一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统技术方案

本发明专利技术公开了一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统，包括置于现场的多场耦合监测子系统与置于服务器端的监测预警子系统。多场耦合监测子系统，包括管道应变监测装置与管周土壤温度监测装置。管道应变监测装置包括应变传感器、应变传感器保护罩、监测截面保护、引出线缆、线缆保护管。应变传感器需安装在管道钢体表面，应变传感器外使用应变传感器保护罩保护，保护罩外使用粘弹体膏完全覆盖，起到防水、防潮作用，延长传感器使用寿命。本发明专利技术提供的监测预警系统安全可靠，能够保证监测装置长期、稳定运行，提供持续、有效的监测数据，并基于监测数据及时发布预警信息，防范冻胀、融沉影响下管道事故发生。

【技术实现步骤摘要】
一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统
本专利技术涉及油气管道与冻土监测
，具体为一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统。
技术介绍
冻土是指温度低于0℃并含有冰的土层或岩层，在我国冻土主要分布于东北高纬度地区和西北高海拔地区。以东北大兴安岭地区为例，其冬季最低温度平均在-25℃以下，极端低温甚至低于-50℃，为冻土的赋存提供了良好的条件。油气管道途经冻土区域时，受管道施工及运营影响，管道沿线地表覆盖条件遭到破坏，特别是正温输送石油的管道作为热源影响着管道沿线冻土的水热状态，改变了冻土的物理力学特性，导致冻土环境不断发生变化，季节性冻土南界北移，多年冻土退化已成为管道沿线的突出问题。在此过程中，因冻土差异性冻胀影响，管道出现了不同程度的隆起变形，局地管道甚至被冻胀丘抬举出地面呈翘曲状；因不均匀融沉影响，管基土严重下沉并出现多处露管和悬管。受此影响，管道在外荷载作用下将产生轴向附加应力和弯曲应力，极易造成管道应力集中，当受力超过材料的极限强度时管道将失效破坏。现有技术中，已有学者围绕冻土温度监测、管道变形监测开展了一些工作，但现有监测多以单一因素监测为主，如开展冻土温度监测(专利申请号：201922373591.8、专利申请号：201710755510.3、专利申请号：201210135934.7)、管道变形监测(专利申请号：201120429619.6、专利申请号：201110456598.1)，仅有的考虑管道本体与管周温度的综合监测案例(专利申请号：201210137964.1)只能监测紧邻管道位置的土壤温度、含水量，监测范围有限，且只能监测管道水平和竖直方向的位移变化，无法反映管道的轴向变形。在实际应用中还发现，受管道热辐射影响管道周围冻土退化日益明显，受影响的冻土范围及深度不断增大，仅关注管道表面与临近管道的冻土温度变化并不能反映管道与冻土的相互作用，已不能满足实际监测需要。另外受冻土冻拔作用影响，钻孔保护管易被拔出地面，导致露出地表的部分温度传感链不再能够监测冻土温度，而地表以下温度传感器错位，监测数据不再是同一层土壤温度值。与此同时，随着运行年限增长，监测装置受冻土反复冻胀融沉影响出现不同程度损坏，却难以实现原位修复，重新安装不仅加大了监测成本，还导致新监测位置与原位置存在差异，监测数据不具有直接可比性。更重要的是，管道轴向应力是评价管道安全与否的最直接指标。现有通过测量管道局部位移，基于理论模型计算管道力学状态的方法虽然在一定程度上能够反映管道的受力特征，但该方法基于的假设条件与实际情况未必相符，且测量的位移存在误差，因此计算结果不能真实反映管道的受力状态，无法直接用于评价管道安全与否。
技术实现思路
为了解决现有监测技术中监测因素单一，不能有效反应管土相互作用，监测装置易受损且难于原位修复，监测指标不能直接用于评价管道安全与否的现状，本专利技术提供了一种可长期用于野外环境下监测管道本体应变与管道周围冻土温度的耦合监测预警系统，通过长期监测管道本体微观形变(应变)及管周更大范围土壤温度，关注冻土与管道的相互作用，准确掌握冻土冻胀融沉作用对管道力学性能的影响，以及管道正温输送时管周土壤的温度分布特征，并建立管道本质安全监测预警系统，实现监测数据自动采集、远程传输、自动分析与预报预警。