基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测方法及系统

1.本发明涉及石油石化油罐安全监测领域，尤其涉及一种基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测方法及系统。


背景技术：

2.炼油化工企业目前使用的油罐、立罐大多位于地面之上，属于重大危险源，存在泄漏着火、爆炸的风险，一旦发生火灾将带来毁灭性灾难。为了缩小油罐存放间距、降低安全风险，提出油罐覆土的方法，即将油罐安装在地面上以后，在其周围采用土壤进行填埋、覆盖和夯实。然而，覆土后的油罐受土壤压力较大，罐体有可能因发生变形导致泄漏。因此，对覆土后的油罐安全进行监测显得尤为重要。
3.由于油罐发生泄漏时，泄漏点温度会发生变化，通过检测温度的变化即可准确判断油罐泄漏点。现有油罐泄漏监测技术大多采用分布式光纤测温方法，该技术可以判断当前油罐的泄漏状态，但定位精度有限，响应速度慢，无法同时满足大容量、高密集检测需求。相比于分布式光纤传感技术，光栅阵列传感技术在泄漏监测上可以同时实现大容量、高密集、高精度测量需求，并且可以实现超长距离的监测。对于多个罐体的监测需求，可以通过大规模组网方式来实现，光栅阵列传感光纤感知温度空间分辨率可以达到10厘米，定位精度极高，非常适合油罐泄漏检测全时、全域的需求。
4.既有专利将分布式光纤敷设在内罐与外罐罐壁之间，利用lng储罐泄漏时温度迅速下降这一特点，对lng储罐进行泄漏监测。但其使用的分布式光纤属于局部测温，定位精度较差，且响应速度较慢。不能很好地满足高效泄漏监测系统的需求。
5.既有专利采用液位计、管内温度计、压力传感器和油气浓度传感器作为采集单元，根据多种数据样本对比，在发生泄漏以后，分析数据趋势来判断油罐是否发生泄漏。但需要大量数据作为采集样本，在前期准备工作上投入较大，并且根据多种参数对比计算，进行趋势分析才能得到泄漏状态，实时性相对较差。
6.既有专利采用光栅阵列传感光缆作为采集单元，来实现对油罐的泄漏监测，在光缆安装完毕后，能够对覆土的罐体进行监测。虽然其使用到了光栅阵列传感技术，但其在传感光缆结构上未加描述，未考虑光栅阵列温度传感光缆受到土壤压力给测量带来的影响，从而使得温度测量不够准确，进而无法准确定位罐体泄漏点和影响测量的实时性，最终导致误报。
7.综上所述，目前还没有一种较为有效的方法来实现对覆土后的油罐进行全方位的泄漏检测。


技术实现要素：

8.本发明针对目前油罐泄漏监测技术无法同时满足长距离、大容量、高精度和高密集要求，很容易造成定位不准确或高误报率等不足，严重威胁覆土油罐的运行安全，提供一种免受土壤压力和剪切力的影响，测量精度高，定位精准的基于光栅阵列传感技术的覆土
油罐泄漏监测方法及系统。
9.本发明所采用的技术方案是：
10.提供一种基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测方法，包括以下步骤：
11.在油罐覆土之前，将光栅阵列温度传感光缆敷设在油罐罐体外表面，该光栅阵列温度传感光缆的横截面为圆弧形，且与油罐罐体外表面接触面为平面；
12.在光栅阵列温度传感光缆的外部采用弧形不锈钢卡箍进行二次固定和保护；
13.通过传输光缆将光栅阵列温度传感信号连接至光栅阵列解调仪；
14.光栅阵列解调仪对光栅阵列温度传感信号进行解析，并将解析的波长信息发送给计算机进行分析处理，实现对覆土油罐全域测点的泄漏状态进行实时监测。
15.接上述技术方案，光栅阵列温度传感光缆内包括光栅阵列温度传感光纤，光栅阵列温度传感光缆内填充导热油，该光栅阵列温度传感光纤采用不锈钢管进行保护，不锈钢套管外径为2mm，不锈钢管内部填充光纤油膏。
16.接上述技术方案，光栅阵列温度传感光缆内部两侧各设有外径为4mm的金属铠装保护层，顶部设有外径为3mm的金属铠装保护层，金属铠装保护层由两层镀锌钢丝正反方向绞合而成，且其外径为光栅阵列温度传感光纤保护管外径的1.5～2倍。
