专利名称：基于应变的高风险区管道本体应力监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种基于应变的高风险区管道本体应力监测系统。涉及管道系统技 术领域。
背景技术：
管道在运营管理过程中的安全受到很多管道经过的高风险区的影响，其中影响最 严重的高风险区之一是恶劣地质环境，受洪灾、滑坡、地震、悬空、冲刷等地质环境以及地貌 变化、非法的管道占压等的影响，管道本体安全受到很大的威胁。其中主要的影响就是管道 本身的受力状况发生了改变，使管道局部应力急剧增大，严重时造成管道应力或应变失效， 导致破坏，从而发生管道事故。在管道运输历史中，地质灾害曾多次造成管道事故。美国威廉姆斯天然气管道 公司在1995年至1999年之间由于地质灾害共引起5起管线事故在1997年华盛顿地区 Kalama附近，滑坡引起26英寸管道干线事故，造成大面积断裂、移位；1999年华盛顿North Bonneville附近，滑坡引起的26英寸管道干线事故，引起管道多处被拉断、周围水工全部 被毁。欧洲天然气管道事故数据小组(EGIG)调查的1970年到2001年的西欧管道事故中，
是由地质灾害导致的；美国交通部统计的1984年到2001天然气输送数据表明，8. 5%的 事故是由地质灾害引起的。分析我国油气管道的分布区域和该区域的地理地质条件，不难看出，目前国内管 道面临的地质灾害类型主要有一、地壳内部构造变化引起的地质灾害，(如地震、地面塌 陷(沉降)、地裂缝、断裂灾害等)；二、地壳外部环境突变造成的地质灾害(如滑坡(塌)、 泥石流、洪水冲蚀、沙埋、风蚀等)；三、特殊土体导致的地质灾害(如湿陷性黄土、膨胀土、 盐渍土、多年冻土等)。其中已建的格拉管道就穿越青藏高原构造裂缝带，西南成品油管道 穿越川滇断层带，而在西气东输工程的东段江苏、河南两省境内也有地裂缝分布。西气东输 工程中大部分都处于黄土高原地段。流动沙丘(垄)移动性极强，移动方向与管道垂直。如 果管道覆土被风吹走，就会造成管道裸露悬空，若超过管道挠曲强度，管道就会折断。经过 对管道受力计算结果表明当管道悬空长度超过临界值后，在多重应力作用下将使管道材 料失效、产生裂纹、甚至拉断。构造裂缝可能横穿管道，可以对管道产生明显的牵拉作用，严 重的可以造成开裂破坏、缩短管道寿命，影响管道运营管理。面对众多的管道地质灾害，我国的管道运营公司经常采取积极的工程治理措施， 但这些措施也存在一些弊端，首先是成本高，其次是防治工程也并非“一劳永逸”，设计 施工的不确定因素较多，再者治理的周期长。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。 Williams公司针对Northwest Pipeline滑坡问题引起的多起事故，提出了一套基于管道 应力应变监测的全管道安全评价和治理体系。意大利SNAM公司将监测管道作为防治滑坡 灾害的主要方式，他们对管道进行了长达三十年的监测，成功避免了大量的管道事故。电阻式应变计、弦振式应变计和分布式光纤传感技术(以B0TDR为代表)在管道 监测已有一定的应用。上述这些监测方式局限于对致灾体或管道进行独立监测，还未对地
3质灾害影响下的管道进行系统的联合监测。基于光纤光栅传感技术，已经被应用在对滑坡 及其影响下的管道进行联合监测，监测内容包括滑坡对管道的推力监测及管道应变监测， 以及滑坡表部位移和深部位移的监测。但是，基于光纤光栅传感技术目前只应用在对滑坡 灾害的监测中，对其它地质灾害的监测还没有应用。基于应变的高风险区管道本体安全状态监测预警方法和系统，能够对受洪灾、滑 坡、地震、悬空、冲刷等各种形式的地质灾害影响下的管道开展管道本体力学性能安全状态 的监测，从本质上确保管道安全。不仅能够判断高风险区灾害的活动情况、发育发展规律、 破坏机理，还能查明灾害对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道的应力位 移变化规律，判断管道的安全等级。