基於應變的高風險區管道本體應力監測系統的製作方法
2023-07-11 22:54:21
專利名稱：基於應變的高風險區管道本體應力監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種基於應變的高風險區管道本體應力監測系統。涉及管道系統技 術領域。
背景技術：
管道在運營管理過程中的安全受到很多管道經過的高風險區的影響，其中影響最 嚴重的高風險區之一是惡劣地質環境，受洪災、滑坡、地震、懸空、衝刷等地質環境以及地貌 變化、非法的管道佔壓等的影響，管道本體安全受到很大的威脅。其中主要的影響就是管道 本身的受力狀況發生了改變，使管道局部應力急劇增大，嚴重時造成管道應力或應變失效， 導致破壞，從而發生管道事故。在管道運輸歷史中，地質災害曾多次造成管道事故。美國威廉士天然氣管道 公司在1995年至1999年之間由於地質災害共引起5起管線事故在1997年華盛頓地區 Kalama附近，滑坡引起26英寸管道幹線事故，造成大面積斷裂、移位；1999年華盛頓North Bonneville附近，滑坡引起的26英寸管道幹線事故，引起管道多處被拉斷、周圍水工全部 被毀。歐洲天然氣管道事故數據小組(EGIG)調查的1970年到2001年的西歐管道事故中，
是由地質災害導致的；美國交通部統計的1984年到2001天然氣輸送數據表明，8. 5%的 事故是由地質災害引起的。分析我國油氣管道的分布區域和該區域的地理地質條件，不難看出，目前國內管 道面臨的地質災害類型主要有一、地殼內部構造變化引起的地質災害，(如地震、地面塌 陷(沉降)、地裂縫、斷裂災害等)；二、地殼外部環境突變造成的地質災害(如滑坡(塌)、 泥石流、洪水衝蝕、沙埋、風蝕等)；三、特殊土體導致的地質災害(如溼陷性黃土、膨脹土、 鹽漬土、多年凍土等)。其中已建的格拉管道就穿越青藏高原構造裂縫帶，西南成品油管道 穿越川滇斷層帶，而在西氣東輸工程的東段江蘇、河南兩省境內也有地裂縫分布。西氣東輸 工程中大部分都處於黃土高原地段。流動沙丘(壟)移動性極強，移動方向與管道垂直。如 果管道覆土被風吹走，就會造成管道裸露懸空，若超過管道撓曲強度，管道就會折斷。經過 對管道受力計算結果表明當管道懸空長度超過臨界值後，在多重應力作用下將使管道材 料失效、產生裂紋、甚至拉斷。構造裂縫可能橫穿管道，可以對管道產生明顯的牽拉作用，嚴 重的可以造成開裂破壞、縮短管道壽命，影響管道運營管理。面對眾多的管道地質災害，我國的管道運營公司經常採取積極的工程治理措施， 但這些措施也存在一些弊端，首先是成本高，其次是防治工程也並非「一勞永逸」，設計 施工的不確定因素較多，再者治理的周期長。而監測則是一種高效、低成本的防治措施。 Williams公司針對Northwest Pipeline滑坡問題引起的多起事故，提出了一套基於管道 應力應變監測的全管道安全評價和治理體系。義大利SNAM公司將監測管道作為防治滑坡 災害的主要方式，他們對管道進行了長達三十年的監測，成功避免了大量的管道事故。電阻式應變計、弦振式應變計和分布式光纖傳感技術(以B0TDR為代表)在管道 監測已有一定的應用。上述這些監測方式局限於對致災體或管道進行獨立監測，還未對地
3質災害影響下的管道進行系統的聯合監測。基於光纖光柵傳感技術，已經被應用在對滑坡 及其影響下的管道進行聯合監測，監測內容包括滑坡對管道的推力監測及管道應變監測， 以及滑坡表部位移和深部位移的監測。但是，基於光纖光柵傳感技術目前只應用在對滑坡 災害的監測中，對其它地質災害的監測還沒有應用。基於應變的高風險區管道本體安全狀態監測預警方法和系統，能夠對受洪災、滑 坡、地震、懸空、衝刷等各種形式的地質災害影響下的管道開展管道本體力學性能安全狀態 的監測，從本質上確保管道安全。不僅能夠判斷高風險區災害的活動情況、發育發展規律、 破壞機理，還能查明災害對管道的影響方式和程度，更重要的是能掌握鋼質管道的應力位 移變化規律，判斷管道的安全等級。綜合以上的信息，就能對管道滑坡進行安全預警，提前 預報管道的危險狀態，為減災方案的設計實施提供依據。