17.接上述技术方案，在罐体表面沿光缆敷设路径涂刷环氧树脂胶，将光栅阵列温度传感光缆紧密地粘接在油罐罐体外表面。
18.接上述技术方案，光栅阵列温度传感光缆在油罐罐体外表面敷设完成后，再采用不锈钢卡箍间隔一定的距离对光栅阵列温度传感光缆进行紧固。
19.接上述技术方案，不锈钢卡箍每间隔1m安装一个，对光栅阵列温度传感光缆进行二次加固。
20.接上述技术方案，不锈钢卡箍为弧形，且其两端有水平固定面，不锈钢卡箍和罐体都是金属，水平固定面采用专用的金属固化胶进行紧固，避免焊接。
21.接上述技术方案，光栅阵列温度传感光缆外护套为新型乙丙橡胶材料，，具有良好的柔韧性。
22.接上述技术方案，光栅阵列温度传感光缆从油罐底部环绕至油罐顶部，且光栅阵列温度传感光缆尾部与油罐顶部设置的光纤接续盒连接，然后通过传输光缆将信号传输至光栅阵列解调仪。
23.本发明还提供一种基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测系统，包括：
24.光栅阵列温度传感光缆，敷设在油罐罐体外表面，其横截面为弧形，且与油罐罐体外表面接触面为平面；光栅阵列温度传感光缆与油罐罐体外表面采用环氧树脂胶进行粘接；外部采用弧形不锈钢卡箍与油罐罐体进行固定；
25.光栅阵列解调仪，通过传输光缆与光栅阵列温度传感光缆连接，对光栅阵列温度传感光缆的信号进行解析，并将解析的波长信息发送给计算机进行分析处理，实现对覆土油罐全域测点的泄漏状态进行实时监测。
26.本发明产生的有益效果是：针对球形罐体结构特点，本发明采用底部扁平型光栅阵列温度传感光缆结构设计，配合柔性材料，有利于传感光缆与球形罐体表面贴合紧密，确保罐体表面温度测量的准确性；传感光缆上半部呈弧形设计，内部采用金属铠装层和不锈钢套管对传感光纤进行保护，有利于减少或避免土壤压力和剪切力对传感光纤受外力影
响，从而确保温度测量的准确性；
27.进一步地，光缆内部填充光纤油膏以及导热油，有利于提高热传导效率，进而提高系统的响应速度；采用环氧树脂胶对光缆进行固定，配合不锈钢卡箍光缆进行二次固定，确保产品安装的可靠性，同时达到安装便捷的目的，避免焊接损伤罐体。
附图说明
28.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
29.图1为本发明实施例基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测系统结构示意图；
30.图2为本发明实施例光栅阵列温度传感光缆结构示意图；
31.图3为本发明实施例光栅阵列温度传感光缆固定示意图；
32.图4为本发明实施例光栅阵列温度传感光缆安装在油罐上的示意图；
33.图5(a)、5(b)为本发明实施例光栅阵列温度传感光缆温度变化曲线图；
34.图6为本发明实施例覆土油罐泄漏判定算法流程图。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.本发明实施例基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测方法主要包括以下步骤：
37.s1、在油罐覆土之前，将光栅阵列温度传感光缆敷设在油罐罐体外表面；
38.s2、在光栅阵列温度传感光缆的外部采用弧形不锈钢卡箍进行固定和保护；
39.s3、通过传输光缆将光栅阵列温度传感信号连接至光栅阵列解调仪；光栅阵列解调仪对光栅阵列温度传感光缆的信号进行解析，并将解析的波长信息发送给计算机进行分析处理，实现对覆土油罐全域测点的泄漏状态进行实时监测。
40.其中，本发明的光栅阵列温度传感光缆为特殊定制的底部扁平型的光栅阵列传感光缆，其横截面上半部为圆弧形，且与油罐罐体外表面接触面为平面。光栅阵列温度传感光缆与油罐罐体外表面可首先采用环氧树脂胶进行粘接固定；再在光栅阵列温度传感光缆的外部采用弧形不锈钢卡箍进行二次固定和保护。
41.光栅阵列温度传感光缆中设置的传感光栅间距为10cm，对覆土油罐进行全时、全域监测。定制的光栅阵列传感光缆卡箍在光栅阵列传感光缆进行敷设时，方便对其进行固定、安装。
