管道米塞斯应力监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及油气管道监测技术领域，提供了一种管道米塞斯应力监测系统及方法。该系统包括至少五个应力监测传感器(1)、通讯电缆(2)和管道标志桩(3)，管道标志桩(3)包括采集器(32)、与上位机连接的通讯模块(33)、供电单元(31)和保护结构(34)；应力监测传感器(1)包括振弦(17)、套装在振弦(17)上的外护管(18)、两个端块(12)、焊接基片(11)、焊接基片(11)下方贴合管道(4)外壁的固定片(13)、激励线圈(16)、弹簧(14)和紧固螺母(15)；至少四个应力监测传感器(1)间隔均匀地轴向设置在管道(4)外壁，至少一个应力监测传感器(1)环向设置在管道(4)外壁。该系统可以监测管道的环向和轴向应力。

Mises Stress Monitoring System and Method for Pipeline

The invention relates to the technical field of oil and gas pipeline monitoring, and provides a pipeline Mises stress monitoring system and method. The system includes at least five stress monitoring sensors (1), communication cable (2) and pipeline marking pile (3), pipeline marking pile (3) including collector (32), communication module (33), power supply unit (31) and protection structure (34), stress monitoring sensor (1) including vibration string (17), outer guard tube (18), two end blocks (12), welding base plate (11) and welding base plate (11). The fixing sheet (13), excitation coil (16), spring (14) and fastening nut (15) are attached to the outer wall of the pipeline (4) below; at least four stress monitoring sensors (1) are evenly and axially arranged on the outer wall of the pipeline (4) at intervals, and at least one stress monitoring sensor (1) is circumferentially arranged on the outer wall of the pipeline (4). The system can monitor the circumferential and axial stresses of pipelines.

【技术实现步骤摘要】
管道米塞斯应力监测系统及方法
本专利技术涉及油气管道监测
，特别涉及一种管道米塞斯应力监测系统及方法。
技术介绍
随着长输管道里程的日益增长，山区、地灾易发区等高风险区逐步成为管道的必经之路，地质灾害或者机械碾压等的影响下，当埋地的长输管道的米塞斯应力超过屈服极限后，管道将发生屈服失效甚至断裂。因此，在设计管道前需要对管道进行应力监测。长输油气管道的应力包括轴向应力和环向应力。目前采用的监测管道方法是通过应变传感器监测管道的轴向应力的大小，传统的应变传感器无法有效监测管道的环向应力，只能根据管壁的内压计算得出，根据轴向应力与环向应力的关系计算得到管道的最大米塞斯应力值，与管材的屈服极限进行比较，判断管道应力的安全状态。