基於應變的高風險區管道本體安 全狀態監測預警方法和系統，代表了管道受高風險區災害影響監測的趨勢。本公司此前申請了「滑坡對管道影響的監測預警方法和系統」(申請號為 200810119556. 7)、「管道滑坡表部位移監測預警方法和系統及系統的構建方法」(申請號 為200810119558. 6)、「管道滑坡深部位移監測預警方法和系統及系統的構建方法」(申請 號為200810119557. 1)和「管道滑坡監測預警方法和系統及系統的構建方法」(申請號為 200810119558. 6)多件發明專利。上述申請主要圍繞滑坡對管道的影響，表部和深部滑坡位 移監測和預警的方法，以及監測和預警系統的構建方法。
實用新型內容本實用新型的目的是設計一種空間解析度高、成本低的基於應變的高風險區管道 本體安全狀態監測預警系統。本實用新型提出一種基於應變的高風險區管道本體安全狀態監測預警系統，通過 管道力學監控系統對管道本體力學性能實時監測，採用GPRS遠程無線傳輸技術將監測信 號及時反饋到監控中心，對管道應力狀況進行多維計算，實現危險快速預警和安全狀態評 價。本基於應變的高風險區管道本體應力監測系統的構成如圖4所示，它由應變片、 電位平衡解調儀、多通道應變採集器、數據轉換器、自動採集箱、GPRS傳輸模塊、GPRS接收 模塊、下位計算機和報警器組成。所有應變片和電位平衡解調儀的輸出接多通道應變採集 器，多通道應變採集器的輸出接數據轉換器，數據轉換器的輸出接自動採集箱，自動採集箱 的輸入、輸出與GPRS傳輸模塊連接，GPRS傳輸模塊的輸入、輸出與GPRS接收模塊連接，GPRS 接收模塊的輸入、輸出與下位計算機連接，下位計算機輸出與報警器連接。多通道應變採集器測量各個通道收集到的應變片的電阻變化，將其轉變為電信 號；電位平衡解調儀測量的電壓讀數值1000士 100mV ；數據轉換器將各個通道電信號轉變 為數位訊號；數據轉換器輸出接的自動採集箱控制數據採集時間和次數，將監測量發送給 GPRS傳輸模塊，並接受GPRS傳輸模塊的信號進行控制，如果接收終端關閉，則採集到的信 號自動保存在自動採集箱的內存裡；GPRS傳輸模塊將自動採集箱得到的各監測量通過公 眾無線通信網絡傳輸到位於辦公室的接收終端，也可接收接收終端的信號，發送給下位計 算機；下位計算機下載終端GPRS接收模塊的信號，並調用程序進行自動計算和分析，得出 管道軸向應力、環向應力、最大主應力、剪切應力等各應力值；將分析結果與報警閥值進行對比，由顯示器顯示並由報警器報警。其中應變片是在管道上沿周向布置多個測點(見圖1)，每個測點安裝應變片(見圖 2)，應變片的布置為軸向應變片4和環向應變片成直角狀，45°應變片5位於直角的45°線 上(見圖3)；還有通常都配用的溫度補償應變片(每個測點應變花連接一個)粘貼在與管 道相同材料的基底材料上；多通道應變採集器 用於測量各個通道收集到的應變片的電阻變化，將其轉變為 電信號；數據轉換器用於將各個通道電信號轉變為數位訊號；自動採集箱用於控制數據採集時間和次數，將監測量發送給GPRS傳輸模塊，並 接受GPRS傳輸模塊的信號進行控制，如果接收終端關閉，則採集到的信號自動保存在自動 採集箱的內存裡；GPRS傳輸模塊用於將自動採集箱得到的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸 到位於辦公室的接收終端，也可接收接收終端的信號，發送給下位計算機；位於辦公室的接收終端包括如下3個部分1) GPRS接收模塊用於接收現場監測站GPRS傳輸模塊發送的監測量，並傳輸給終 端下位計算機，也可給現場GPRS傳輸模塊發送反饋指令；2)下位計算機及程序，用於下載終端GPRS接收模塊的信號，並調用程序進行自動 計算和分析，得出管道軸向應力，環向應力，最大主應力，剪切應力等各應力值；將分析結果 與報警閥值進行對比，必要的時候實施報警，程序自編；3)報警器，用於分析結果超過報警閥值是，發生聲音警示信號；報警器由下位計 算機及程序控制。