一种管道运行期间的应变监测方法及系统

本发明属于管道安全技术领域，特别是涉及一种管道运行期间的应变监测方法及系统。

背景技术：

石油是工业的血液，随着城市化的快速发展，城镇基础设施越来越完善，输油管道穿越人口密集区、环境敏感区的情况日益突出，给管道企业安全平稳运营提出了严峻的挑战。

针对管道的安全性，如何找到合适的评估方法成为了行业发展的考虑方向。目前行业内对于管道的安全性评估采取了一些措施，例如在管道内预置光纤、间隔一定距离建设测量基站等方式，但其中大多数措施需要耗费大量的人力物力，并且对测量数据利用不充分。

研究人员针对我国油气管道的情况，提出了管道监测技术，管道监测是通过监测管道本体的应变参数变化趋势来获得管道本体应力的变化趋势。掌握管道上某个截面上各点的纵向应变以及管道该截面的轴向应变和弯曲应变，只要在该截面的任意三个位置安装应变传感器，就能够解算获得各截面上各点的轴向和弯曲应力。从而根据管道工程设计规范分析得出管道安全性评价。然而，现有的管道监测技术大多是采用振弦传感器进行应变测量，存在影响管道防腐层安装、成本较高等问题。

因此，寻找一种经济准确的长期监测管道变形的可行技术，解决使用振弦传感器测量应变产生的影响管道防腐层安装、成本较高等问题，并优化管道安全性评估成为研究人员关注的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种管道运行期间的应变监测系统及方法，针对我国油气管道的情况，实现长期经济准确的监测管道变形的目的，通过无线应变采集模块与应变采集带配合的测量方式，实现一套完备的管道安全性评估方案，并且能够为解决使用振弦传感器测量应变产生的影响管道防腐层安装、成本较高等问题，优化管道安全性评估。

为实现上述目的，本发明提出一种管道运行期间的应变监测方法，具体包括如下步骤：

s1、采集长输管道的应变值；

s2、对所述应变值进行分析，得到所述长输管道截面上任意位置的应力；

s3、将所述应力与管道国际文件进行对比计算，得到所述长输管道的受力情况；然后通过所述受力情况，得到管道安全性评价。

优选地，所述步骤s1具体为：

s1.1、利用管道应变监测带中的应变片来对所述长输管道的形变进行监测，当所述长输管道发生形变，所述应变片的电阻值会发生相应变化；

s1.2、将电阻变化数值输入到无线应变采集模块，得到应力值。

优选地，所述步骤s2具体为：

s2.1、将所述应力值输入到计算机的管道安全分析软件中进行数据分析；

s2.2、选取所述长输管道截面上任意三个角度的应力值和角度，得到截面上任意位置的应力。

优选地，所述应力包括：轴向应力、周向应力、径向应力、剪应力、弯矩产生的弯曲应力和扭转应力。

所述步骤s3具体为：

s3.1根据gb50253-2014国标文件计算出长输管道的许用应力，然后将所述实际应力与所述许用应力的大小关系进行对比，得到所述长输管道的受力情况；

s3.2分析所述受力情况，评估出现的管道事故风险情况，并将所得评估发送给相关技术人员，对风险处进行事先预案，防止事故发生。

一种管道运行期间的应变监测系统，包括：

应变监测带，用于监测长输管道的形变程度，并将形变程度传输至无线应变采集模块；

所述无线应变采集模块，用于将形变程度转化为应变值传输至管道安全分析软件；

所述管道安全分析软件，用于分析所述应变值，得到长输管道截面上任意位置的应力；并将所述应力与管道国际文件进行对比计算，得到所述长输管道的受力情况；然后通过所述受力情况，得到管道安全性评价。

优选地，所述管道应变监测带中包括4个测点、12个应变片敏感栅；所述12个应变片敏感栅中的4个应变片敏感栅位于所述长输管道的环向，另外8个应变片敏感栅位于所述长输管道的轴向。

优选地，所述管道应变监测带是直接粘贴于所述长输管道的外壁，且厚度≤1mm。

优选地，所述无线应变采集模块与所述管道应变监测带的连接方式是通过4g网络传输的，输出稳定的12个点的应变数据以及2处温度数据；所述温度数据为管道与空气的温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过无线应变采集模块与应变采集带配合的测量方式实现一套完备的管道安全性评估方案，实现长期经济准确的管道变形监测，并且能够为解决使用振弦传感器测量应变产生的影响管道防腐层安装、成本较高等问题，优化管道安全性评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本发明提出一种管道运行期间的应变监测方法，具体包括如下步骤：

s1、采集长输管道的应变值；

s1.1、利用管道应变监测带中的应变片来对所述长输管道的形变进行监测，当所述长输管道发生形变，所述应变片的电阻值会发生相应变化；

s1.2、将电阻变化数值输入到无线应变采集模块，得到应力值。

s2、对所述应变值进行分析，得到所述长输管道的截面上任意位置处的应力；

s2.1、将所述应力值输入到计算机的管道安全分析软件中进行数据分析；

s2.2、选取所述长输管道截面上任意三个角度的应力值和角度，得到截面上任意位置的应力。

其中，所述应力包括：轴向应力、周向应力、径向应力、剪应力、弯矩产生的弯曲应力和扭转应力。

(1)轴向应力，方向与长输管道轴线方相平行，其共有三类应力组成，第一类轴向应力是由于加载在管道的轴力引起的,第二类轴向应力是由于加载在管道的内压产生的,第三类被称为弯曲应力，是由于管道弯曲变形产生的，计算公式如下：

