一种油气管道山洪灾害监测系统技术方案

本发明专利技术是一种油气管道山洪灾害监测系统。将金属平板（1）固定于河道岸边，在金属平板（1）上安装置于河道中的防护筒（3），光纤光栅水位传感器（4）固定于防护筒（3）壁内，在河道底部安装固定光纤光栅流速传感器（6）的基准桩（5），在油气管道（7）的监测截面上安装光纤光栅振动传感器（8），水位传感器（4）、流速传感器（6）与光纤光栅振动传感器（8）一并引入光纤接线盒（9），与光缆Ⅰ（10）连接；在监测站里，光缆Ⅰ（10）依次与光开关（11）、解调仪（12）和下位机（13）连接，下位机（13）由无线通讯模块Ⅰ（14）和无线通讯模块Ⅱ（15）与办公室的上位机（16）连接。它空间分辨率高、成本低、安全有效。

【技术实现步骤摘要】
一种油气管道山洪灾害监测系统
本专利技术是一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测系统，涉及线速度的测量、液位的测量、机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统

技术介绍
山洪灾害是指山丘地区由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡灾害。随着近年来全球气候变暖导致极端天气异常，几十年不遇甚至百年不遇的暴雨时有发生。我国中小河流众多，流域面积在100～1000km2的河流有5万多条；同时我国地处东亚季风区，山丘区暴雨频发，沟壑纵横、地形地质条件复杂，再加上人类工程活动（乱砍滥伐、开山削坡、水利灌溉）的日益加剧，对原始地形、地貌形成较大的扰动破坏，导致山洪灾害发生频繁。长输油气管道与铁路、公路等一样，是典型的线型工程，这些线型工程不可避免地受到河流、沟道的影响，如冲刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蚀和河流改道；在地形起伏的地区，这些工程还受到流水所致的坡面侵蚀的影响，如坡面水土流失所致地表塌陷、管沟掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山区及山前区中小河流,因河道坡降较大而引发的汇水面积大、水流急、冲刷剧烈等，使河床常常暴露出基岩、卵砾石及漂石。在这类河道中敷设管道时，管道若没有嵌固于稳定的基岩内或在埋深不够时，一旦山洪暴发，表层这些块石及漂石在高速水流作用下一起运动，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，即管跨段。在一定条件下，水流流经管线时，管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，使管线受到一个顺流向的波动阻力和垂直于流向的波动升力，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响洪水作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。洪水灾害给我国油气管道工业带来了巨大的风险和损失。如黄土高原的马惠宁管道，建成投产后洪水灾害不断出现，曾数次发生悬空、断管事故。西北地区的涩宁兰输气管道山洪灾害亦很频繁，经常造成管道外露和悬空。2004年7月，青海省乐都地区突降大雨，石头沟暴发山洪，汹涌的洪水将管线冲出，使管道呈裸管悬空的状态，洪水夹带的大漂石强烈冲击管道。2010年7月，忠武管道榔坪地区遭遇强降雨袭击。暴雨使榔坪河洪水暴涨，沿河道敷设的忠武管道多处出现险情，其中两处管道长距离漂管，一处露管，另有30多处水工保护挡墙被冲毁。2010年8月，四川德阳石亭江洪水暴涨，导致河堤被冲毁，出现大面积溃堤，造成兰成渝管道某支线悬空400m，完全暴露于水流冲刷之下。2011年3月，西气东输二线呼图壁县黑娃山沟发生洪水，造成该段冲沟底部下切，约140m管道被冲出，发生管线露空漂浮，情况危急。面对众多的中小流域山洪灾害，我国管道运营公司经常采取积极的水工保护工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。目前，我国中小河流山洪监测预警技术还处于起步阶段，由于大部分中小河流站网密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有强度大、历时短、难预报等特点。传统的山洪灾害水情监测多采用机械式或电磁式传感器，对于前者，其技术相对成熟，常见的有浮子式水位计、差压式水位计、机械转子式流速计等，但由于受机械结构自身限制，其测量误差大、精度低；对于后者，常见的有雷达式液位计、超声波流速仪、声学多普勒流速仪等，测量精度较高、使用简便，但成本高，且易受电磁波干扰。另外，对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻胀融沉、活动发震断层等大规模土体移动作用下埋地管道的安全监测更多的关注于对管体应力应变的监测，而山洪作用下管道的破坏方式主要表现为流固耦合效应引起的涡激振动导致管道发生疲劳失效，单纯的监测管体应力应变已不能满足山洪作用下管道安全防护的要求。对于金属构件的振动监测，传统的机械式、电类振动传感器（如压电、磁电和电涡流式等）存在灵敏度低、测量范围小、传输距离近以及材料缺陷等缺点，不适用于大型工程的长期远程实时监测。近几年兴起的分布式光纤传感技术（以BOTDR为代表）在机械振动监测方面已有一定的应用，但尚未见到将光纤光栅技术应用于山洪作用下管线涡激振动监测的报道。当前山洪灾害监测预警技术多应用于公路、铁路、电站、大坝等工程及城镇防洪体系建设，还未对山洪及其影响下的埋地油气管道进行系统的联合监测。开展管道山洪灾害联合监测，不仅能超前判断山洪形成前的水位、流速及洪峰流量，还能查明水流冲刷对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道在洪水冲击作用下发生涡激振动的条件及变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供依据。综合以上的信息，就能对山区河沟谷地段的管道进行安全预警，提前预报山洪的形成时间、规模以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性：易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating）是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。由耦合模理论可知，均匀的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长（布拉格波长）λB为：λB＝2neffΛ（1）式中：λB为布拉格波长；neff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系：式中：αf为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；Pe为光纤材料的弹光系数。由式(2）可知，应变ε是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度T是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：（1）传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；（2）与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；（3）具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；（4）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是该系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括水位监测装置、流速监测装置、管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端‑上位机；油气管道山洪灾害监测系统的总体构成为：将金属平板（1）用螺栓（2）固定于河道岸边，在金属平板（1）上安装防护筒（3），并将防护筒（3）向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器（4）固定于防护筒（3）壁内，在河道底部安装基准桩（5），桩上固定光纤光栅流速传感器（6），在油气管道（7）的监测截面上安装光纤光栅振动传感器（8），然后将水位传感器（4）、流速传感器（6）与振动传感器（8）一并引入光纤接线盒（9），与引至监测站的光缆Ⅰ（10）连接，在监测站里，光缆Ⅰ（10）与光开关（11）连接，光开关（11）与调仪（12）连接，解调仪（12）与下位机（13）连接，下位机（13）预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ（14）传输，无线通讯模块Ⅱ（15）接收到上位机（16）；光纤光栅水位传感器（4）、光纤光栅流速传感器（6）和光纤光栅振动传感器98）将河道水位、山洪流速和管线涡激振动信号经光缆Ⅰ（10）传到光开关（11），光开关（11）后经解调仪（12）解调传至下位机（13），下位机（13）调用自编的程序，控制光开关（11）和解调仪（12），实现数据的采集并对数据进行预处理;预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ（14）传输、无线通讯模块Ⅱ（15）接收到上位机（16），上位机（16）对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与其固有频率对比分析结果，判断山洪冲刷作用下管道的安全状态。...

