长输管道跨越段应变的分布式监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于长输管道安全监测技术领域，具体涉及一种长输管道跨越段应变的分 布式监测系统及监测方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着光纤传感技术在军事、航空、桥梁等领域安全监测中的成功应用，光 纤传感技术也被引入到海底管道监测中。在各种光纤传感技术中，分布式光纤技术由于能 够实现物理量沿光纤各点时间和空间上的连续分布测量，因此，特别适用于管道安全监测。
[0003] 现阶段，利用分布式光纤传感技术对海底管道泄漏位置进行监测，主要通过监测 管道泄漏处光纤某些参数变化判断漏点位置。如BernhardVogel介绍了一种利用分布式 光纤温度传感器对管道泄露进行探测的方法W，该方法利用管道泄漏处温度会发生显著变 化，通过对比管道标准温度分布曲线和埋设在管道上或管道下方的光纤监测到的管道温度 分布曲线，判断管道泄漏位置。
[0004] 陈宝华等在介绍管道泄漏探测方法的文章?中提到了一种碳氨分布式光纤传感 器，其利用能与油中碳氨分子发生作用的材料作为光纤护套，当输油管道发生泄漏时，光纤 护套材料的折射指标将发生变化，从而引起光纤的导光性能发生变化，通过对光纤导光性 能实时监测即能发现输油管道漏点位置。
[0005]Mendoza介绍了一种光纤分布式腐蚀传感器?，通过对光纤护套湿气和PH值的监 测并与事先标定过的指标进行比较判断管道是否发生腐蚀。
[0006] 然而，上述介绍的各种分布式光纤传感系统，均是针对管道泄漏进行判断的，是W 管道破坏为前提的；也就是说，只有当管道已经发生泄漏时，才能够监测到管道泄漏现象， 然而此时管道破坏已导致输送的油气泄露，既污染自然环境，也影响相关企业的正常生产 W及居民的正常生活，更严重的情况甚至已发生爆炸事故，威胁人员生命安全，造成巨大的 经济损失。
[0007] [1]Bernhard,V.etal.LeakageDeteetionSystemsbyUsingDistributed FiberopticalTemperatureMeasurement[A]SPIE2001，Vol. 4328,23-34.
[0008] [2]CHENHuaboetal.AMethodforoilPipelineLeakDetectionBasedon DistributedFiberOpticTechnology[A]SPIE1998,Vol. 3555,77-82.
[0009] [3]Mendoza,E.A.etal.DistributedFiberOpticChemicalSensors forDetectionofCorrosioninPipelinesandStrueturalComponents[A] SPIE1998,Vol. 3398, 136-143.
【发明内容】
[0010] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种长输管道跨越段应变的分布式监测系 统及监测方法，用W解决上述问题。
[0011] 本发明采用的技术方案如下：
[0012] 本发明提供一种长输管道跨越段应变的分布式监测系统，包括：远程监控中必和 若干个分布式节点，各个所述分布式节点通过信号传输系统与所述远程监控中必进行信息 交互；
[0013] 每一个分布式节点采用W下方式设置：
[0014] 将被监控的长输管道沿轴线方向划分为η个子管道；对于任意一个子管道i，沿轴 线方向等距离设置W个垂直于轴线的监测截面，在每一个监测截面上布置4个监测点，即； 在所述监测截面的上母线、下母线、左母线和右母线处各安装一台光纤光栅传感器；安装在 子管道i上的所有光纤光栅传感器与安装在子管道i本地的数据采集与预处理装置构成一 个分布式节点。
[0015] 优选的，所述光纤光栅传感器与被监测子管道的管壁外表面紧密贴合安装，用于 采集与其紧密贴合管壁的原始应变信息；
[0016] 所述数据采集与预处理装置用于接收各光纤光栅传感器发送的原始应变信息，并 对所述原始应变信息进行数据预处理，得到适合传输和进一步分析的处理后的监测点实时 应变信息；
