一种油气管道山洪灾害监测方法
【专利摘要】本发明是一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测方法，涉及线速度的测量、液位的测量、机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统【技术领域】。其流程为：山洪水情和管道分别进行水位监测、流速监测和管线涡激振动监测；波长信号的解调、采集、预处理；信号的远程传输与接收；信号的进一步分析与处理；洪峰流量变化动态显示、管线涡激振动频率动态显示；山洪洪峰流量预报、管线疲劳状态分析；山洪预报、管道安全预警。本发明空间分辨率高、成本低、安全有效。
【专利说明】一种油气管道山洪灾害监测方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测方法，涉及线速度的测量、液位的测量、机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002]山洪灾害是指山丘地区由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡灾害。随着近年来全球气候变暖导致极端天气异常，几十年不遇甚至百年不遇的暴雨时有发生。我国中小河流众多，流域面积在100?IOOOkm2的河流有5万多条；同时我国地处东亚季风区，山丘区暴雨频发，沟壑纵横、地形地质条件复杂，再加上人类工程活动(乱砍滥伐、开山削坡、水利灌溉)的日益加剧，对原始地形、地貌形成较大的扰动破坏，导致山洪灾害发生频繁。
[0003]长输油气管道与铁路、公路等一样，是典型的线型工程，这些线型工程不可避免地受到河流、沟道的影响，如冲刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蚀和河流改道；在地形起伏的地区，这些工程还受到流水所致的坡面侵蚀的影响，如坡面水土流失所致地表塌陷、管沟掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山区及山前区中小河流，因河道坡降较大而引发的汇水面积大、水流急、冲刷剧烈等，使河床常常暴露出基岩、卵砾石及漂石。在这类河道中敷设管道时，管道若没有嵌固于稳定的基岩内或在埋深不够时，一旦山洪暴发，表层这些块石及漂石在高速水流作用下一起运动，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，即管跨段。在一定条件下，水流流经管线时，管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，使管线受到一个顺流向的波动阻力和垂直于流向的波动升力，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响洪水作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。
[0004]洪水灾害给我国油气管道工业带来了巨大的风险和损失。如黄土高原的马惠宁管道，建成投产后洪水灾害不断出现，曾数次发生悬空、断管事故。西北地区的涩宁兰输气管道山洪灾害亦很频繁，经常造成管道外露和悬空。2004年7月，青海省乐都地区突降大雨，石头沟暴发山洪，汹涌的洪水将管线冲出，使管道呈裸管悬空的状态，洪水夹带的大漂石强烈冲击管道。2010年7月，忠武管道榔坪地区遭遇强降雨袭击。暴雨使榔坪河洪水暴涨，沿河道敷设的忠武管道多处出现险情，其中两处管道长距离漂管，一处露管，另有30多处水工保护挡墙被冲毁。2010年8月，四川德阳石亭江洪水暴涨，导致河堤被冲毁，出现大面积溃堤，造成兰成渝管道某支线悬空400m，完全暴露于水流冲刷之下。2011年3月，西气东输二线呼图壁县黑娃山沟发生洪水，造成该段冲沟底部下切，约140m管道被冲出，发生管线露空漂浮，情况危急。
[0005]面对众多的中小流域山洪灾害，我国管道运营公司经常采取积极的水工保护工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。
[0006]目前，我国中小河流山洪监测预警技术还处于起步阶段，由于大部分中小河流站网密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有强度大、历时短、难预报等特点。传统的山洪灾害水情监测多采用机械式或电磁式传感器，对于前者，其技术相对成熟，常见的有浮子式水位计、差压式水位计、机械转子式流速计等，但由于受机械结构自身限制，其测量误差大、精度低；对于后者，常见的有雷达式液位计、超声波流速仪、声学多普勒流速仪等，测量精度较高、使用简便，但成本高，且易受电磁波干扰。另外，对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻胀融沉、活动发震断层等大规模土体移动作用下埋地管道的安全监测更多的关注于对管体应力应变的监测，而山洪作用下管道的破坏方式主要表现为流固耦合效应引起的涡激振动导致管道发生疲劳失效，单纯的监测管体应力应变已不能满足山洪作用下管道安全防护的要求。对于金属构件的振动监测，传统的机械式、电类振动传感器(如压电、磁电和电涡流式等)存在灵敏度低、测量范围小、传输距离近以及材料缺陷等缺点，不适用于大型工程的长期远程实时监测。近几年兴起的分布式光纤传感技术(以BOTDR为代表)在机械振动监测方面已有一定的应用，但尚未见到将光纤光栅技术应用于山洪作用下管线涡激振动监测的报道。
[0007]当前山洪灾害监测预警技术多应用于公路、铁路、电站、大坝等工程及城镇防洪体系建设，还未对山洪及其影响下的埋地油气管道进行系统的联合监测。开展管道山洪灾害联合监测，不仅能超前判断山洪形成前的水位、流速及洪峰流量，还能查明水流冲刷对管道的影响方式和程度，更重要的是能掌握钢质管道在洪水冲击作用下发生涡激振动的条件及变化规律，判断管道的安全状态，为防治时机的确定提供依据。综合以上的信息，就能对山区河沟谷地段的管道进行安全预警，提前预报山洪的形成时间、规模以及管道的危险状态，为减灾方案的设计实施提供依据。
[0008]光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性:易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。
