一种水封隧道油气管道变形监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水封隧道油气管道变形监测系统，包括置于隧道内的管道变形监测子系统、隧道外数据采集与传输子系统、以及位于监测预警中心的监测预警子系统。管道变形监测子系统，包括管道宏观变形监测装置与管道微观变形监测装置。管道宏观变形监测装置设置在管道位移明显处，管道微观变形监测装置临近管道宏观变形监测装置安装，综合分析管道变形与受力状态。本发明专利技术以控制关键、危险部位为原则，合理布设监测截面，监测布局更为科学、合理，经济性突出，根据监测结果进行实时分析解算与预警信息发布，及时采取防范措施，有助于保障管道运营安全。此外本监测系统在安装时对管道运行工况无要求，无需降压，不影响油气管道正常运行。

【技术实现步骤摘要】
一种水封隧道油气管道变形监测系统
本专利技术涉及油气管道变形监测
，具体为一种水封隧道油气管道变形监测系统。
技术介绍
河流穿越是长输油气管道建设中的关键性工程。近些年，油气管道在穿越大中型河流时广泛采用盾构穿越方式敷设。隧道穿越分为水封隧道和非水封隧道两类，在封水性差、洞壁有明显渗水的隧道通常采用水封的方式。与埋地管道不同，隧道穿越段管道为适应隧道地形在结构设计上存在明显的上坡、下坡段，在转角处存在较大的弯头角度，而隧道内管道约束有限，弯头在内压作用下产生不均衡作用，易造成弯头变形，并可能引起邻近管卡破坏和较大的管道位移。特别是在水封隧道中，由于水深较深，水对管道的外压和浮力作用也将引起管道变形和位移。而水封隧道在通常情况下是注水密封运行的，人员无法进入隧道，只能通过定期检修查验管道状态。水封隧道检修前必须在抽水排干、充分通风之后人员才可进入受限空间开展管道安全检查，不仅工程量大，作业周期长，费用高，且检修前后水压和浮力变化也容易引起管道受力变化，可能威胁管道运行安全。从近些年几处水封隧道定期检查的结果来看，管道受弯矩、轴向拉力和外压共同作用，在隧道转弯处易产生较大的荷载组合，导致局部管道明显位移，原本用于固定管道的管卡严重变形，甚至管卡的锚固螺栓断裂，严重影响管道的正常运行。由于每次管道检修只能获取检查时刻管道的位移与变形状态，而运行过程中无法掌握管道的在位状态，特别是在隧道注水、抽水、调压、隧道位移等工况下，无法实时获取管道安全状况，存在较大不确定性和风险。一旦管道受力超过管道材料强度，则会引发管道泄漏、爆燃等事故，其风险隐患巨大。隧道内管道属于高风险管段，应重点关注。开展水封隧道油气管道实时监测，通过监控管道宏观变形与微观变形，可以掌握管道的在位状态与受力情况，当发现异常时及时发布预警信息，防范管道安全事故。
技术实现思路
为实现水封隧道内管道变形监测，本专利技术提供了一种水封环境下测量管道宏观变形与微观变形的监测系统，通过长期监测管道位移与管道应变，准确掌握水下管道的在位状态与受力情况，并根据监测结果开展水封隧道油气管道安全预警。为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种水封隧道油气管道变形监测系统，包括置于隧道内的管道变形监测子系统、置于隧道外的数据采集与传输子系统，以及位于监测预警中心的监测预警子系统；所述管道变形监测子系统，包括管道宏观变形监测装置与管道微观变形监测装置；所述数据采集与传输子系统，包括光纤终端盒、光纤光栅解调仪、数据传输模块、避雷装置、供电装置，所述监测预警子系统位于监测预警中心实体服务器或云服务器端；包括数据中心，用于接收监测数据与筛选数据，数据分析模块，用于开展管道位移分析与管道应变/应力分析，监测预警模块综合管道宏观位移变形与管道应力状态，并以管道本质安全监测预警为核心，根据计算得到的管道轴向附加拉、压应力最大值占轴向附加拉、压应力容许值的比例发布相应预警信息。