在本专利技术的实现过程中，专利技术人发现现有技术至少存在以下问题：目前相关技术中的应变传感器无法有效监测管道的环向应力，通过计算得到的环向应力无法准确的显示该管道的环向应力，因此得到的最大米塞斯应力值也是不准确的，判断出的管道应力的安全状态同样不准确。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种管道米塞斯应力监测系统及方法，以准确监测管道的环向应力和轴向应力，得出最大米塞斯应力，从而准确判断管道应力的安全状态。具体的技术方案如下：本申请实施例提供了一种管道米塞斯应力监测系统，包括至少五个应力监测传感器、通讯电缆和管道标志桩，其中，所述管道标志桩内设置有供电单元、采集器、通讯模块和保护结构，所述采集器适于采集管道的环向应力值和轴向应力值，且将采集到的所述应力值通过所述通讯模块传输至上位机，所述供电单元适于为所述采集器和所述通讯模块供电，所述保护结构位于所述管道标志桩下方的内部，适于保护所述采集器和所述供电单元；所述应力监测传感器包括两个焊接基片、两个端块、两个固定片、振弦、外护管、弹簧和紧固螺母，所述外护管套装在所述振弦上，且与所述振弦固定，所述激励线圈可拆卸地安装在所述外护管上，所述振弦的两端分别固定在所述两个端块内，所述两个端块分别固定在所述两个焊接基片上，所述两个焊接基片分别固定在所述两个固定片上，所述两个固定片适于可变换曲率地贴合在管道外壁上，所述弹簧套装在所述外护管上，位于所述激励线圈的一端与所述两个端块中任一个端块之间，所述弹簧的一端与所述端块固定连接，另一端与所述紧固螺母抵靠，所述外护管的外壁上设置外螺纹，所述紧固螺母与所述外护管螺纹连接；四个所述应力监测传感器沿轴向方向间隔均匀地设置在所述管道的外壁上，一个所述应力监测传感器沿环向方向设置在所述管道的外壁上；所述通讯电缆的两端分别与所述激励线圈和所述采集器连接，适于将所述应力监测传感器监测的应力上传到所述管道标志桩的所述采集器上。可选择地，所述固定片上设置有焊接定位槽，在将所述固定片焊接到管道外壁上时通过所述焊接定位槽确定所述固定片的位置。可选择地，所述两个端块中的任一个端块均设置有凹槽，所述外护管的两端分别位于所述两个端块的凹槽内。可选择地，所述至少两个应力监测传感器中的一个所述应力监测传感器沿管道的轴向方向安装在管道外壁上，适于监测管道的轴向方向的应力；另外一个所述应力监测传感器沿管道的环向方向安装在管道外壁上，适于监测管道环向方向的应力。可选择地，所述激励线圈的长度小于所述两个端块之间的距离。可选择地，所述激励线圈适于激励所述振弦发生振动，并采集所述振弦的频率通过所述通讯电缆传送到所述采集器。可选择地，所述管道标志桩还包括太阳能电池板，所述太阳能电池板位于所述管道标志桩的顶部，适于为所述供电单元供电，所述管道标志桩的外壁为玻璃钢结构，所述保护结构套装在所述供电单元和所述采集器与所述管道标志桩的外壁之间。可选择地，所述保护结构的上部为玻璃钢结构，下部为金属结构，所述供电单元和所述采集器位于所述保护结构的内腔，且所述保护结构顶部设置有通孔，适于所述供电单元的电线穿过与所述太阳能电池板连接，以及所述通讯模块的电线穿过。可选择地，所述保护结构的通孔上设置有螺母，适于固定所述供电单元和所述通讯模块的电线。本申请实施例还提供了一种管道米塞斯应力监测方法，包括：利用所述应力监测传感器监测所述管道的应力值；通过所述通讯电缆将监测到的所述管道的环向应力值和轴向应力值传输到所述采集器；所述采集器将采集到的所述轴向应力值和所述环向应力值传输到上位机；所述上位机根据接收到的所述管道的所述环向应力值和所述轴向应力值计算管道的最大米塞斯应力值。可选择地，所述利用所述应力监测传感器监测所述管道的应力值，还包括：调整所述应力监测传感器的量程的初始值；将所述五个应力监测传感器分别沿所述管道的环向和轴向方向焊接到所述管道外壁上；当所述管道受到形变时，所述应力监测传感器的所述激励线圈激励振弦振动并采集所述管道形变受到的应力。可选择地，所述将所述五个应力监测传感器分别沿所述管道的环向和轴向方向焊接到所述管道外壁上，包括：将四个所述应力监测传感器沿所述管道的轴向方向安装，监测所述管道的轴向应力值；将一个所述应力监测传感器沿所述管道环向方向安装，监测所述管道的环向应力值。