基於應變的高風險區管道本體應力監測預警系統的電原理如圖5所示，電阻應變 片的PC接頭接DH3816動態應變儀(即多通道應變採集器)的PC接頭，同時電位平衡解調 儀的CHl端也接DH3816動態應變儀的PC接頭；動態應變儀的PC接頭與A/D轉換器的PC 接頭連接，A/D轉換器的LAN接口與DH3816數據採集箱(即自動採集箱)的LAN接口連 接，DH3816數據採集箱的R232與GPRS傳輸模塊的R232連接，GPRS傳輸模塊的GSM系統接 GPRS網絡，GPRS網絡接GPRS傳輸模塊的GSM系統，GPRS傳輸模塊的R232與下位計算機的 R232連接，下位計算機的R232接DS7400報警器。本實用新型可應用在油氣管道站場、煉廠、油田採油管網及長輸幹線管道的本體 缺陷快速檢測和定位上，為缺陷的檢測和修復等工作實施奠定基礎。該技術的應用將最大 限度的增加管道運行管理的科學性，提高管道完整性管理水平，降低管道運行風險，降低事 故率，減少人民生命財產的損失，以科技手段維護管道安全。具有很高的應用前景和經濟效 益，社會效益亦十分顯著。
圖1測點布置斷面圖圖2應變片的貼片定位圖3應變片布置圖[0028]圖4管道應變監測系統原理框圖圖5管道應變監測系統電原理圖其中I-環向線2-軸向線3-應變片4-軸向應變片5-45°應變片 6-環向應變片
具體實施方式
實施例.本例是一試驗系統，並在某一成品油管道上開展試驗。基於應變的高風險區管道本體安全狀態監測預警系統的構成如圖4所示，電阻應變片的PC接頭接DH3816動態應變儀的PC接頭，同時電位平衡解調儀的CHl端也接DH3816 動態應變儀的PC接頭；動態應變儀的PC接頭與A/D轉換器的PC接頭連接，A/D轉換器的 LAN接口與DH3816數據採集箱的LAN接口連接，DH3816數據採集箱的R232與GPRS傳輸模 塊的R232連接，GPRS傳輸模塊的GSM系統接GPRS網絡，GPRS網絡接GPRS傳輸模塊的GSM
系統，GPRS傳輸模塊的R232與下位計算機的R232連接，下位計算機的R232接DS7400報
mm
θ -η - ο多通道應變採集器測量各個通道收集到的應變片的電阻變化，將其轉變為電信 號；電位平衡解調儀測量的電壓讀數值1000士 IOOmV ；數據轉換器將各個通道電信號轉變 為數位訊號；數據轉換器輸出接的自動採集箱控制數據採集時間和次數，將監測量發送給 GPRS傳輸模塊，並接受GPRS傳輸模塊的信號進行控制，如果接收終端關閉，則採集到的信 號自動保存在自動採集箱的內存裡；GPRS傳輸模塊將自動採集箱得到的各監測量通過公 眾無線通信網絡傳輸到位於辦公室的接收終端，也可接收接收終端的信號，發送給下位計 算機；下位計算機下載終端GPRS接收模塊的信號，並調用程序進行自動計算和分析，得出 管道軸向應力、環向應力、最大主應力、剪切應力等各應力值；將分析結果與報警閥值進行 對比，由顯示器顯示並由報警器報警。基於應變的高風險區管道本體應力監測預警系統的電原理如圖5所示，電阻應變 片的PC接頭接DH3816動態應變儀(即多通道應變採集器)的PC接頭，同時電位平衡解調 儀的CHl端也接DH3816動態應變儀的PC接頭；動態應變儀的PC接頭與A/D轉換器的PC 接頭連接，A/D轉換器的LAN接口與DH3816數據採集箱(即自動採集箱)的LAN接口連 接，DH3816數據採集箱的R232與GPRS傳輸模塊的R232連接，GPRS傳輸模塊的GSM系統接 GPRS網絡，GPRS網絡接GPRS傳輸模塊的GSM系統，GPRS傳輸模塊的R232與下位計算機的 R232連接，下位計算機的R232接DS7400報警器。其中應變片是在管道上沿周向布置8個測點(見圖1)，每個測點安裝應變片(見圖2)， 應變片的布置為軸向應變片4和環向應變片成直角狀，45°應變片5位於直角的45°線上 (見圖3)；按常規配用的溫度補償應變片(每個測點應變花連接一個)粘貼在與管道相同 材料的基底材料上；動態應變儀(多通道應變採集器)選用DH3816 (60通道)動態應變測量系統；數據轉換器選用市銷產品；電位平衡解調儀選用市銷產品；[0042]數據採集箱(即自動採集箱)選用DH3816 ；GPRS傳輸模塊選用西門子MC35i ；下位計算機選聯想開天M4600 ；報警器選用DS7400。