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述管道宏观变形监测装置，包括特制不锈钢管箍、管箍固定螺栓、上调节板、光纤光栅位移计连接杆、光纤光栅位移计、下调节板、地面固定螺栓；所述特制不锈钢管箍，分为两个半圆，通过管箍固定螺栓紧固于管道表面；为防止特制不锈钢管箍损伤管道及三层PE防腐层，在管道与不锈钢管箍之间安装6mm厚橡胶板；在靠近隧道台阶一侧，将上调节板通过管箍固定螺栓与特制不锈钢管箍连接；下调节板通过地面固定螺栓固定于隧道地面上，安装时确保上调节板和下调节板中心线在竖直方向重合；在上调节板和下调节板之间安装光纤光栅位移计，并将光栅位移计两端连接杆紧固于上调节板和下调节板的卡孔内。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述管道微观变形监测装置，包括光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、监测截面防护层、单芯铠装光缆、光缆保护管、隧道光缆、隧道光缆接续盒；光纤光栅应变计、光纤光栅温度计均安装在管道钢体表面，安装时需局部打开管道三层PE防腐层，使用点焊技术将光纤光栅应变计、光纤光栅温度计熔接在管道表面。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述管道宏观变形监测装置引出光缆与邻近所述管道微观变形监测装置引出光缆在管道顶部串联后，使用2路单芯铠装光缆通过光缆接续盒将串联光缆的首尾两端与隧道光缆熔接，单芯铠装光缆外使用光缆保护管保护，并在光缆接续盒内灌入密封胶防止水渗入。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述单芯铠装光缆接入隧道光缆时设计有备用通道，当所述管道宏观变形监测装置与所述管道微观变形监测装置组成的串联光缆出现某处故障时，由一端正向测量部分传感器数据，由另一端反向测量剩余传感器数据，确保所有传感器数据正常读取。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述数据采集与传输子系统中的光纤终端盒，用于将隧道光缆中各路光缆分开，便于使用跳线与各路光缆连接，分别读取各路光缆的监测数据；光纤光栅解调仪，通过跳线与各路光缆连接，定时向各路光缆发射单波长的激光，且发射的激光可在较大波段范围内变化，同时记录各路光缆中传感器的返回波长，并存储于光纤光栅解调仪内；数据传输模块，用于将存储于光纤光栅解调仪内的监测数据传输至指定服务器端监测预警子系统数据中心；避雷装置，用于防止野外空旷环境中一体化野外监测站遭受雷电影响致现场设备及线路损坏；供电装置，用于为光栅解调仪、数据传输模块供电，确保设备24小时正常工作。上述的水封隧道油气管道变形监测系统中，所述监测预警子系统，数据中心接收监测数据并执行数据筛选，数据筛选分为有效数据筛选和异常数据筛选两个子步骤；设每次采集数据时发布m次数据采集命令，成功采集到n组数据，则对n组数据依次执行有效数据筛选和异常数据筛选；有效数据筛选是根据传感器量程对上述n组数据进行初步筛查，剔除超出传感器量程范围的无效数据，剩余n2组数据；异常数据筛选是根据格拉布斯检验法对剩余n2组数据取检出水平为5％，定义格拉布斯检验的临界值Gp(n2)，并依次计算剩余n2组数据的均值标准差及每组数的格拉布斯检验统计值选取剩余n2组数据中格拉布斯检验统计值最大值Gk(Gk＝max(Gi))进行分析,若Gk＞Gp(n2)说明第k个数据为异常值，需剔除第k个数据，对剩余n2＝n2-1组数据重新进行上述异常数据筛选过程，直至Gk＜Gp(n2)，说明剩余数据并非异常值，保留剩余数据并取剩余数据平均值作为本次测量结果值筛选后的监测数据，同时结束数据筛选；上述筛选后的监测数据，进入数据分析模块开展管道位移分析与管道应变/应力分析；管道位移在考虑温度波长的前提下按照波长与位移计算公式使用监测数据直接计算得到；监测截面任意位置的管道应变值可根据同一时刻监测截面上的3组应变数据在剔除温度影响后计算得到，具体计算步骤如下：管道应变由薄膜应变、y方向弯曲应变和z方向弯曲应变组成；设监测截面薄膜应变、最大y向弯曲应变和最大z向弯曲应变分别为εm、则根据叠加原理，得管道截面上任一点处的应变为，公式1：管道顶部和左右两侧监测应变值分别为U(0,ro)、其与εm、的关系如下：...