[0009]光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。
[0010]由I禹合模理论可知,均勻的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模I禹合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长(布拉格波长)X B为:
[0011]Ab = 2neff A (I)
[0012]式中:λ B为布拉格波长；neff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。
[0013]对式(I)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系:[0014]^ = (^+^ + (1-^)^(2)
[0015]式中:a f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数为光纤材料的弹光系数。由式(2)可知，应变ε是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度T是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。
[0016]光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相t匕，光纤光栅传感器具有自己独特的优点:(I)传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；(2)与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；
(3)具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；(4)轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；(5)测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；(6)高灵敏度、高分辩力。
[0017]与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有:(I)对测量点能精确定位，分辨率高；(2)成本低；(3)能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。
[0018]由于这些优点，在岩土工程领域中，光纤光栅传感器很容易埋入岩土体中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围测量，技术优势非常明显，尤其体现在能获得长期、可靠的岩土体变形数据，目前还未见到光纤光栅传感技术用于山涧河谷地区山洪雨水情及洪水冲击作用下管线涡激振动频率联合监测的报道。
【发明内容】
[0019]本发明的目的是发明一种空间分`辨率高、成本低、安全有效的基于光纤光栅的油气管道山洪灾害监测方法。
[0020]本发明提出了一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测预警方法。系统采用光纤光栅传感技术，对山涧河谷地区山洪水情及洪水冲击作用下的管道进行联合监测，监测内容包括河道水位、山洪流速和管线涡激振动监测。并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析。
[0021]本发明提出的基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测方法，其监测内容包括三部分:水位监测、流速监测和管线涡激振动监测，分别采用光纤光栅传感器实时在线监测，光纤光栅预警内容包括对山洪的洪峰流量和管线涡激振动频率的预警。
[0022]基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测方法监测方法原理流程图如图1所示，监测方法如图2所示。将金属平板I用螺栓2固定于河道岸边，在金属平板I上安装防护筒3，并将防护筒3向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器4固定于防护筒3壁内，在河道底部安装基准桩5，桩上固定光纤光栅流速传感器6，在油气管道7的监测截面上安装光纤光栅振动传感器8，然后将水位传感器4、流速传感器6与振动传感器8 一并引入光纤接线盒9，与引至监测站的光缆10连接，在监测站里，光缆10与光开关11连接，光开关11与光纤光栅解调仪12连接，解调仪12与下位机13连接，下位机13预处理后的数据通过无线通讯模块14传输，无线通讯模块15接收到上位机16;用上述装置对油气管道山洪灾害进行监测。
[0023]光纤光栅水位传感器4、光纤光栅流速传感器6和光纤光栅振动传感器8将山洪水位、河道流速和管线涡激振动信号经光缆I 10传到光开关11，光开关11后经解调仪12解调传至下位机13，下位机13调用自编的程序，控制光开关11和解调仪12，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过无线通讯模块I 14传输、无线通讯模块II 15接收到到上位机16，上位机16对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与管线自身的固有振动频率的对比分析，判断山洪冲击作用下管道的安全状态。数据的处理主要由软件完成，软件流程如图3所示。下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据转化为应变数据，上位机在接收数据后，首先将数据分类，根据雨量、水位和流速计算山洪总量和洪峰，并将其与管线涡激振动信号相结合，判断山洪形成的时间、规模及洪水冲刷作用下管道的安全状况。 [0024]基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测方法的流程如图1所示，为:
[0025]山洪水情和管道分别进行水位监测、流速监测和管线涡激振动监测；
[0026]波长信号的解调、采集、预处理；
[0027]信号的远程传输与接收；
