一种隧道内管道监测预警系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种隧道内油气管道安全监测预警系统，特别涉及山体及河流穿越隧道内油气管道的在线监测与安全预警，属于管道安全及测量技术领域。
【背景技术】
[0002]我国管道工程正处于高速发展时期，越来越多的管道要经过各种地质形貌区域，其中，隧道是管道穿越复杂山体和大型河流的一种主要方式。管道用隧道一般具有截面积小、穿越线路多样等特点，即隧道在满足管道安装需要的情况下，截面积尽可能小以减少开挖工程量，隧道线路可根据地形地质条件灵活设计。如山体隧道线路可采用“一”字型、“人”字型、折线型等，线路坡度可取(Γ30° ;河流隧道线路可采用“U”字型、倒梯型或二者组合型；隧道长度则从几百米到几公里不等。隧道内的管道多采用支座式的安装方法，即在隧道内设置一系列连续的低支座，通过管卡将管道架空安装并固定在支座上，该方法施工方便、利于后期维护，适用于各种隧道线路类型，因此在隧道工程中广泛应用。
[0003]管道用隧道多为封闭空间，管理维护困难，特别是对于长距离山体隧道或河流隧道，由于通风、排水等问题，对隧道管道进行安全巡检的难度大、风险高。管道在运行使用过程中，管道内的运行压力和温度、以及环境温度都会发生变化，在温度和压力的共同作用下，管道会发生沿轴向的伸缩变形或横向的弯曲变形，特别是隧道线路有起伏变化时，线路转角处管道的变形更加显著。隧道越长管道因温度和内压变化而发生的变形程度越大，管道安全风险也越高。一方面，伸缩和弯曲变形会在管道内部产生巨大的内力，导致局部应力升高，失效风险增加；另一方面，支座、管卡或固定墩可能因无法承受管道变形带来的巨大作用力而发生破坏，从而失去对管道的固定作用，导致管道严重变形甚至破坏。此外，隧道内环境潮湿，管道、管卡及支座的腐蚀风险较高，尤其是河流隧道还有建成后充水的做法，如果管卡或支座破坏会造成管道悬空、漂浮并可能引发重大安全事故。隧道空间受限，一旦发生事故抢维修十分困难，隧道及其管道的安全管理是管道公司面临的难题。
[0004]传统上，管道用隧道在投用以后采用定期巡检的方法，每间隔一定时期专业人员进入隧道对管道、管卡、支座以及隧道结构本体进行检查。这种人工巡检的方法存在的主要问题:一是隧道空间相对封闭，要保持良好通风和照明才能进入，有些隧道长达几公里，巡检工作量大、安全风险高；二是管道、管卡和支座的变形通过人工检查的方式难以发现；三是无法实时掌握隧道内管道及附属设施的安全状态，往往是事后发现和处理；四是河流隧道内可能存在积水，巡检前要进行排水和通风作业，工程量巨大，如果隧道建成后进行了充水保护，巡检前的准备工作和难度更大。因此，隧道内管道的安全监管就成为管道运行管理中难点和薄弱环节。
[0005]已公开的现有技术中，有隧道结构本体的变形监测、不良地质区域管道监测预警、开放空间隧道天然气泄漏监测等技术和方法，未见关于隧道内管道的安全监测及预警技术。
[0006]如:专利200810072514.2公开了一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，将激光器固定于已稳定的隧道围岩内壁上，在施工隧道内不稳定围岩的初期支护上安装固定光敏位移信号监测器，根据实时的激光信号监测围岩变形，并提供信号处理与分析功能。
[0007]专利200810158286.0公开了一种隧道体元形变移动监测系统及监测方法，由激光扫描仪、CCD相机、速度计、惯导仪、中央控制装置及条形码组成，通过三维建模和模型重建，进行体元形变分析，从而可连续监测形变过程。
[0008]专利200810119556.7公开了一种滑坡对管道影响的监测预警方法和系统，包括滑坡对管道的推力监测及管道应变监测两部分，采用土压力盒光纤光栅传感器测量滑坡对管道的正面推力，采用应变光纤光栅传感器监测管道轴向应变。