可选择地，所述调整所述应力监测传感器的量程的初始值，包括：移动所述紧固螺母在所述外护管上的位置，挤压所述弹簧，以拉伸所述振弦，从而调整所述应力监测传感器的监测所述管道压缩形变受到的应力的量程初始值，扩大所述应力监测传感器监测的所述管道发生压缩形变时受到的应力的量程；移动所述紧固螺母在所述外护管上的位置，放松所述弹簧，以压缩所述振弦，从而调整所述应力监测传感器的监测所述管道拉伸形变受到的应力的量程初始值，扩大所述应力监测传感器监测的所述管道发生拉伸形变时受到的应力的量程。可选择地，所述当所述管道受到形变时，所述应力监测传感器的所述激励线圈采集所述管道的应力值，包括：当所述管道发生形变时，焊接到所述管道外壁上的两个所述固定片之间的距离发生改变；两个所述固定片同步带动所述振弦发生形变；所述激励线圈激励所述振弦发生振动，并采集振动频率。可选择地，所述采集器将采集到的所述轴向应力值和所述环向应力值传输到上位机，包括：所述采集器将采集到的所述轴向应力值和所述环向应力值传输到所述通讯模块；所述通讯模块将接收到的所述轴向应力值和所述环向应力值上传至所述上位机。可选择地，所述上位机根据接收到的所述管道的所述环向应力值和所述轴向应力值计算所述管道的最大米塞斯应力值，包括：取所述管道的截面，以圆心位置为原点建立笛卡尔坐标系，获取每个沿所述管道轴向方向设置的所述应力监测传感器安装位置的坐标；所述四个沿轴向方向设置的应力监测传感器之间存在下述第一公式的关系，根据所述四个应力监测传感器安装位置的横纵坐标、半径和应力值确定待定参数的参数值：ax+by+cr+pz＝1其中，a、b、c、p为所述待定系数，x为所述应力监测传感器安装位置的横坐标，y为所述应力监测传感器安装位置的纵坐标，r为所述应力监测传感器安装位置的半径，z为所述应力监测传感器的应力值；将确定的所述待定参数的参数值代入下述第二公式，得到最大轴向应力值：将所述最大轴向应力值和沿环向方向设置的所述应力监测传感器的应力值代入下述第三公式得到所述最大米塞斯应力：其中，E为弹性模量；|εE|为环向方向的应力监测传感器的应力值。可选择地，所述方法还包括：将所述上位机得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，包括至少五个应力监测传感器(1)、通讯电缆(2)和管道标志桩(3)，其中，所述管道标志桩(3)内设置有供电单元(31)、采集器(32)、通讯模块(33)和保护结构(34)，所述采集器(32)适于采集管道(4)的环向应力值和轴向应力值，且将采集到的所述应力值通过所述通讯模块(33)传输至上位机，所述供电单元(31)适于为所述采集器(32)和所述通讯模块(33)供电，所述保护结构(34)位于所述管道标志桩(3)下方的内部，适于保护所述采集器(32)和所述供电单元(31)；所述应力监测传感器(1)包括两个焊接基片(11)、两个端块(12)、两个固定片(13)、振弦(17)、外护管(18)、弹簧(14)、紧固螺母(15)和激励线圈(16)，所述外护管(18)套装在所述振弦(17)上，且与所述振弦(17)固定，所述激励线圈(16)可拆卸地安装在所述外护管(18)上，所述振弦(17)的两端分别固定在所述两个端块(12)内，所述两个端块(12)分别固定在所述两个焊接基片(11)上，所述两个焊接基片(11)分别固定在所述两个固定片(13)上，所述两个固定片(13)适于可变换曲率地贴合在管道(4)的外壁上，所述弹簧(14)套装在所述外护管(18)上，位于所述激励线圈(16)的一端与所述两个端块(12)中任一个端块(12)之间，所述弹簧(14)的一端与所述端块(12)固定连接，另一端与所述紧固螺母(15)抵靠，所述外护管(18)的外壁上设置外螺纹，所述紧固螺母(15)与所述外护管(18)螺纹连接；至少四个所述应力监测传感器(1)沿轴向方向间隔均匀地设置在所述管道(4)的外壁上，至少一个所述应力监测传感器(1)沿环向方向设置在所述管道(4)的外壁上；所述通讯电缆(2)的两端分别与所述激励线圈(16)和所述采集器(32)连接，适于将所述应力监测传感器(1)监测的应力上传到所述管道标志桩(3)的所述采集器(32)上。...