综合以上的信息，就能对管道滑坡进行安全预警，提前 预报管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。基于应变的高风险区管道本体安 全状态监测预警方法和系统，代表了管道受高风险区灾害影响监测的趋势。本公司此前申请了“滑坡对管道影响的监测预警方法和系统”(申请号为 200810119556. 7)、“管道滑坡表部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法”(申请号 为200810119558. 6)、“管道滑坡深部位移监测预警方法和系统及系统的构建方法”(申请 号为200810119557. 1)和“管道滑坡监测预警方法和系统及系统的构建方法”(申请号为 200810119558. 6)多件发明专利。上述申请主要围绕滑坡对管道的影响，表部和深部滑坡位 移监测和预警的方法，以及监测和预警系统的构建方法。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种空间分辨率高、成本低的基于应变的高风险区管道 本体安全状态监测预警系统。本实用新型提出一种基于应变的高风险区管道本体安全状态监测预警系统，通过 管道力学监控系统对管道本体力学性能实时监测，采用GPRS远程无线传输技术将监测信 号及时反馈到监控中心，对管道应力状况进行多维计算，实现危险快速预警和安全状态评 价。本基于应变的高风险区管道本体应力监测系统的构成如图4所示，它由应变片、 电位平衡解调仪、多通道应变采集器、数据转换器、自动采集箱、GPRS传输模块、GPRS接收 模块、下位计算机和报警器组成。所有应变片和电位平衡解调仪的输出接多通道应变采集 器，多通道应变采集器的输出接数据转换器，数据转换器的输出接自动采集箱，自动采集箱 的输入、输出与GPRS传输模块连接，GPRS传输模块的输入、输出与GPRS接收模块连接，GPRS 接收模块的输入、输出与下位计算机连接，下位计算机输出与报警器连接。多通道应变采集器测量各个通道收集到的应变片的电阻变化，将其转变为电信 号；电位平衡解调仪测量的电压读数值1000士 100mV ；数据转换器将各个通道电信号转变 为数字信号；数据转换器输出接的自动采集箱控制数据采集时间和次数，将监测量发送给 GPRS传输模块，并接受GPRS传输模块的信号进行控制，如果接收终端关闭，则采集到的信 号自动保存在自动采集箱的内存里；GPRS传输模块将自动采集箱得到的各监测量通过公 众无线通信网络传输到位于办公室的接收终端，也可接收接收终端的信号，发送给下位计 算机；下位计算机下载终端GPRS接收模块的信号，并调用程序进行自动计算和分析，得出 管道轴向应力、环向应力、最大主应力、剪切应力等各应力值；将分析结果与报警阀值进行对比，由显示器显示并由报警器报警。其中应变片是在管道上沿周向布置多个测点(见图1)，每个测点安装应变片(见图 2)，应变片的布置为轴向应变片4和环向应变片成直角状，45°应变片5位于直角的45°线 上(见图3)；还有通常都配用的温度补偿应变片(每个测点应变花连接一个)粘贴在与管 道相同材料的基底材料上；多通道应变采集器 用于测量各个通道收集到的应变片的电阻变化，将其转变为 电信号；数据转换器用于将各个通道电信号转变为数字信号；自动采集箱用于控制数据采集时间和次数，将监测量发送给GPRS传输模块，并 接受GPRS传输模块的信号进行控制，如果接收终端关闭，则采集到的信号自动保存在自动 采集箱的内存里；GPRS传输模块用于将自动采集箱得到的各监测量通过公众无线通信网络传输 到位于办公室的接收终端，也可接收接收终端的信号，发送给下位计算机；位于办公室的接收终端包括如下3个部分1) GPRS接收模块用于接收现场监测站GPRS传输模块发送的监测量，并传输给终 端下位计算机，也可给现场GPRS传输模块发送反馈指令；2)下位计算机及程序，用于下载终端GPRS接收模块的信号，并调用程序进行自动 计算和分析，得出管道轴向应力，环向应力，最大主应力，剪切应力等各应力值；将分析结果 与报警阀值进行对比，必要的时候实施报警，程序自编；3)报警器，用于分析结果超过报警阀值是，发生声音警示信号；报警器由下位计 算机及程序控制。