CN106958742A - 多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统 - Google Patents

多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统 Download PDF

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梁磊
许儒泉
冯坤
徐刚
王慧
张健
吴慧峰
李东旭
曹珊
仇磊
涂彬
段细云
蔡彦璞
王仁亮
罗玉文
王永皎
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Abstract

本发明涉及一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，包括光纤光栅传感器、接线盒、光栅光纤解调仪、数据处理系统和在线监测系统，在管道主线和支线的关键节点处安装光纤光栅流量传感器、在管道靠近阀门和弯管处安装光纤光栅压力传感器，对于未埋入的管道，在管道靠近阀门和弯管处外壁上安装光纤光栅声发射传感器，在管道外壁轴向上以一定间隔安装周向环绕排布的光纤光栅应变传感器用以监测无泄漏时管道外壁的应力分布和泄漏时负压波导致的管道外壁的应变，对于埋入的管道，在管道周围布设光纤光栅测温光缆，在管道上方布设光纤光栅防入侵光缆。该系统可以监测多种参量并判断管道的多种健康状态，泄露判断准确度高。

Description

多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统
技术领域
本发明属于管道监测领域，具体涉及一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统。
背景技术
管道广泛应用于油、气、水等的运输和电力电缆等的铺设中，管道的健康状态决定了管道的使用寿命以及故障发生率，为了降低故障发生率，需要对管道进行健康监测。
目前的管道健康监测，往往局限于监测是否泄漏，对于其余的健康状态的监测并不重视，然而管道的泄漏是一个逐渐损伤由量变到质变的结果，只是监测是否泄漏，并不能起到提前预防的作用，而且，目前泄漏的判断是基于负压波的出现，但是在管道运输过程中，传输工况的变化(如启泵、停泵、调节流量阀等)也会影响管道首末端参数的平衡状态，从而引起负压波的出现，由于无法辨别负压波的出现是由管道泄漏还是正常操作所导致，因此，仅凭借负压力波的出现判断是否发生泄漏将会产生很大的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，该系统可以监测多种参量并判断管道的多种健康状态，泄露判断准确度高。
本发明所采用的技术方案是：
一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，用于对管道的多个参量进行监测并通过收集的参数对管道进行健康状态评估，包括分布在管道上的光纤光栅传感器以及与光纤光栅传感器依次连接的接线盒、光栅光纤解调仪、数据处理系统和在线监测系统；在管道主线和支线的关键节点处内部安装光纤光栅流量传感器、在管道靠近阀门和弯管处内部安装光纤光栅压力传感器，通过监测的流量和压力的变化情况以及流量的分配情况判断否有泄漏；对于未埋入的管道，在管道靠近阀门和弯管处外壁上安装光纤光栅声发射传感器，通过监测的泄漏声波判断是否有泄漏，在管道外壁轴向上以一定间隔安装周向环绕排布的光纤光栅应变传感器用以监测无泄漏时管道外壁的应力分布和泄漏时负压波导致的管道外壁的应变，应力分布梯度突变的部位就是裂纹或腐蚀的区域；对于埋入的管道，在管道周围布设光纤光栅测温光缆，通过监测的温度场的变化判断是否有泄漏，在管道上方布设光纤光栅防入侵光缆，通过监测的介质形变判断是否有入侵。
进一步地，对于未埋入的管道，将光纤光栅压力传感器、光纤光栅声发射传感器和光纤光栅应变传感器收集的参数采用自适应加权融合估计算法来判断是否有泄漏。
进一步地，当光纤光栅应变传感器监测的应力、应变超过安全极限时，自动发起警报。
进一步地，光纤光栅声发射传感器通过磁体安装在管道外壁上，安装前清除安装表面上松散的涂层和氧化皮、清洗安装表面上的油污和多余物质、打磨安装表面上的粗糙处，安装后在接触处填充声耦合剂。
进一步地，光纤光栅流量传感器两端带有法兰，光纤光栅流量传感器通过法兰安装在管道上。
进一步地，光纤光栅压力传感器通过密封螺纹安装在管道的预留接口上。
进一步地，光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶水粘贴在管道表面。
本发明的有益效果是：
1.本发明可以监测管道的流量、压力、泄漏声波、应力和应变以及管道周围的温度场和介质形变等多种参量，并据此判断管道的泄漏、入侵、裂纹、腐蚀、应力和应变等健康状态，裂纹或腐蚀处的应力可以反映裂纹或腐蚀的严重程度，普通部位处的应力可以反映管道的承受状态，为排查和检修提供了参考依据；本发明通过流量、压力、泄漏声波、应变、温度场等多个参量判断是否有泄漏，充分排除了正常操作(管道启停输、启停泵、增减输量、调压等)产生的影响，提高了判断的准确度；本发明采用光纤光栅传感器测量精度高。
2.自适应加权融合估计算法不要求知道任何先验知识，只需要靠各个传感器提供的测量数据，以自适应的方式寻找各个传感器所对应的最优加权因子，从而可得出均方误差最小的信息融合值，排除了偶然因素的影响，进一步提高了判断的准确度。
3.当应力、应变超过安全极限时，很有可能损伤管道，自动发起警报，可以及时排查检修。
4.安装表面清洁、接触处紧密，保证了良好的声传输。