【技术特征摘要】
1.一种管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，包括至少五个应力监测传感器(1)、通讯电缆(2)和管道标志桩(3)，其中，所述管道标志桩(3)内设置有供电单元(31)、采集器(32)、通讯模块(33)和保护结构(34)，所述采集器(32)适于采集管道(4)的环向应力值和轴向应力值，且将采集到的所述应力值通过所述通讯模块(33)传输至上位机，所述供电单元(31)适于为所述采集器(32)和所述通讯模块(33)供电，所述保护结构(34)位于所述管道标志桩(3)下方的内部，适于保护所述采集器(32)和所述供电单元(31)；所述应力监测传感器(1)包括两个焊接基片(11)、两个端块(12)、两个固定片(13)、振弦(17)、外护管(18)、弹簧(14)、紧固螺母(15)和激励线圈(16)，所述外护管(18)套装在所述振弦(17)上，且与所述振弦(17)固定，所述激励线圈(16)可拆卸地安装在所述外护管(18)上，所述振弦(17)的两端分别固定在所述两个端块(12)内，所述两个端块(12)分别固定在所述两个焊接基片(11)上，所述两个焊接基片(11)分别固定在所述两个固定片(13)上，所述两个固定片(13)适于可变换曲率地贴合在管道(4)的外壁上，所述弹簧(14)套装在所述外护管(18)上，位于所述激励线圈(16)的一端与所述两个端块(12)中任一个端块(12)之间，所述弹簧(14)的一端与所述端块(12)固定连接，另一端与所述紧固螺母(15)抵靠，所述外护管(18)的外壁上设置外螺纹，所述紧固螺母(15)与所述外护管(18)螺纹连接；至少四个所述应力监测传感器(1)沿轴向方向间隔均匀地设置在所述管道(4)的外壁上，至少一个所述应力监测传感器(1)沿环向方向设置在所述管道(4)的外壁上；所述通讯电缆(2)的两端分别与所述激励线圈(16)和所述采集器(32)连接，适于将所述应力监测传感器(1)监测的应力上传到所述管道标志桩(3)的所述采集器(32)上。2.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，所述固定片(13)上设置有焊接定位槽(131)，在将所述固定片(13)焊接到管道(4)的外壁上时通过所述焊接定位槽(131)确定所述固定片(13)的位置。3.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，所述两个端块(12)中的任一个端块(12)均设置有凹槽，所述外护管(18)的两端分别位于所述两个端块(12)的凹槽内。4.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，所述至少两个应力监测传感器(1)中的一个所述应力监测传感器(1)沿管道(4)的轴向方向安装在管道(4)的外壁上，适于监测管道(4)的轴向方向的应力；另外一个所述应力监测传感器(1)沿管道(4)的环向方向安装在管道外壁上，适于监测管道(4)环向方向的应力。5.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力监测系统，其特征在于，所述激励线圈(16)的长度小于所述两个端块(12)之间的距离。6.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力的监测系统，其特征在于，所述激励线圈(16)适于激励所述振弦(17)发生振动，并采集所述振弦(17)的频率通过所述通讯电缆(33)传送到所述采集器(32)。7.根据权利要求1所述的管道米塞斯应力的监测系统，其特征在于，所述管道标志桩(3)还包括太阳能电池板(35)，所述太阳能电池板(35)位于所述管道标志桩(3)的顶部，适于为所述供电单元(31)供电，所述管道标志桩(3)的外壁为玻璃钢结构，所述保护结构(34)套装在所述供电单元(31)和所述采集器(32)与所述管道标志桩(3)的外壁之间。8.根据权利要求7所述的管道米塞斯应力的检测系统，其特征在于，所述保护结构(34)的上部为玻璃钢结构，下部为金属结构，所述供电单元(31)和所述采集器(32)位于所述保护结构(34)的内腔，且所述保护结构(34)顶部设置有通孔(341)，适于所述供电单元(31)的电线穿过与所述太阳能电池板(35)连接，以及所述通讯模块(33)的电线穿过。9.根据权利要求8所述的管道米塞斯应力的检测系统，其特征在于，所述保护结构(34)的通孔(341)上设置有螺母，适于固定所述供电单元(31)和所述通讯模块(33)的电线。10.一种管道米塞斯应力监测方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的管道米塞斯...

【专利技术属性】
技术研发人员：施宁，刘冰，白路遥，蔡永军，马云宾，李亮亮，孙万磊，孟令新，陈世云，曹燕，郑海亮，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11