式中，σl为管道轴向正应力，单位：mpa；fax位界面上的内力，单位：n；am为管壁截面面积，单位：m²；p为内压，单位：mpa；d为管道外径，单位：m；s为管道壁厚，单位：m；mb为作用在截面上的弯矩，单位：n·m；z为管道抗弯曲截面系数，单位：m³。

(2)周向应力，由内压引起，方向是垂直于管道轴向且平行于管壁圆周切线。计算公式如下：

式中，σθ为周向应力，单位：mpa。

(3)径向应力，由内压引起，方向是与管道半径平行。计算公式如下：

式中，σr位管道环向正应力，单位：mpa；ri为管道内半径，单位：m；r0为管道外半径，单位：m；r为管道计算点的径向位置，单位：m。

(4)剪应力，是由非常复杂的各种载荷的作用下产生的，方向是与材料晶体结构平面相平行，并且可能使晶体相毗邻的平面相互产生滑动的趋势。

管壁上任一点的剪应力如下：

式中，q为剪力，单位：n；di为管道内径，单位：m；d0为管道外径，单位：m；s为管道壁厚，单位：m。

(5)弯矩产生的弯曲应力，多种荷载都可能在管道内产生弯矩，从而造成管道弯曲。一般情况下，管道横截面上不但存在弯矩，还存在剪力，这种情况称为横力弯曲。管道两端只有弯矩而无剪力时的弯曲变形称为纯弯曲。管道上任一点的弯曲应力计算公式如下：

式中，σα为弯曲应力，单位：pa；m为弯矩，单位：n·m；r为距中心轴的距离，单位：m；j为横截面惯性矩，单位：m⁴。

(6)在工程中，管道所承受的一种外力是作用在垂直于管道轴心线的平面内的力偶，这时，管道会因扭转变形而产生扭转应力。扭转产生的扭转应力计算公式如下所示：

式中，τ为扭转应力，单位：pa；mi为扭矩，单位：n·m；di为管道的内径，单位：m；ji为截面极轴惯性矩，单位：m⁴。

s3、将所述应力与管道国际文件进行对比计算，得到所述长输管道的受力情况；然后通过所述受力情况，得到管道安全性评价。

对应应变采集模块返回的应变值，通过应力应变关系计算得出实际的应力，再根据gb50253-2014国标文件计算出管道的许用应力，比较实际应力与许用应力大小关系得到管道事故风险评估。

应力应变关系：

σ＝e·ε

式中，e为材料的弹性模量，ε为管道应变值，σ为管道应力值。

许用应力计算：

[σ]＝k·φ·σs

式中，[σ]为许用应力；k为设计系数，输送原油、成品油管道除穿跨越管段应按现行国家标准《油气输送管道穿越工程设计规范》gb50423、《油气输送管道跨越工程设计规范》gb50459的规定取值外，输油站外一般地段应取0.72，城镇中心区、市郊居住区、商业区、工业区、规划区等人口稠密地区应取0.6；输油站内与清管器收发筒相连接的干线管道应取0.6；σs为钢管的最低屈服强度；φ为焊缝系数。

根据所得到的不同位置处应力值，分析该处受力情况，评估所可能出现的管道事故风险，并将所得评价发送给相关技术人员，对风险处进行事先预案，防止事故发生。

参照图2所示，本发明提出一种管道运行期间的应变监测系统，包括：

应变监测带，用于监测长输管道的形变程度，并将形变程度传输至无线应变采集模块；

所述无线应变采集模块，用于将形变程度转化为应变值传输至管道安全分析软件；

所述管道安全分析软件，用于分析所述应变值，得到长输管道截面上任意位置的应力；并将所述应力与管道国际文件进行对比计算，得到所述长输管道的受力情况；然后通过所述受力情况，得到管道安全性评价。

所述管道应变测量带中包括4个测点、12个应变片敏感栅；所述12个应变片敏感栅中的4个应变片敏感栅位于所述长输管道的环向，另外8个应变片敏感栅位于所述长输管道的轴向，保证了对管道危险处的全面测量。

所述管道应变监测带是直接粘贴于所述长输管道的外壁，且厚度≤1mm，不影响管道防腐层的安装。

所述无线应变采集模块与所述管道应变监测带的连接方式是通过4g网络传输的，其输出稳定的12个点的应变数据以及2处温度数据；所述温度数据为管道与空气的温度。

综上，本发明将应变监测带粘贴于长输管道外壁；将应变监测带与无线应变采集模块相连；无线应变采集模块将数据传输到电脑，管道安全分析软件对数据进行分析，解算出管道变形，得到管道安全性评估，形成一套完备的管道安全性评估方案，实现长期经济准确的管道变形监测，并且能够解决使用振弦传感器测量应变产生的影响管道防腐层安装、成本较高等问题，优化管道安全性评估。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。