[0017] 所述信号传输系统用于；将所述监测点实时应变信息存储在本地；同时，将所述 监测点实时应变信息实时发送到所述远程监控中必。
[0018] 优选的，所述远程监控中必包括管道变形计算模块；所述管道变形计算模块包括 存储子模块、焊接形式传感器的应变计算子模块、粘贴形式传感器的应变计算子模块和管 道挽度计算子模块；
[0019] 所述存储子模块用于存储子管道ID和子管道属性之间的对应关系；其中，所述子 管道属性包括子管道所在的地理位置、子管道上光纤光栅传感器安装方式W及子管道基本 信息；其中，所述安装方式包括两种：光纤光栅传感器通过焊接形式安装在子管道上，光纤 光栅传感器通过粘贴形式安装在子管道上；
[0020] 其中，对于安装焊接形式传感器的子管道，所述子管道的基本信息包括：
[0021] li;光纤胶层部分长度；
[002引！2 ;光纤无胶层部分长度；
[0023] 13 ;固定点距离端部长度：
[0024] Γι ;封装钢管的外半径；
[002引。；封装钢管的内半径，即胶层外半径；
[0026] 。；光纤半径；
[0027] Εχ ;光纤的弹性模量；
[0028] Eg ;传感器钢管的弹性模量；
[0029] Ej;中间层的弹性模量；
[0030] εS;光纤光栅测量得到的实时应变值；
[0031] G,为粘结胶层的剪切模量；
[0032] 其中，对于安装粘贴形式传感器的子管道，所述子管道的基本信息包括：
[0033] li ;光纤胶层部分长度；
[0034] !2 ;光纤无胶层部分长度；
[0035] 13 ;固定点距离端部长度：
[003引 ri ;封装钢管的外半径；
[0037]。；封装钢管的内半径，即胶层外半径；
[00測。；光纤半径；
[0039] Εχ ;光纤的弹性模量；
[0040] Eg ;传感器钢管的弹性模量；
[0041] E,;中间层的弹性模量；
[0042]G,为粘结胶层的剪切模量；
[0043]εS;光纤光栅测量得到的实时应变值；
[0044]hi为粘结化层的厚度；
[0045] h2为粘结胶层和基片的厚度之和；
[0046] Ejp为基片的弹性模量；
[0047]G,。为粘结胶层的剪切模量；
[0048] 1日为基片端部与钢管端部距离；
[0049] le为固定点与另一端钢管端部距离；
[0050] 所述焊接形式传感器的应变计算子模块用于；读取所述存储子模块，基于子管道 ID查找到与其对应的子管道基本信息；然后将查找到的子管道基本信息中的相关参数W 及接收到的被测点处光纤光栅测量得到的应变值εS代入下式，求得修正后的被测点处的 应变值εt;
[0051]
[0054] 所述粘贴形式传感器的应变计算子模块用于；读取所述存储子模块，基于子管道 ID查找到与其对应的子管道基本信息；然后将查找到的子管道基本信息中的相关参数W及接收到的被测点处光纤光栅测量得到的应变值εg代入下式，求得修正后的被测点处的 应变值εt;
[00巧]
[0058] 所述管道挽度计算子模块用于计算任意一个被监测的子管道的总挽度，方法如 下：
[0059] (1)对于任意一个被监测的子管道，设其共有m个监测截面，编号按顺序分别为1、 2…m;相邻监测截面之间的距离均相等，为h;子管道的直径为D;
[0060] 每一个监测截面的上母线、下母线、左母线和右母线位置分别布置一台光纤光栅 传感器，即；每一个监测截面设置4个监测点；
[0061] (2)计算监测截面i的挽度导数值：
[0062] 对于监测截面i，同时接收4个监测点分别上传的下母线处实时应变值ε1ST、上 母线处实时应变值、左母线处实时应变值Euf和右母线处实时应变值
[0063] 然后，读取存储子模块，判断光纤光栅传感器安装方式，如果为焊接安装形式，贝U 通过公式（34) (25)，将ε1ST转化为修正后的下母线处应变值εitT，将ε化为修正后 的上母线处应变值εεuE转化为修正后的左母线处应变值εIts、ε转化为修正后 的右母线处应变值εitt;
[0064] 然后，对εit左和εit右进行综合计算，得到修正后的轴线处应变值εw由；
[0065] 将ε 代入下式，求得监测截面i挽度导数值：
[0066] W'i=入iSin白i= (εit轴+1)sin白i(7)
[0067] 其中，w' 1为监测截面i挽度导数值；
[0068] Θ1为监测截面i相对于y轴的绝对转角Θ1，Θ1为监测截面i之前本子管道中所 有监测截面的