【技术保护点】
1.一种水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，包括置于隧道内的管道变形监测子系统、置于隧道外的数据采集与传输子系统，以及位于监测预警中心的监测预警子系统；所述管道变形监测子系统，包括管道宏观变形监测装置与管道微观变形监测装置；所述数据采集与传输子系统，包括光纤终端盒、光纤光栅解调仪、数据传输模块、避雷装置、供电装置，所述监测预警子系统位于监测预警中心实体服务器或云服务器端；包括数据中心，用于接收监测数据与筛选数据，数据分析模块，用于开展管道位移分析与管道应变/应力分析，监测预警模块综合管道宏观位移变形与管道应力状态，并以管道本质安全监测预警为核心，根据计算得到的管道轴向附加拉、压应力最大值占轴向附加拉、压应力容许值的比例发布相应预警信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，包括置于隧道内的管道变形监测子系统、置于隧道外的数据采集与传输子系统，以及位于监测预警中心的监测预警子系统；所述管道变形监测子系统，包括管道宏观变形监测装置与管道微观变形监测装置；所述数据采集与传输子系统，包括光纤终端盒、光纤光栅解调仪、数据传输模块、避雷装置、供电装置，所述监测预警子系统位于监测预警中心实体服务器或云服务器端；包括数据中心，用于接收监测数据与筛选数据，数据分析模块，用于开展管道位移分析与管道应变/应力分析，监测预警模块综合管道宏观位移变形与管道应力状态，并以管道本质安全监测预警为核心，根据计算得到的管道轴向附加拉、压应力最大值占轴向附加拉、压应力容许值的比例发布相应预警信息。


2.如权利要求1所述的水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，所述管道宏观变形监测装置，包括特制不锈钢管箍、管箍固定螺栓、上调节板、光纤光栅位移计连接杆、光纤光栅位移计、下调节板、地面固定螺栓；所述特制不锈钢管箍，分为两个半圆，通过管箍固定螺栓紧固于管道表面；为防止特制不锈钢管箍损伤管道及三层PE防腐层，在管道与不锈钢管箍之间安装6mm厚橡胶板；在靠近隧道台阶一侧，将上调节板通过管箍固定螺栓与特制不锈钢管箍连接；下调节板通过地面固定螺栓固定于隧道地面上，安装时确保上调节板和下调节板中心线在竖直方向重合；在上调节板和下调节板之间安装光纤光栅位移计，并将光栅位移计两端连接杆紧固于上调节板和下调节板的卡孔内。


3.如权利要求2所述的水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，所述管道微观变形监测装置，包括光纤光栅应变计、光纤光栅温度计、监测截面防护层、单芯铠装光缆、光缆保护管、隧道光缆、隧道光缆接续盒；光纤光栅应变计、光纤光栅温度计均安装在管道钢体表面，安装时需局部打开管道三层PE防腐层，使用点焊技术将光纤光栅应变计、光纤光栅温度计熔接在管道表面。


4.如权利要求3所述的水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，所述管道宏观变形监测装置引出光缆与邻近所述管道微观变形监测装置引出光缆在管道顶部串联后，使用2路单芯铠装光缆通过光缆接续盒将串联光缆的首尾两端与隧道光缆熔接，单芯铠装光缆外使用光缆保护管保护，并在光缆接续盒内灌入密封胶防止水渗入。


5.如权利要求4所述的水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，所述单芯铠装光缆接入隧道光缆时设计有备用通道，当所述管道宏观变形监测装置与所述管道微观变形监测装置组成的串联光缆出现某处故障时，由一端正向测量部分传感器数据，由另一端反向测量剩余传感器数据，确保所有传感器数据正常读取。


6.如权利要求5所述的水封隧道油气管道变形监测系统，其特征在于，所述数据采集与传输子系统中的光纤终端盒，用于将隧道光缆中各路光缆分开，便于使用跳线与各路光缆连接，分别读取各路光缆的监测数据；光纤光栅解调仪，通过跳线与各路光缆连接，定时向各路光缆发射单波长的激光，且发射的激光可在较大波段范围内变化，同时记录各路光缆中传感器的返回波长，并存储于光纤光栅解调仪内；数据传输模块，用于将存储于光纤光栅解调仪内的监测数据传输至指定服务器端监测预警子系统数据中心；避雷装置，用于防止野外空旷环境中一体化野外监...

【专利技术属性】
技术研发人员：席莎，张自强，田得雨，孙建伟，吴夏，李晓镓，魏东，黄建忠，谷四平，
申请(专利权)人：北京科力华安地质灾害监测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11