42.如图1所示，本发明的基于光栅阵列传感技术的覆土油罐泄漏监测系统，包括：
43.光栅阵列温度传感光缆401，敷设在油罐罐体外表面，其横截面上半部为半圆弧面，且与油罐罐体外表面接触面为平面；外部采用半圆形不锈钢卡箍与油罐罐体进行固定；
44.光栅阵列解调仪404，通过传输光缆403与光栅阵列温度传感光缆401连接，对光栅阵列温度传感光缆的信号进行解析，并将解析的波长信息发送给计算机405进行分析处理，实现对覆土油罐全域测点的泄漏状态进行实时监测，进而判断覆土油罐的泄漏状态。
45.在油罐的顶部可以设置光纤接续盒402，通过传输光缆403将多根被测油罐上的光栅阵列传感光缆401进行汇聚。光栅阵列解调仪404通过传输光缆403将现场采集到的传感器信息进行解调。计算机405和光栅阵列解调仪404连接，对解调后的波长数据进行分析、处理并保存，得到所有监测点的温度、位置等相关信息并显示。
46.进一步地，本专利以监测单个油罐为例，若需要监测多个油罐，使用多根光栅阵列温度传感光缆，最终通过光纤接续盒汇聚即可。
47.如图2是用于泄漏检测的扁平型光栅阵列温度传感光缆截面图，考虑到待测油罐为圆形球体，为确保传感光缆与油罐待测表面紧密贴合，进而提高温度传导效率，采用扁平状的结构和新型乙丙橡胶外保护套对光栅阵列传感光纤进行封装，由于相同最大尺寸情况下，圆形能够提供空间最大化，并且圆形的受力最为均匀最能够对抗外界压力，而圆弧是圆形的一部分，为减少土壤对传感器的剪切力的影响，光缆上半部分可设计为半圆弧形。
48.光栅阵列温度传感光缆内包括光纤光栅阵列温度传感光纤105，该光纤光栅阵列温度传感光纤外部套设不锈钢套管保护层103。不锈钢套管保护层103外径尺寸是光纤外径的若干倍，主要是为了进一步对保护光纤免受外力的影响，不锈钢套管外径为2mm，两者之间填充光纤油膏106，主要是为了加快温度传递速度的同时防止潮气侵蚀；101外保护套内部填充导热油104，其主要作用是加快温度传递的速度，提升光栅阵列传感器测量温度的准确性以及响应的及时性。光纤光栅阵列温度传感光纤105具有极高的空间分辨率，其传感器之间的间距达到10cm，可对覆土油罐进行全时、全域监测，可以有效地扑捉到罐体微小泄漏带来的温度变化，从而准确定位泄漏点。
49.进一步地，光栅阵列温度传感光缆外部设有保护套101，主要由新型乙丙橡胶材料构成，此材料具备耐热、耐冷、耐腐蚀、耐老化等特点，且在低温下仍能保持良好的柔韧性，特别适合球形罐体的敷设安装。光栅阵列温度传感光缆202采用扁平型结构设计，有利于传感光缆与球形罐体表面贴合紧密，从而提高热传导效率，使得测量更加精确，方便与球形罐体表面进行敷设、粘贴；外护套采用柔韧性较高的材料也是为了便于光缆沿球罐表面敷设。
50.光栅阵列温度传感光缆截面呈半圆弧形设计，由于相同最大尺寸情况下，圆形能够提供空间最大化，并且圆形的受力最为均匀最能够对抗外界压力，而圆弧是圆形的一部分，有利于减少或消除土壤对光缆的剪切力，从而确保感温光缆免受外界大应力影响，进而提高测温的准确性；光栅阵列温度传感光缆保护套101内两侧设有外径为4mm的金属铠装保护层102，金属铠装保护层102由两层镀锌钢丝正反方向绞合而成，在光缆中可以起到热胀冷缩作用，对光纤起到防张拉、抗剪切力的作用，同时提高光缆的承载能力；顶部设有外径为3mm的金属铠装保护层102，防止两侧4mm外径的金属铠装保护层挤压传感光纤；金属铠装保护层的直径大于传感光纤外保护管外径，目的是减少外界土壤压力对光纤光栅的应力作用，提高测量的准确度。
51.在光栅阵列传感光缆进行敷设安装时，在罐体表面按照敷设路径涂刷环氧树脂胶，然后将传感光缆沿设计路径进行粘接。
52.如图3所示，在光缆敷设完毕后，考虑到覆土后土壤的剪切力影响传感光缆的固定强度，采用不锈钢卡箍201间隔一定的距离再次对光缆进行紧固。卡箍所用材质是不锈钢，每间隔1m安装一个，主要作用在于对光栅阵列温度传感光缆进行二次加固。半圆形不锈钢卡箍201是由不锈钢材料制成，上半部分设计为半圆形，其两端有水平固定面203，方便使用