多通道應變採集器、數據轉換器、自動採集箱、GPRS傳輸模塊安裝在現場監測站。GPRS接收模塊、下位計算機及程序、報警器作為接收終端安裝在辦公室。本例經多次試驗測試，其空間解析度高、成本低，它的應用最大限度的增加了管道 運行管理的科學性，提高了管道完整性管理水平，降低管道運行風險，降低事故率，減少人 民生命財產的損失，以科技手段維護管道安全。
權利要求一種基於應變的高風險區管道本體應力監測系統，其特徵是它由應變片、電位平衡解調儀、多通道應變採集箱、數據轉換器、自動採集箱、GPRS傳輸模塊、GPRS接收模塊、下位計算機和報警器組成；所有應變片和電位平衡解調儀的輸出接多通道應變採集箱，多通道應變採集箱的輸出接數據轉換器，數據轉換器的輸出接自動採集箱，自動採集箱的輸入、輸出與GPRS傳輸模塊連接，GPRS傳輸模塊的輸入、輸出與GPRS接收模塊連接，GPRS接收模塊的輸入、輸出與下位計算機連接，下位計算機輸出與報警器連接；多通道應變採集器測量各個通道收集到的應變片的電阻變化，將其轉變為電信號；電位平衡解調儀測量的電壓讀數值1000±100mV；數據轉換器將各個通道電信號轉變為數位訊號；數據轉換器輸出接的自動採集箱控制數據採集時間和次數，將監測量發送給GPRS傳輸模塊，並接受GPRS傳輸模塊的信號進行控制，如果接收終端關閉，則採集到的信號自動保存在自動採集箱的內存裡；GPRS傳輸模塊將自動採集箱得到的各監測量通過公眾無線通信網絡傳輸到位於辦公室的接收終端，接收接收終端的信號，發送給下位計算機；下位計算機下載終端GPRS接收模塊的信號，並調用程序進行自動計算和分析，得出管道軸向應力、環向應力、最大主應力、剪切應力各應力值；將分析結果與報警閥值進行對比，由顯示器顯示並由報警器報警。
2.根據權利要求1所述的基於應變的高風險區管道本體應力監測系統，其特徵是該系 統的電原理為電阻應變片的(PC)接頭接DH3816動態應變儀的(PC)接頭，同時電位平衡 解調儀的(CHl)端也接DH3816動態應變儀的(PC)接頭；動態應變儀的(PC)接頭與A/D轉 換器的(PC)接頭連接，A/D轉換器的(LAN)接口與DH3816數據採集箱的(LAN)接口連接， DH3816數據採集箱的R232與GPRS傳輸模塊的R232連接，GPRS傳輸模塊的GSM系統接GPRS 網絡，GPRS網絡接GPRS傳輸模塊的GSM系統，GPRS傳輸模塊的R232與下位計算機的R232 連接，下位計算機的R232接DS7400報警器。
3.根據權利要求1所述的基於應變的高風險區管道本體應力監測系統，其特徵是應變 片是在管道上布置多個測點，每個測點安裝應變片，應變片的布置為軸向應變片(4)和環 向應變片成直角狀，45°應變片(5)位於直角的45°線上。
專利摘要本實用新型是一種基於應變的高風險區管道本體應力監測系統。涉及管道系統技術領域。它由應變片、電位平衡解調儀、多通道應變採集箱、數據轉換器、自動採集箱、GPRS傳輸模塊、GPRS接收模塊、下位計算機和報警器組成；所有應變片和電位平衡解調儀的輸出接多通道應變採集箱，多通道應變採集箱的輸出接數據轉換器，數據轉換器的輸出接自動採集箱，自動採集箱的輸入、輸出與GPRS傳輸模塊連接，GPRS傳輸模塊的輸入、輸出與GPRS接收模塊連接，GPRS接收模塊的輸入、輸出與下位計算機連接，下位計算機輸出與報警器連接。本實用新型空間解析度高、成本低。
文檔編號G08C17/02GK201561826SQ200920246758
公開日2010年8月25日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者伍炎, 佟文強, 冼國棟, 劉桂春, 王禹欽, 王維斌, 馬廷霞 申請人:中國石油天然氣股份有限公司