为了解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统，其特征在于，包括置于监测现场的多场耦合监测子系统与置于服务器端的监测预警子系统；所述多场耦合监测子系统，包括管道应变监测装置与管周土壤温度监测装置；所述管道应变监测装置，包括应变传感器、应变传感器保护罩、监测截面保护、监测截面引出线缆、线缆保护管；应变传感器使用点焊技术安装在管道钢体表面，应变传感器外使用应变传感器保护罩保护，监测截面使用防腐带、冷缠带作为监测截面保护；监测截面引出线缆呈S形沿管道轴线方向盘绕于管道上方，并使用冷缠带、橡胶板保护；使用温度传感链外保护层及线缆保护管将监测截面引出线缆引入地表一体化野外监测站内；所述管周土壤温度监测装置，包括温度传感器、温度传感链、隔热垫层、温度传感链内保护层、温度传感链外保护层、外保护层固定膨胀锚、温度传感链引出线缆及线缆保护管；温度传感链由多支温度传感器采用总线设计并联而成，各支温度传感器使用绝缘防护；温度传感链内部总线呈S形盘绕于内部加强筋上，增加温度传感链强度防止冻土冻胀、融沉扯拽作用损伤温度传感链，温度传感链外部设置由导热材料制成的防水外衣，防止温度传感链进水造成温度传感器短路；在温度传感链外、相邻温度传感器之间增加隔热垫层，防止不同层位空气流通影响冻土温度测量准确度；温度传感链内保护层固定于温度传感链外保护层中，其底部封堵，顶部使用防水接头封堵，用于防止穿入其中的温度传感链受冰冻失效，同时便于后期温度传感链修复；温度传感链外保护层底部设有固定膨胀锚，用于将温度传感链外保护层固定于冻土指定深度，防止温度传感链外保护层在冻土反复冻胀、融沉作用下出现冻拔现象；温度传感链引出线缆由温度传感链内保护层顶部使用防水接头引出，使用线缆保护管引入地表一体化野外监测站内。所述监测预警子系统包括数据中心、系统展示平台与预警信息发布平台；所述数据中心接收到远程发送数据后，经数据筛选确定数据准确无误后，进行后台分析计算，自动计算管道圆周方向任意位置的管道应力，绘制同期监测范围内管周冻土温度分布等值线图与分层设色图并在系统展示平台进行展示；数据中心综合管道应变分析结果与管周土壤温度分布，并以管道应力分析结果为主开展管道本质安全监测预警分析，当管道轴向附加拉、压应力达到或超过设定的阈值时系统自动发布预警信息到预警信息发布平台，并经预警信息发布平台将预警信息以短信形式自动推送至指定用户手机端。上述中，所述监测预警子系统具体包括以下步骤如下：第一步：数据中心将现场管道应变监测数据、管周土壤温度监测数据录入预存储的数据库中；第二步：对预存储数据库中的数据进行筛选；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数据，同时结束数据筛选；第三步：针对第二步中所述筛选后的数据进行管道应变/应力分析及管周土壤温度场分析；基于弹性理论中的平截面假定和叠加原理，根据同一时刻监测截面上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统，其特征在于，包括置于监测现场的多场耦合监测子系统与置于服务器端的监测预警子系统；/n所述多场耦合监测子系统，包括管道应变监测装置与管周土壤温度监测装置；所述管道应变监测装置，包括应变传感器、应变传感器保护罩、监测截面保护、监测截面引出线缆、线缆保护管；应变传感器使用点焊技术安装在管道钢体表面，应变传感器外使用应变传感器保护罩保护，监测截面使用防腐带、冷缠带作为监测截面保护；监测截面引出线缆呈S形沿管道轴线方向盘绕于管道上方，并使用冷缠带、橡胶板保护；使用温度传感链外保护层及线缆保护管将监测截面引出线缆引入地表一体化野外监测站内；/n所述管周土壤温度监测装置，包括温度传感器、温度传感链、隔热垫层、温度传感链内保护层、温度传感链外保护层、外保护层固定膨胀锚、温度传感链引出线缆及线缆保护管；温度传感链由多支温度传感器采用总线设计并联而成，各支温度传感器使用绝缘防护；温度传感链内部总线呈S形盘绕于内部加强筋上，增加温度传感链强度防止冻土冻胀、融沉扯拽作用损伤温度传感链，温度传感链外部设置由导热材料制成的防水外衣，防止温度传感链进水造成温度传感器短路；在温度传感链外、相邻温度传感器之间增加隔热垫层，防止不同层位空气流通影响冻土温度测量准确度；温度传感链内保护层固定于温度传感链外保护层中，其底部封堵，顶部使用防水接头封堵，用于防止穿入其中的温度传感链受冰冻失效，同时便于后期温度传感链修复；温度传感链外保护层底部设有固定膨胀锚，用于将温度传感链外保护层固定于冻土指定深度，防止温度传感链外保护层在冻土反复冻胀、融沉作用下出现冻拔现象；温度传感链引出线缆由温度传感链内保护层顶部使用防水接头引出，使用线缆保护管引入地表一体化野外监测站内。/n...