附图说明
图1是本发明实施例的示意图。
图2本发明实施例中光纤光栅传感器在管道上分布图。
图中：1-光纤光栅流量传感器I；2-光纤光栅压力传感器I；3-光纤光栅声发射传感器I；4-光纤光栅应变传感器I；5-光纤光栅应变传感器II；6-光纤光栅应变传感器III；7-光纤光栅应变传感器IV；8-光纤光栅声发射传感器II；9光纤光栅压力传感器II；10-光纤光栅压力传感器III；11-光纤光栅声发射传感器III；12-光纤光栅应变传感器V；13-光纤光栅应变传感器VI；14-光纤光栅应变传感器VII；15-光纤光栅应变传感器VIII；16-光纤光栅声发射传感器IV；17-光纤光栅压力传感器IV；18-光纤光栅压力传感器V；19-光纤光栅声发射传感器V；20-光纤光栅应变传感器IX；21-光纤光栅应变传感器X；22-光纤光栅应变传感器XI；23-光纤光栅应变传感器XII；24-光纤光栅声发射传感器VI；25-光纤光栅压力传感器VI；26-光纤光栅流量传感器II；27-光纤光栅压力传感器VII；28-光纤光栅声发射传感器VII；29-光纤光栅应变传感器XIII；30-光纤光栅应变传感器XIV；31-光纤光栅应变传感器XV；32-光纤光栅应变传感器XVI；33-光纤光栅声发射传感器VIII；34-光纤光栅压力传感器VIII；35-光纤光栅流量传感器III；36-光纤光栅测温光缆I；37-光纤光栅防入侵光缆；38-光纤光栅测温光缆II；39-光纤光栅流量传感器IV；40-分布式光纤光栅应变传感器I；41-分布式光纤光栅应变传感器II；42-分布式光纤光栅应变传感器III；43-分布式光纤光栅应变传感器IV；44-分布式光纤光栅应变传感器V。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，用于对管道的多个参量进行监测并通过收集的参数对管道进行健康状态评估，包括分布在管道上的光纤光栅传感器以及与光纤光栅传感器依次连接的接线盒、光栅光纤解调仪、数据处理系统和在线监测系统，如图2所示，在管道主线和支线的关键节点处内部安装光纤光栅流量传感器、在管道靠近阀门和弯管处内部安装光纤光栅压力传感器，通过监测的流量和压力的变化情况以及流量的分配情况判断否有泄漏；对于未埋入的管道，在管道靠近阀门和弯管处外壁上安装光纤光栅声发射传感器，通过监测的泄漏声波判断是否有泄漏，在管道外壁轴向上以一定间隔安装周向环绕排布的光纤光栅应变传感器用以监测无泄漏时管道外壁的应力分布和泄漏时负压波导致的管道外壁的应变，应力分布梯度突变的部位就是裂纹或腐蚀的区域；对于埋入的管道，在管道周围(管道两侧下部)布设光纤光栅测温光缆，通过监测的温度场的变化判断是否有泄漏(对于埋入的管道，输送的介质与外界一般都会存在一定温度差，当输送的介质泄漏时，管道周边的介质的温度场会发生变化)，在管道上方布设光纤光栅防入侵光缆，通过监测的介质形变判断是否有入侵(当有入侵时，管道周围的介质会产生形变)。如图1所示，所有光纤光栅传感器波分复用后接入铠装光缆，铠装光缆依次与接线盒、光栅光纤解调仪、数据处理系统和在线监测系统连接。在本实施例中，光纤光栅解调仪采用FBG-8M500，主要性能指标为：解调速度——解调器典型工作速度0HZ～500HZ，最大工作速度大于500HZ；解调精度——系统分辨率达到1pm，典型误差为士1pm，最大误差小于±2pm；解调点数——可以8路同时解调，扫描范围为50nm，可以根据实际应用情况解调160个以上的传感光栅。数据处理系统采用企业级数据库软件MS SQL Server2000建立监测数据库，储存采集到的数据并提供数据管理、查询、分析。在线监测系统采用先进的C/S和B/S结合的结构，利用3D建模和虚拟现实技术，实现管道的泄漏、入侵、裂纹、腐蚀、应力和应变等健康状态的监测。
本发明可以监测管道的流量、压力、泄漏声波、应力和应变以及管道周围的温度场和介质形变等多种参量，并据此判断管道的泄漏、入侵、裂纹、腐蚀、应力和应变等健康状态，裂纹或腐蚀处的应力可以反映裂纹或腐蚀的严重程度，普通部位处的应力可以反映管道的承受状态，为排查和检修提供了参考依据；本发明通过流量、压力、泄漏声波、应变、温度场等多个参量判断是否有泄漏，充分排除了正常操作(管道启停输、启停泵、增减输量、调压等)产生的影响，提高了判断的准确度；本发明采用光纤光栅传感器测量精度高。
在本实施例中，对于未埋入的管道，将光纤光栅压力传感器、光纤光栅声发射传感器和光纤光栅应变传感器收集的参数采用自适应加权融合估计算法来判断是否有泄漏。自适应加权融合估计算法不要求知道任何先验知识，只需要靠各个传感器提供的测量数据，以自适应的方式寻找各个传感器所对应的最优加权因子，从而可得出均方误差最小的信息融合值，排除了偶然因素的影响，进一步提高了判断的准确度。
在本实施例中，当光纤光栅应变传感器监测的应力、应变超过安全极限时，自动发起警报。当应力、应变超过安全极限时，很有可能损伤管道，自动发起警报，可以及时排查检修。
在本实施例中，光纤光栅声发射传感器通过磁体安装在管道外壁上，安装前清除安装表面上松散的涂层和氧化皮、清洗安装表面上的油污和多余物质、打磨安装表面上的粗糙处，安装后在接触处填充声耦合剂。安装表面清洁、接触处紧密，保证了良好的声传输。
在本实施例中，光纤光栅流量传感器两端带有法兰，光纤光栅流量传感器通过法兰安装在管道上；光纤光栅压力传感器通过密封螺纹安装在管道的预留接口上；光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶水粘贴在管道表面。
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。