[0028]信号的进一步分析与处理；
[0029]洪峰流量变化动态显示、管线润激振动频率动态显示；
[0030]山洪洪峰流量预报、管线疲劳状态分析；
[0031]山洪预报、管道安全预警。
[0032]其中:
[0033]水位监测方法水位监测方法采用自行设计的光纤光栅水位传感器，其结构如图4所示。在不锈钢密闭箱体17的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体18，将一支光纤光栅应变传感器I 19粘贴于圆柱体18表面，并通过光缆II 20将信号引至监测站，其原理如下:
[0034]根据静水力学原理，河道水深h处的静水压强P为
[0035]P = P0+Yh (3)
[0036]其中=Ptl为大气压强，Y为水的容重。
[0037]在图4中，密闭箱体17由于受外表面水压P的影响发生变形，导致内部与其连接的圆柱体18产生轴向应变ε，根据弹性力学，有:
[0038]P = Ee(4)
[0039]其中:E为圆柱体18的弹性模量。
[0040]当河道水位发生变化时，在外表面水压力作用下，箱体17及其内部相连的圆柱体18发生变形，从而引起粘贴于圆柱体18上的温度补偿型光纤光栅应变传感器I 19产生轴向应变ε，导致布拉格波长产生漂移，其变化关系见式(2)。
[0041]联合式(2)、(3)、(4)，可得:[0042]
【权利要求】
1.一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是监测所用装置为:将金属平板(I)用螺栓(2)固定于河道岸边，在金属平板(I)上安装防护筒(3)，并将防护筒(3)向下置于河道中，用螺栓将光纤光栅水位传感器(4)固定于防护筒(3)壁内，在河道底部安装基准桩(5)，桩上固定光纤光栅流速传感器(6)，在油气管道(7)的监测截面上安装光纤光栅振动传感器(8)，然后将水位传感器(4)、流速传感器(6)与振动传感器(8)—并引入光纤接线盒(9)，与引至监测站的光缆I (10)连接，在监测站里，光缆I (10)与光开关(11)连接，光开关(11)与解调仪(12)连接，解调仪(12)与下位机(13)连接，下位机(13)预处理后的数据通过无线通讯模块I (14)传输，无线通讯模块II (15)接收到上位机(16); 光纤光栅水位传感器(4)、光纤光栅流速传感器(6)和光纤光栅振动传感器(8)将山洪水位、河道流速和管线涡激振动信号经光缆I (10)传到光开关(11)，光开关(11)后经解调仪(12)解调传至下位机(13)，下位机(13)调用自编的程序，控制光开关(11)和解调仪(12)，实现数据的采集并对数据进行预处理；预处理后的数据通过无线通讯模块I (14)传输、无线通讯模块II (15)接收到到上位机(16)，上位机(16)对数据进行进一步的分析处理，通过河道水位和山洪流速计算得到山洪的洪峰流量，判断该区域的洪峰流量是否已达到预报警戒值，并结合管线涡激振动频率与管线自身的固有振动频率的对比分析，判断山洪冲击作用下管道的安全状态；下位机数据预处理主要是将光纤光栅解调仪采集的光波长数据转化为应变数据，上位机在接收数据后，首先将数据分类，根据雨量、水位和流速计算山洪总量和洪峰，并将其与管线涡激振动信号相结合，判断山洪形成的时间、规模及洪水冲刷作用下管道的安全状况。
2.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是具体流程为: 山洪水情和管道分别进行水位监测、流速监测和管线涡激振动监测； 波长信号的解调、采集、预处理； 信号的远程传输与接收； 信号的进一步分析与处理； 洪峰流量变化动态显示、管线涡激振动频率动态显示； 山洪洪峰流量预报、管线疲劳状态分析； 山洪预报、管道安全预警。
3.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是所述水位监测方法采用自行设计的光纤光栅水位传感器，在不锈钢密闭箱体(17)的上、下两个端面的中心位置固定一圆柱体(18),将一支光纤光栅应变传感器I (19)粘贴于圆柱体(18)表面,并通过光缆II (20)将信号引至监测站；其计算方法如下: 河道水深h处的静水压强P为 P=P0+ GAMMAh3) 其中Λ为大气压强，Y为水的容重； 密闭箱体(17)由于受外表面水压P的影响发生变形，导致内部与其连接的圆柱体(18)产生轴向应变ε，有: P = E ε4) 其中:Ε为圆柱体18的弹性模量； 当河道水位发生变化时，在外表面水压力作用下，箱体(17)及其内部相连的圆柱体(18)发生变形，从而引起粘贴于圆柱体(18)上的温度补偿型光纤光栅应变传感器I (19)产生轴向应变ε，导致布拉格波长产生漂移，其变化关系见式2)； 联合式2)、3)、4)，可得:
4.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是所述流速监测方法是采用光纤光栅流速传感器，由文丘里管式节流管(21)、导管I (22)、导管II (23)和光纤光栅压强传感机构组成，流体从左向右流过；当流量密度一定时，非压缩流体的伯努利方程为
5.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是所述河道的洪峰流量演算公式如下: Q=AhLv 12) 式中:Q为河道的洪峰流量，Ah为河道水位的变化值、L为河道宽度,V为山洪流速；因此，根据监测获得的河道水位和山洪流速，利用式12)可计算得到山洪的洪峰流量。
6.根据权利要求1所述的一种油气管道山洪灾害监测方法，其特征是所述管线涡激振动频率监测方法采用自行设计的光纤光栅振动传感器；在基座(30) —侧内壁上固定一根金属杆(31),杆的自由端固定一个金属块(32),将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器III(33)粘贴于金属杆(31)表面，并通过光缆IV(34)将信号引至监测站，其计算方法如下: 如将金属杆(31)等效为一悬臂梁，有
【文档编号】G08B21/10GK103700221SQ201210365809
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】韩冰, 马云宾, 李亮亮, 谭东杰, 郝建斌, 吴张中, 荆宏远, 刘建平 申请人:中国石油天然气股份有限公司