[0009]专利200920225341.3公开了一种适用于隧道开放空间天然气泄漏激光监测装置，采用可调谐二极管激光器作为激光光源，激光通过存在泄漏气体的待测区域后，由安装在隧道另一端的激光接收装置接收，由激光接收装置内光电探测器完成所接收光信号的光电转换并经激光气体分析仪分析，实现隧道内天然气管道泄漏检测。
[0010]因此，开发隧道管道安全监测预警系统，对于跟踪掌握管道安全状况、提高管道管理水平、保证管道长期平稳运行具有十分重要的作用。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于，提出一种隧道内管道的安全监测预警系统，实现对管道及其附属设施安全状况的连续监测和事故报警，解决目前隧道管道缺乏有效监测手段的问题。
[0012]本发明的技术方案如下:一种隧道内管道安全监测与预警系统，其特征在于，所述系统包括管道变形测量单元1、温度测量单元2、支座位移及反力测量单元3、水位探测单元4、现场数据采集处理单元5、现场声光报警器6和远程分析与控制终端7 ;其中管道变形测量单元1、温度测量单元2、支座位移及反力测量单元3、水位探测单元4通过光缆连接到现场数据采集处理单元5。
[0013]本系统的监测预警原理如下:
隧道内管道采用连续支座的安装方式时，管道被安装在间距1m至15m的一系列支座上，并由环形管卡固定。在管道投用后，管道温度随输送介质温度发生变化，与初始安装时存在温度差，温度差导致金属管道发生轴向伸缩变形。同时，管道因承受输送介质压力而产生环向应力，由于力学中的泊松效应，在管道内部产生轴向应力，也导致管道发生轴向的伸缩变形，轴向伸缩变形还会造成管道横向变形和失稳，从而对管卡和支座产生巨大作用力。
[0014]根据管道力学理论，温度和内压联合作用下时直管段的轴向应力，其中，是管材弹性模量、温度系数、是温度差、是泊松比、是管道内压、是管道直径、是管道壁厚。
[0015]由力学分析可知，隧道洞口或底部的弯管段的变形最为显著，管道发生破坏倾向最大。因此，隧道内管道本体的监测重点是弯管段。管道变形测量单元结构示意图见图2。分布式光纤光栅应变传感器101用于测量管道9的应变。每个测点包括2对4个光纤光栅应变传感器和I个光纤光栅位移传感器。传感器101A、传感器1lB用于测量管道顶部的轴向应变和环向应变，传感器101C、传感器1lD用于测量管道侧向90°的轴向应变和环向应变。光纤光栅位移传感器102用于测量管道9与管卡10之间的相对位移。每一测点的多个传感器采用并联方式，由光纤连接到光分路器103，再经过光纤接线盒104连接到光缆。
[0016]温度测量单元2由两个光纤光栅温度传感器组成，光纤光栅温度传感器201测量管道本体的温度，光纤光栅温度传感器202隧道环境的温度。根据监测温度和初始安装温度之间的温度差、管道运行压力和管道自身参数，可以采用理论方法计算出管道的轴向应力。
[0017]管道的轴向或横向变形，会对管卡和支座产生巨大作用力，一方面较大的作用力可能造成管卡或支座破坏，另一方面如果隧道建设时存在施工质量问题，也会造成支座失效，而失去固定作用。因此，需要对管卡和支座进行监测。支座位移及反力测量单元3结构不意图见图3。光纤光栅位移传感器301用于测量支座底板12和隧道底板13间的相对位移。如果支座底板和隧道地面基础间监测到的累计相对位移大于5mm，则认为支座失效。光纤光栅压力传感器302用于测量管道9与管卡10之间的压力，压力的安全阈值可根据管卡的极限承载能力设置。两个传感器采用串联方式，由光纤连接到光纤接线盒303再连接到光缆。
[0018]对于河流穿越隧道，隧道内是否积水，或者对于充水隧道