专用的金属固化胶与油罐表面进行紧固，表面罐体表面焊接。
53.如图4所示，该实施例中，光栅阵列温度传感光缆从罐底向罐顶敷设，采取环绕的方式敷设至罐顶。采用一根高密集光栅阵列温度传感光缆301沿待测油罐罐体302表面进行敷设，并使用不锈钢卡箍201固定装置对光栅阵列传感光缆进行固定，每间隔1m在光缆上方安装一套不锈钢卡箍201，确保光缆紧密敷设在罐体表面。此安装方式方便光栅阵列温度传感光缆尾部与罐顶光纤接续盒402进行连接，然后通过传输光缆403将信号传输至光栅阵列解调仪404。
54.在光栅阵列温度传感光缆紧密敷设在待测油罐罐体表面后，对整个油罐进行覆土，覆土完毕以后，对光栅阵列温度传感光缆尾部与传输光缆焊接，并使用光纤接续盒进行保护。
55.将传输光缆连接至光栅阵列解调仪，对现场采集到的信息进行解调。计算机与光栅阵列解调仪连接，将解调后的数据进行分析和处理，得到覆土油罐泄漏的实时监测信息。根据传感器数据信息，获取所有传感器瞬时状态以及单个传感器的趋势状态。持续判断各个传感器的温度趋势是否发生较大变化，若不是，则继续监测，若是，则锁定发生变化的传感器编号以及物理位置；
56.如图5(a)所示，标号501是所有光栅阵列传感器某一个时刻的状态，图5(a)的横坐标是传感器的编号及物理位置，纵坐标是温度；如图5(b)所示，标号503的传感器一段时间的趋势图，图5(b)的横坐标是时间，纵坐标是温度。
57.可以发现在发生泄漏时，标号502处一部分传感器温度急剧降低，判定502处这些传感器疑似发生泄漏，定位变化趋势最大的传感器，找到此传感器的503趋势图，并记录发生趋势变化的时间节点以及位置信息；根据传感器位置信息，迅速定位至发生趋势变化的传感器所在区域，判断附近传感器是否受到影响。
58.如图6所示，对比周围若干传感器是否发生温度变化，若不发生变化，则记录异常，并继续监测，若发生温度变化，判断发生温度变化的传感器的趋势图之间的趋势相似度；在周围传感器发生趋势变化的情况下，其他传感器采取温度差值对比以及比例对比，来判断相似度情况。
59.当相似度超过阈值时，记录此次泄漏信息，并直接开启预警功能、通知管理员并记录日志。
60.若相似度没有达到泄漏要求，则继续对比局部多个传感器的趋势状态，若这些传感器的趋势判定为疑似泄漏状态超过一定时间，开启预警功能、通知管理员并记录日志。若其他传感器未超过时间变化趋势，不满足预警要求，则记录异常日志，并通知管理员。
61.若出现单个传感器疑似泄露状态，但不满足预警要求，记录异常信息，并通知管理员进行观察。
62.本发明与传统的分布式光纤传感技术相比，光栅阵列传感技术可以同时实现大容量、高密集、高精度的测量需求，并且可以实现超长距离的监测，其空间分辨率可以达到10厘米，对覆土油罐进行全时、全域监测，可以有效地扑捉到罐体微小泄漏带来的温度变化，从而准确定位至泄漏点，非常适合油罐泄漏监测高密集要求。
63.本发明采用扁平型光栅阵列温度传感光缆结构设计，有利于传感光缆与球形罐体表面贴合紧密，从而提高热传导效率，使得测量更加精确，便于在油罐上进行安装；传感光
缆上半部呈弧形设计，内部采用金属铠装层和不锈钢套管对传感光纤进行保护，有利于减少或避免土壤压力和剪切力对传感光纤受外力影响，从而确保温度测量的准确性；光缆内部填充光纤油膏以及导热油，有利于提高热传导效率，进而提高系统的响应速度；采用环氧树脂胶对光缆进行固定，配合不锈钢卡箍光缆进行二次固定，确保产品安装的可靠性。进一步地，本发明采用专用金属固化胶代替焊接，在不影响油罐结构本身的同时，通过定制不锈钢卡箍二次固定光缆，保证扁平型光栅阵列温度传感光缆敷设的可靠性。通过光栅阵列温度传感光缆监测有无温度变化，根据温度变化量大小以及传感器瞬时状态和传感器局部趋势状态的变化量，来监测覆土油罐是否发生泄漏，并采取几种避免漏判的方法，达到泄漏监测更精确，响应更及时的效果。
64.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。