Claims (7)

1.一种多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：用于对管道的多个参量进行监测并通过收集的参数对管道进行健康状态评估，包括分布在管道上的光纤光栅传感器以及与光纤光栅传感器依次连接的接线盒、光栅光纤解调仪、数据处理系统和在线监测系统；在管道主线和支线的关键节点处内部安装光纤光栅流量传感器、在管道靠近阀门和弯管处内部安装光纤光栅压力传感器，通过监测的流量和压力的变化情况以及流量的分配情况判断否有泄漏；对于未埋入的管道，在管道靠近阀门和弯管处外壁上安装光纤光栅声发射传感器，通过监测的泄漏声波判断是否有泄漏，在管道外壁轴向上以一定间隔安装周向环绕排布的光纤光栅应变传感器用以监测无泄漏时管道外壁的应力分布和泄漏时负压波导致的管道外壁的应变，应力分布梯度突变的部位就是裂纹或腐蚀的区域；对于埋入的管道，在管道周围布设光纤光栅测温光缆，通过监测的温度场的变化判断是否有泄漏，在管道上方布设光纤光栅防入侵光缆，通过监测的介质形变判断是否有入侵。
2.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：对于未埋入的管道，将光纤光栅压力传感器、光纤光栅声发射传感器和光纤光栅应变传感器收集的参数采用自适应加权融合估计算法来判断是否有泄漏。
3.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：当光纤光栅应变传感器监测的应力、应变超过安全极限时，自动发起警报。
4.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：光纤光栅声发射传感器通过磁体安装在管道外壁上，安装前清除安装表面上松散的涂层和氧化皮、清洗安装表面上的油污和多余物质、打磨安装表面上的粗糙处，安装后在接触处填充声耦合剂。
5.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：光纤光栅流量传感器两端带有法兰，光纤光栅流量传感器通过法兰安装在管道上。
6.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：光纤光栅压力传感器通过密封螺纹安装在管道的预留接口上。
7.如权利要求1所述的多参量的光纤光栅传感管道健康监测系统，其特征在于：光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶水粘贴在管道表面。
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