I禹合模理論可知,均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸的一個導模I禹合到另一個沿相反方向傳輸的導模而形成窄帶反射，峰值反射波長(布拉格波長)X B為:
[0011]Ab = 2neff A (I)
[0012]式中:λ B為布拉格波長；neff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。
[0013]對式(I)微分可得光柵的中心波長與溫度和應變的關系:
【權利要求】
1.一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是該系統分為現場采集發射系統和遠程接收分析系統，具體包括水位監測裝置、流速監測裝置、管線渦激振動監測裝置、現場監測站、辦公室的接收終端-上位機； 油氣管道山洪災害監測系統的總體構成為:將金屬平板(I)用螺栓(2)固定于河道岸邊，在金屬平板(I)上安裝防護筒(3)，并將防護筒(3)向下置于河道中，用螺栓將光纖光柵水位傳感器(4)固定于防護筒(3)壁內，在河道底部安裝基準樁(5)，樁上固定光纖光柵流速傳感器(6)，在油氣管道(7)的監測截面上安裝光纖光柵振動傳感器(8)，然后將水位傳感器(4)、流速傳感器(6)與振動傳感器(8)—并引入光纖接線盒(9)，與引至監測站的光纜I(10)連接，在監測站里，光纜I (10)與光開關(11)連接，光開關(11)與調儀(12)連接，解調儀(12)與下位機(13)連接，下位機(13)預處理后的數據通過無線通訊模塊I (14)傳輸，無線通訊模塊II (15)接收到上位機(16); 光纖光柵水位傳感器(4)、光纖光柵流速傳感器(6)和光纖光柵振動傳感器98)將河道水位、山洪流速和管線渦激振動信號經光纜I (10)傳到光開關(11)，光開關(11)后經解調儀(12)解調傳至下位機(13)，下位機(13)調用自編的程序，控制光開關(11)和解調儀(12)，實現數據的采集并對數據進行預處理；預處理后的數據通過無線通訊模塊I(14)傳輸、無線通訊模塊II (15)接收到上位機(16)，上位機(16)對數據進行進一步的分析處理，通過河道水位和山洪流速計算得到山洪的洪峰流量，判斷該區域的洪峰流量是否已達到預報警戒值，并結合管線渦激振動頻率與其固有頻率對比分析結果，判斷山洪沖刷作用下管道的安全狀態。
2.根 據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是該系統的電原理為光纖光柵水位傳感器(4)、光纖光柵流速傳感器(6)和光纖光柵振動傳感器(8)的PC接頭用光纜I (10)與光轉換開關(11)的PC接頭連接，光開關(11)的R232連接下位機(13)的R232接口，光開關(11)的PC接頭連接光纖光柵解調儀(12)SM125的CHl端，光纖光柵解調儀(12 ) SMl25的LAN端口連接下位機(13 )的LAN端口，下位機(13 )的R232端口接GPRS無線通訊模塊I (14)西門子MC35i的R232端口，GPRS無線通訊模塊I (14)經天線GSM、GPRS網絡，被GPRS無線通訊模塊II (15)天線GSM接收后由R232接到上位機(16)的R232，上位機(16)的輸出由VGA端接顯示器的VGA端； 水位、流速和管線渦激振動的三類光纖光柵傳感器的輸出信號經光開關逐一導通傳輸至解調儀(12)，解調儀(12)解調出各光纖光柵傳感器的中心波長位移量傳輸至下位機(13)，光開關(11)導通信號的周期由下位機(13)控制；下位機(13)對數據進行預處理，并將處理后的數據輸給GPRS無線通訊模塊I (14)，GPRS無線通訊模塊I (14)將下位機(13)計算的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸到位于辦公室的上位機(16)，上位機(16)通過自編軟件對數據進行分析處理，由顯示器顯示。
3.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是所述河道水位監測裝置為:在不銹鋼密閉箱體(17)的上、下兩個端面的中心位置固定一圓柱體(18)，將一支光纖光柵應變傳感器I (19)粘貼于圓柱體(18)表面，并通過光纜II (20)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I (10)連接，并最終引至監測站；所述光纖光柵應變傳感器I (19)選溫度補償型光纖光柵應變傳感器。
