一种应用于供热管道的直埋稳定性监测装置及其方法

本技术涉及供热管道监测，具体而言，涉及一种应用于供热管道的直埋稳定性监测装置及其方法。

背景技术：

1、长输供热系统是保障民生的生命线工程，一般负担较大区域的基础供热负荷，大管径长输供热管道的运行安全尤为重要。由于管道直埋敷设对环境影响小、工程造价低、使用寿命长、节能效果好、施工工期短，故而大管径长输供热管道一般采用管道直埋敷设方式，并采用直埋无补偿技术，但需要供热管道在设计、制造、施工中满足直埋无补偿敷设的技术条件要求，并在供热管道运行时严格控制热水的温度、流量及压力，维持管道在土壤中的稳定状态。目前，国内大部分长输供热管线在建设过程中都存在投资紧张，施工质量参差、施工工期紧张、敷设环境恶劣，直埋管道往往无法运行到实际设计参数等问题，同时由于缺乏管道系统监测手段，实际运行参数往往靠运行人员经验确定，时常因运行温度过高等原因，造成直埋管道局部失稳破坏，导致供热中断的情况发生，不仅造成大规模经济损失，甚至可能产生影响社会稳定等严重后果，增加了供热系统的维护和管理难度。针对此问题，现有技术采用应变片监测管道应力状态的监测方法，但该监测方法的可行性及准确性极易受到管道高温影响，同时，直埋管道安装应变片要破坏管道的外保护层及保温层，增加了管道运行风险。

技术实现思路

1、本技术提供一种应用于供热管道的直埋稳定性监测装置及其方法，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。

2、具体的技术方案如下：

3、第一方面，本技术实施例提供了一种应用于供热管道的直埋稳定性监测装置，所述供热管道包括工作管以及自内而外包裹于所述工作管外的保温层、外护层，所述直埋稳定性监测装置包括：

4、管道安装套件，所述供热管道的每个监测点分别设置一个所述管道安装套件，且所述管道安装套件固定安装于所述外护层的外侧面上，

5、压力传感器，每个所述管道安装套件上均设置有一个所述压力传感器，用于获取所述监测点的覆土压力数据，

6、倾角传感器，每个所述管道安装套件上均设置有一个所述倾角传感器，用于获取所述监测点的管道倾角数据，

7、uwb(ultra wide band，超宽带)标签，每个所述管道安装套件上均设置有一个所述uwb标签，所述uwb标签与所述压力传感器、所述倾角传感器相连，用于接收所述压力传感器传输的所述覆土压力数据和所述倾角传感器传输的所述管道倾角数据，并根据所述覆土压力数据和所述管道倾角数据生成并发射uwb信号，

8、供电模块，每个所述管道安装套件上均设置有一个所述供电模块，所述供电模块与所述压力传感器、所述倾角传感器、所述uwb标签相连，用于为所述压力传感器、所述倾角传感器和所述uwb标签供电，

9、uwb基站，用于接收相邻的所述uwb标签发射的所述uwb信号，并对所述uwb信号进行时间标记，

10、云平台，所述uwb基站将所述uwb信号及其标记的时间数据上传至云平台，所述云平台用于根据多个所述uwb基站传输的所述uwb信号及其标记的所述时间数据生成管道位移数据，并基于实时监测获得的所述覆土压力数据、所述管道倾角数据、所述管道位移数据进行所述供热管道的直埋稳定性分析与判定，

11、其中，每个所述uwb标签发送的所述uwb信号至少被四个不在同一平面上的所述uwb基站接收。

12、在本技术的一些实施例中，所述云平台根据多个所述uwb基站传输的所述uwb信号及其标记的所述时间数据生成管道位移数据，并基于实时监测获得的所述覆土压力数据、所述管道倾角数据、所述管道位移数据进行所述供热管道的直埋稳定性分析与判定，具体用于：

13、所述云平台根据接收同一所述uwb信号的四个所述uwb基站标记的所述时间数据，计算发送所述uwb信号的所述uwb标签到四个所述uwb基站中任意两个的距离差，根据多个所述距离差计算得到所述uwb标签在监测坐标系下的坐标，并实时监测获得的所述坐标的变化，得到所述uwb标签所在的所述监测点的所述管道位移数据，当所述供热管道的过渡段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据存在超出第一预设位移值的趋势时，所述云平台进行管道位移预警，当所述供热管道的过渡段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据超出所述第一预设位移值时，所述云平台进行管道位移报警；其中，所述第一预设位移值为所述监测点在所述供热管道上沿管道方向的位移值；

14、所述云平台将实时监测获得的所述覆土压力数据进行单位标准化处理，当处理后的覆土压力数据存在不大于预设压力值的趋势时，所述云平台进行管道覆土压力预警，当所述处理后的覆土压力数据不大于所述预设压力值时，所述云平台进行管道覆土压力报警；

15、所述云平台将实时监测获得的所述管道倾角数据进行单位标准化处理，当处理后的管道倾角数据存在角度变化值大于预设坡度变化值的趋势时，所述云平台进行管道倾角预警，当所述处理后的管道倾角数据的角度变化值大于所述预设坡度变化值时，所述云平台进行管道倾角报警。