基于应变的高风险区管道本体应力监测预警系统的电原理如图5所示，电阻应变 片的PC接头接DH3816动态应变仪(即多通道应变采集器)的PC接头，同时电位平衡解调 仪的CHl端也接DH3816动态应变仪的PC接头；动态应变仪的PC接头与A/D转换器的PC 接头连接，A/D转换器的LAN接口与DH3816数据采集箱(即自动采集箱)的LAN接口连 接，DH3816数据采集箱的R232与GPRS传输模块的R232连接，GPRS传输模块的GSM系统接 GPRS网络，GPRS网络接GPRS传输模块的GSM系统，GPRS传输模块的R232与下位计算机的 R232连接，下位计算机的R232接DS7400报警器。本实用新型可应用在油气管道站场、炼厂、油田采油管网及长输干线管道的本体 缺陷快速检测和定位上，为缺陷的检测和修复等工作实施奠定基础。该技术的应用将最大 限度的增加管道运行管理的科学性，提高管道完整性管理水平，降低管道运行风险，降低事 故率，减少人民生命财产的损失，以科技手段维护管道安全。具有很高的应用前景和经济效 益，社会效益亦十分显著。
图1测点布置断面图图2应变片的贴片定位图3应变片布置图[0028]图4管道应变监测系统原理框图图5管道应变监测系统电原理图其中I-环向线2-轴向线3-应变片4-轴向应变片5-45°应变片 6-环向应变片
具体实施方式
实施例.本例是一试验系统，并在某一成品油管道上开展试验。基于应变的高风险区管道本体安全状态监测预警系统的构成如图4所示，电阻应变片的PC接头接DH3816动态应变仪的PC接头，同时电位平衡解调仪的CHl端也接DH3816 动态应变仪的PC接头；动态应变仪的PC接头与A/D转换器的PC接头连接，A/D转换器的 LAN接口与DH3816数据采集箱的LAN接口连接，DH3816数据采集箱的R232与GPRS传输模 块的R232连接，GPRS传输模块的GSM系统接GPRS网络，GPRS网络接GPRS传输模块的GSM
系统，GPRS传输模块的R232与下位计算机的R232连接，下位计算机的R232接DS7400报
mm
θ -η - ο多通道应变采集器测量各个通道收集到的应变片的电阻变化，将其转变为电信 号；电位平衡解调仪测量的电压读数值1000士 IOOmV ；数据转换器将各个通道电信号转变 为数字信号；数据转换器输出接的自动采集箱控制数据采集时间和次数，将监测量发送给 GPRS传输模块，并接受GPRS传输模块的信号进行控制，如果接收终端关闭，则采集到的信 号自动保存在自动采集箱的内存里；GPRS传输模块将自动采集箱得到的各监测量通过公 众无线通信网络传输到位于办公室的接收终端，也可接收接收终端的信号，发送给下位计 算机；下位计算机下载终端GPRS接收模块的信号，并调用程序进行自动计算和分析，得出 管道轴向应力、环向应力、最大主应力、剪切应力等各应力值；将分析结果与报警阀值进行 对比，由显示器显示并由报警器报警。基于应变的高风险区管道本体应力监测预警系统的电原理如图5所示，电阻应变 片的PC接头接DH3816动态应变仪(即多通道应变采集器)的PC接头，同时电位平衡解调 仪的CHl端也接DH3816动态应变仪的PC接头；动态应变仪的PC接头与A/D转换器的PC 接头连接，A/D转换器的LAN接口与DH3816数据采集箱(即自动采集箱)的LAN接口连 接，DH3816数据采集箱的R232与GPRS传输模块的R232连接，GPRS传输模块的GSM系统接 GPRS网络，GPRS网络接GPRS传输模块的GSM系统，GPRS传输模块的R232与下位计算机的 R232连接，下位计算机的R232接DS7400报警器。其中应变片是在管道上沿周向布置8个测点(见图1)，每个测点安装应变片(见图2)， 应变片的布置为轴向应变片4和环向应变片成直角状，45°应变片5位于直角的45°线上 (见图3)；按常规配用的温度补偿应变片(每个测点应变花连接一个)粘贴在与管道相同 材料的基底材料上；动态应变仪(多通道应变采集器)选用DH3816 (60通道)动态应变测量系统；数据转换器选用市销产品；电位平衡解调仪选用市销产品；[0042]数据采集箱(即自动采集箱)选用DH3816 ；GPRS传输模块选用西门子MC35i ；下位计算机选联想开天M4600 ；报警器选用DS7400。