4.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是所述山洪流速監測裝置由文丘里管式節流管(21)、導管I (22)、導管II (23)和光纖光柵壓強傳感機構組成，光纖光柵壓強傳感機構由有機玻璃密封箱(24)、密閉鋁箔管(25)、鋼銷(26)、等強度懸臂梁(27)、光纖光柵應變傳感器II (28)及光纜111(29)組成；密閉鋁箔管(25)通過鋼銷(26)與懸臂梁(27)的自由端剛性連接；將一支溫度補償型光纖光柵應變傳感器II (28)粘貼在懸臂梁(27)表面，并通過光纜111(29)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I (10)連接，并最終引至監測站；所述光纖光柵應變傳感器II (28)選溫度補償型光纖光柵應變傳感器。
5.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是所述管線渦激振動監測裝置為:在基座(30)—側內壁上固定一根金屬桿(31)，桿的自由端固定一個金屬塊(32),將一支光纖光柵應變傳感器III(33)粘貼于金屬桿(31)表面，并通過光纜IV (34)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I (10)連接，并最終引至監測站；所述光纖光柵應變傳感器III(33)選溫度補償型光纖光柵應變傳感器。
6.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統，其特征是所述現場監測站設置在河道附近的閥室，包括如下幾部分: (1)監測站與各傳感器的光纖接線盒和連接光纜，將水位、流速和管線渦激振動傳感器信號集中傳輸到監測站； (2)將各通道信號依次轉換給解調儀分析的光轉換開關； (3)光纖光柵解調儀； (4)計算機及程序； (5)GPRS無線通訊模塊。
7.—種如權利要求1所述油氣管道山洪災害監測系統的構建方法，其特征是它分為水位監測裝置、流速監測裝置和管線渦激振動監測裝置的構建方法；將金屬平板(I)用螺栓(2)固定于河道岸邊，在金屬平板(I)上安裝防護筒(3)，并將防護筒(3)向下置于河道中，用螺栓將光纖光柵水位傳感器(4)固定于護筒(3)壁內，在河道底部安裝基準樁(5)，樁上固定光纖光柵流速傳感器(6),在油氣管道(7)的監測截面上安裝光纖光柵振動傳感器(8)，然后將水位傳感器(4)、流速傳感器(6)與振動傳感器(8)—并引入光纖接線盒(9)，與引至監測站的光纜I (10)連接，在監測站里，光纜I (10)與光開關(11)連接，光開關(11)與解調儀(12)連接，解調儀(12)與下位機(13)連接，下位機(13)預處理后的數據通過無線通訊模塊I (14)傳輸，無線通訊模塊II (15)接收到上位機(16)，上位機對預處理后的數據進行處理分析，綜合判斷管道的安全狀態。
8.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統的構建方法，其特征是所述水位監測裝置的構建方法為:在不銹鋼密閉箱體(17)的上、下兩個端面的中心位置固定一圓柱體(18),將一支溫度補償型光纖光柵應變傳感器I (19)粘貼于圓柱體(18)表面,并通過光纜II (20)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I (10)連接，并最終引至監測站。
9.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統的構建方法，其特征是所述流速監測裝置的構建方法為:由文丘里管式節流管(21)、導管I (22)、導管II (23)和光纖光柵壓強傳感機構組成，光纖光柵壓強傳感機構由有機玻璃密封箱(24)、密閉招箔管(25)、鋼銷(26)、等強度懸臂梁(27)、溫度補償型光纖光柵應變傳感器II (28)及光纜III(29)等組成；密閉鋁箔管(25)通過鋼銷(26)與懸臂梁(27)的自由端剛性連接；將一支溫度補償型光纖光柵應變傳感器II (28)粘貼在懸臂梁(27)表面，并通過光纜III(29)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I (10)連接，并最終引至監測站。
10.根據權利要求1所述的一種油氣管道山洪災害監測系統的構建方法，其特征是所述管線渦激振動監測裝置的構建方法為:在基座(30) —側內壁上固定一根金屬桿(31)，桿的自由端固定一個金屬塊(32)，將一支溫度補償型光纖光柵應變傳感器111(33)粘貼于金屬桿(31)表面，并通過光纜IV(34)將信號引至光纖接線盒(9)，光纖接線盒(9)與光纜I(10)連接，并最終 引至監測站。
【文檔編號】G01D21/02GK103700223SQ201210366606
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】韓冰, 譚東杰, 馬云賓, 李亮亮, 郝建斌, 荊宏遠, 劉建平, 吳張中 申請人:中國石油天然氣股份有限公司