16、在本技术的一些实施例中，所述第一预设位移值的计算公式为：

17、δs＝δr-δrg

18、其中，δs表示第一预设位移值，δr表示供热管道的管段伸长量，δrg表示供热管道的过渡段伸长量，

19、当所述供热管道的整个过渡段处于弹性状态工作时，所述供热管道的管段伸长量δr、所述供热管道的过渡段伸长量δrg的计算公式分别为：

20、

21、

22、当所述供热管道的管段中部分进入塑性状态工作时，所述供热管道的管段伸长量δr、所述供热管道的过渡段伸长量δrg的计算公式分别为：

23、

24、

25、其中，l表示供热管道的管段设计长度，当供热管道的管段设计长度l≥供热管道中直管段的过渡段最大长度gmax时，l的取值为gmax；α表示管道材质的线膨胀系数；txman表示管道工作循环最高温度；ta表示管道设定安装温度；e表示管道材质的弹性模量；a表示工作管管壁的横截面积；fmin表示管道单位长度的最小摩擦力；lh表示监测点到管道活动端的距离，当监测点到管道活动端的距离lh≥供热管道中直管段的过渡段最大长度gmax时，lh的取值为gmax；δty表示工作管的屈服温差；gmin表示供热管道中直管段的过渡段最小长度。

26、在本技术的一些实施例中，当所述供热管道设置有补偿器时，所述第一预设位移值不超过所述补偿器的最大补偿量的90％。

27、在本技术的一些实施例中，所述云平台基于实时监测获得的所述管道位移数据进行所述供热管道的直埋稳定性分析与判定，具体还用于：

28、当所述供热管道的过渡段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据存在超出第二预设位移值的趋势时，和/或当所述供热管道中除过渡段之外的管段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据存在超出第三预设位移值的趋势时，所述云平台进行管道位移预警；

29、当所述供热管道的过渡段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据超出所述第二预设位移值时，和/或当所述供热管道中除过渡段之外的管段内任意一个所述监测点的所述管道位移数据超出所述第三预设位移值时，所述云平台进行管道位移报警；

30、其中，所述第二预设位移值为所述监测点在供热管道上除沿管道方向之外的位移值，所述第三预设位移值为所述监测点在供热管道上任意方向的位移值，且所述第二预设位移值、所述第三预设位移值均取值为所述uwb标签的误差值与所述保温层的外径值的百分之一之和。

31、在本技术的一些实施例中，所述预设压力值的计算公式为：

32、

33、其中，q表示预设压力值，fc表示初始挠度，δs表示安全系数，表示供热管道的最大轴向力，e表示管道材质的弹性模量，ip表示工作管横截面的惯性矩。

34、在本技术的一些实施例中，所述云平台还用于根据所述供热管道的设计图纸以及所述uwb标签在监测坐标系下的初始坐标，生成管道数字孪生模型，并通过实时监测获得的所述覆土压力数据、所述管道倾角数据、所述管道位移数据对所述管道数字孪生模型进行更新修正；其中，所述设计图纸包括管道设计数据和环境数据。

35、在本技术的一些实施例中，所述管道安装套件为优弧形板结构，所述管道安装套件的优弧形板内径与所述外护层的外径大小相同，所述管道安装套件覆盖于外护层的外侧面上，并通过自攻螺丝固定安装在所述外护层上；

36、所述压力传感器和所述倾角传感器的安装位置点与所述供热管道的管道圆心之间的连线垂直于地面，所述uwb标签和所述供电模块的安装位置点与所述供热管道的管道圆心之间的连线平行于地面。

37、在本技术的一些实施例中，所述供热管道在距离所述供热管道的状态变化位置点预设间隔域值的位置处均设置一个所述监测点，所述供热管道除所述状态变化位置点预设间隔域值范围之外管段的两两相邻所述监测点之间的距离处于预设距离范围内；其中，所述状态变化位置包括管道转角位置、纵向变坡位置、计算锚固点位置；所述预设间隔域值为12m，所述预设距离范围为12–36m。

38、第二方面，本技术实施例提供了一种应用于供热管道的直埋稳定性监测方法，应用于第一方面所述的应用于供热管道的直埋稳定性监测装置，所述直埋稳定性监测方法包括：

39、通过压力传感器获取监测点的覆土压力数据，并通过倾角传感器获取所述监测点的管道倾角数据，uwb标签接收所述压力传感器传输的所述覆土压力数据和所述倾角传感器传输的所述管道倾角数据，并根据所述覆土压力数据和所述管道倾角数据生成并发射uwb信号；

40、uwb基站接收相邻的所述uwb标签发射的所述uwb信号，并对所述uwb信号进行时间标记，将所述uwb信号及其标记的时间数据上传至云平台；其中，每个所述uwb标签发送的所述uwb信号至少被四个不在同一平面上的所述uwb基站接收；

41、所述云平台根据多个所述uwb基站传输的所述uwb信号及其标记的所述时间数据生成管道位移数据，并基于实时监测获得的所述覆土压力数据、所述管道倾角数据、所述管道位移数据进行所述供热管道的直埋稳定性分析与判定。

42、本技术实施例的有益效果如下：

43、通过传感器实时监测供热管道在土壤中的位移、管道覆土压力、管道倾角，将监测数据上传至云平台，通过数字孪生技术显示供热管道在土壤中的敷设状态，并进行实时数据计算，分析直埋管道在土壤中的稳定性，为管道运行提供数据支持。此外，该直埋稳定性监测装置不需要破坏供热管道的外护层和保温层，即可实现每组监测组件在各个监测点处的固定安装，大大降低了供热管道的运行风险。