【技术特征摘要】
1.一种冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统，其特征在于，包括置于监测现场的多场耦合监测子系统与置于服务器端的监测预警子系统；
所述多场耦合监测子系统，包括管道应变监测装置与管周土壤温度监测装置；所述管道应变监测装置，包括应变传感器、应变传感器保护罩、监测截面保护、监测截面引出线缆、线缆保护管；应变传感器使用点焊技术安装在管道钢体表面，应变传感器外使用应变传感器保护罩保护，监测截面使用防腐带、冷缠带作为监测截面保护；监测截面引出线缆呈S形沿管道轴线方向盘绕于管道上方，并使用冷缠带、橡胶板保护；使用温度传感链外保护层及线缆保护管将监测截面引出线缆引入地表一体化野外监测站内；
所述管周土壤温度监测装置，包括温度传感器、温度传感链、隔热垫层、温度传感链内保护层、温度传感链外保护层、外保护层固定膨胀锚、温度传感链引出线缆及线缆保护管；温度传感链由多支温度传感器采用总线设计并联而成，各支温度传感器使用绝缘防护；温度传感链内部总线呈S形盘绕于内部加强筋上，增加温度传感链强度防止冻土冻胀、融沉扯拽作用损伤温度传感链，温度传感链外部设置由导热材料制成的防水外衣，防止温度传感链进水造成温度传感器短路；在温度传感链外、相邻温度传感器之间增加隔热垫层，防止不同层位空气流通影响冻土温度测量准确度；温度传感链内保护层固定于温度传感链外保护层中，其底部封堵，顶部使用防水接头封堵，用于防止穿入其中的温度传感链受冰冻失效，同时便于后期温度传感链修复；温度传感链外保护层底部设有固定膨胀锚，用于将温度传感链外保护层固定于冻土指定深度，防止温度传感链外保护层在冻土反复冻胀、融沉作用下出现冻拔现象；温度传感链引出线缆由温度传感链内保护层顶部使用防水接头引出，使用线缆保护管引入地表一体化野外监测站内。


2.如权利要求1所述的冻土区埋地油气管道多场耦合监测预警系统，其特征在于，所述监测预警子系统包括数据中心、系统展示平台与预警信息发布平台；所述数据中心接收到远程发送数据后，经数据筛选确定数据准确无误后，进行后台分析计算，自动计算管道圆周方向任意位置的管道应力，绘制同期监测范围内管周冻土温度分布等值线图与分层设色图并在系统展示平台进行展示；数据中心综合管道应变分析结果与管周土壤温度分布，并以管道应力分析结果为主开展管道本质安全监测预警分析，当管道轴向附加拉、压应力达到或超过设定的阈值时系统自动发布预警信息到预警信息发布平台，并经预警信息发布平台将预警信息以短信形式自动推送至指定用户手机端。


3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述监测预警子系统具体包括以下步骤如下：
第一步：数据中心将现场管道应变监测数据、管周土壤温度监测数据录入预存储的数据库中；
第二步：对预存储数据库中的数据进行筛选；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：席莎，田得雨，张自强，沈伟，马宇，黄建忠，赵中锋，魏子坤，
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