多通道应变采集器、数据转换器、自动采集箱、GPRS传输模块安装在现场监测站。GPRS接收模块、下位计算机及程序、报警器作为接收终端安装在办公室。本例经多次试验测试，其空间分辨率高、成本低，它的应用最大限度的增加了管道 运行管理的科学性，提高了管道完整性管理水平，降低管道运行风险，降低事故率，减少人 民生命财产的损失，以科技手段维护管道安全。
权利要求一种基于应变的高风险区管道本体应力监测系统，其特征是它由应变片、电位平衡解调仪、多通道应变采集箱、数据转换器、自动采集箱、GPRS传输模块、GPRS接收模块、下位计算机和报警器组成；所有应变片和电位平衡解调仪的输出接多通道应变采集箱，多通道应变采集箱的输出接数据转换器，数据转换器的输出接自动采集箱，自动采集箱的输入、输出与GPRS传输模块连接，GPRS传输模块的输入、输出与GPRS接收模块连接，GPRS接收模块的输入、输出与下位计算机连接，下位计算机输出与报警器连接；多通道应变采集器测量各个通道收集到的应变片的电阻变化，将其转变为电信号；电位平衡解调仪测量的电压读数值1000±100mV；数据转换器将各个通道电信号转变为数字信号；数据转换器输出接的自动采集箱控制数据采集时间和次数，将监测量发送给GPRS传输模块，并接受GPRS传输模块的信号进行控制，如果接收终端关闭，则采集到的信号自动保存在自动采集箱的内存里；GPRS传输模块将自动采集箱得到的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接收终端，接收接收终端的信号，发送给下位计算机；下位计算机下载终端GPRS接收模块的信号，并调用程序进行自动计算和分析，得出管道轴向应力、环向应力、最大主应力、剪切应力各应力值；将分析结果与报警阀值进行对比，由显示器显示并由报警器报警。
2.根据权利要求1所述的基于应变的高风险区管道本体应力监测系统，其特征是该系 统的电原理为电阻应变片的(PC)接头接DH3816动态应变仪的(PC)接头，同时电位平衡 解调仪的(CHl)端也接DH3816动态应变仪的(PC)接头；动态应变仪的(PC)接头与A/D转 换器的(PC)接头连接，A/D转换器的(LAN)接口与DH3816数据采集箱的(LAN)接口连接， DH3816数据采集箱的R232与GPRS传输模块的R232连接，GPRS传输模块的GSM系统接GPRS 网络，GPRS网络接GPRS传输模块的GSM系统，GPRS传输模块的R232与下位计算机的R232 连接，下位计算机的R232接DS7400报警器。
3.根据权利要求1所述的基于应变的高风险区管道本体应力监测系统，其特征是应变 片是在管道上布置多个测点，每个测点安装应变片，应变片的布置为轴向应变片(4)和环 向应变片成直角状，45°应变片(5)位于直角的45°线上。
专利摘要本实用新型是一种基于应变的高风险区管道本体应力监测系统。涉及管道系统技术领域。它由应变片、电位平衡解调仪、多通道应变采集箱、数据转换器、自动采集箱、GPRS传输模块、GPRS接收模块、下位计算机和报警器组成；所有应变片和电位平衡解调仪的输出接多通道应变采集箱，多通道应变采集箱的输出接数据转换器，数据转换器的输出接自动采集箱，自动采集箱的输入、输出与GPRS传输模块连接，GPRS传输模块的输入、输出与GPRS接收模块连接，GPRS接收模块的输入、输出与下位计算机连接，下位计算机输出与报警器连接。本实用新型空间分辨率高、成本低。
文档编号G08C17/02GK201561826SQ200920246758
公开日2010年8月25日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者伍炎, 佟文强, 冼国栋, 刘桂春, 王禹钦, 王维斌, 马廷霞 申请人:中国石油天然气股份有限公司