【技术特征摘要】
1.一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是该系统分为现场采集发射系统和远程接收分析系统，具体包括水位监测装置、流速监测装置、管线涡激振动监测装置、现场监测站、办公室的接收终端-上位机；油气管道山洪灾害监测系统的总体构成为：将金属平板(1)用螺栓(2)固定于河道岸边，在金属平板(1)上安装防护筒(3)，并将防护筒(3)向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器(4)固定于防护筒(3)壁内，在河道底部安装基准桩(5)，桩上固定光纤光栅流速传感器(6)，在油气管道(7)的监测截面上安装光纤光栅振动传感器(8)，然后将光纤光栅水位传感器(4)、光纤光栅流速传感器(6)与光纤光栅振动传感器(8)一并引入光纤接线盒(9)，与引至监测站的光缆Ⅰ(10)连接，在监测站里，光缆Ⅰ(10)与光转换开关(11)连接，光转换开关(11)与光纤光栅解调仪(12)连接，光纤光栅解调仪(12)与下位机(13)连接，下位机(13)预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ(14)、无线通讯模块Ⅱ(15)传输到上位机(16)；光纤光栅水位传感器(4)、光纤光栅流速传感器(6)和光纤光栅振动传感器(8)将河道水位、山洪流速和管线涡激振动信号经光缆Ⅰ(10)传到光转换开关(11)，光转换开关(11)后经光纤光栅解调仪(12)解调传至下位机(13)，下位机(13)调用自编的程序，控制光转换开关(11)和光纤光栅解调仪(12)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ(14)、无线通讯模块Ⅱ(15)传输到上位机(16)，上位机(16)对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断待监测区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与其固有频率对比分析结果，判断山洪冲刷作用下管道的安全状态。2.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述油气管道山洪灾害监测系统的原理为光纤光栅水位传感器(4)、光纤光栅流速传感器(6)和光纤光栅振动传感器(8)的PC接头用光缆Ⅰ(10)与光转换开关(11)的PC接头连接，光转换开关(11)的R232连接下位机(13)的R232接口，光转换开关(11)的PC接头连接光纤光栅解调仪(12)SM125的CH1端，光纤光栅解调仪(12)SM125的LAN端口连接下位机(13)的LAN端口，下位机(13)的R232端口接GPRS无线通讯模块Ⅰ(14)西门子MC35i的R232端口，GPRS无线通讯模块Ⅰ(14)经天线GSM、GPRS网络，被GPRS无线通讯模块Ⅱ(15)天线GSM接收后由R232接到上位机(16)的R232，上位机(16)的输出由VGA端接显示器的VGA端；水位、流速和管线涡激振动的三类光纤光栅传感器的输出信号经光转换开关逐一导通传输至光纤光栅解调仪(12)，光纤光栅解调仪(12)解调出各光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机(13)，光转换开关(11)导通信号的周期由下位机(13)控制；下位机(13)对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS无线通讯模块Ⅰ(14)，GPRS无线通讯模块Ⅰ(14)将下位机(13)计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的上位机(16)，上位机(16)通过自编软件对数据进行分析处理，由显示器显示。3.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述水位监测装置为：在不锈钢密闭箱体(17)的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体(18)，将一支光纤光栅应变传感器Ⅰ(19)粘贴于圆柱体(18)表面，并通过光缆Ⅱ(20)将信号引至光纤接线盒(9)，光纤接线盒(9)与光缆Ⅰ(10)连接，并最终引至监测站；所述光纤光栅应变传感器Ⅰ(19)选温度补偿型光纤光栅应变传感器。4.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测系统，其特征是所述流速监测装置由文丘里管式节流管(21)、导管Ⅰ(22)、导管Ⅱ(23)和光纤光栅压强传感机构组成，光纤光栅压强传感机构由有机玻璃密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冰，谭东杰，马云宾，李亮亮，郝建斌，荆宏远，刘建平，吴张中，
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