一种长输埋地管道荷载识别及安全监测系统

摘要

一种长输埋地管道荷载识别及安全监测系统，分布式光纤振动测试系统实时采集与长输埋地管道同沟铺设的分布式光纤振动传感器上的振动信号，振动信号识别分析系统通过对比自身的荷载样本空间，识别出作用在埋地管道地基上的荷载类型、荷载大小及荷载频次，识别出的荷载信息传输到埋地管道安全评定中心进行分析，基于管道地基的物理性质，分析该荷载作用下管道受力和变形特征，对管道安全进行评定。本发明实现了长输埋地管道地基作用荷载的分布式在线监测识别，并基于埋地管道地基参数确定了作用荷载下管道的力学性状，对管道安全进行评定，可实现上百公里长输埋地管道结构损伤监测，提升了埋地管道的长期安全运营。

说明书

技术领域

本发明属于重要能源设施安全监测领域，具体涉及一种基于分布式振动光纤的长输埋地管道荷载识别及安全监测系统。

背景技术

随着我国经济的快速稳定增长和石油工业的蓬勃发展，我国的管道建设工程取得了长足的发展。截至2015年8月，中国陆上油气管道总里程达到了12万公里，其中原油管道约2.3万公里、成品油管道约2.1万公里、天然气管道约7.6万公里。这些重要的能源管道形成了我国横跨东西、纵贯南北、连通海外的油气管网格局，成为推动我国经济发展的重要生命线。由于埋地管道具有线长、面广的分布特点，不可避免地穿越各种复杂的地质环境，作用在管道地基上的荷载类型多样复杂，如交通疲劳荷载、山体滑坡、占压、非法采挖、地震等。埋地管道力学性状与所承受荷载类型密切相关，如交通疲劳荷载易导致地基(特别是软土地基)沉降，一旦超过容许变形值，会引起穿越埋地管道大变形甚至发生爆裂事故；山体滑坡会导致管道地基土体因剪切破坏和体积膨胀产生不可逆的变形，埋地管道会相应地产生不均匀偏移，进而发生破坏。因此，通过识别管道所受荷载(包括荷载类型、荷载大小以及作用频次等)，分析其力学性状，对管道进行安全评定显得尤为重要。

目前长输埋地管道安全监测一是通过理论分析某确定荷载对管道力学性状的影响，进而评价其安全状况。譬如交通荷载易导致地基(特别是软土地基)沉降，一旦超过容许变形值，会引起穿越的埋地管道变形甚至爆裂事故。部分学者对软土地基埋地管道交通荷载下的力学性状进行了理论研究，提出了长期均布荷载、移动荷载和稳态简谐荷载三种荷载模型并对管道的Mises应力和竖向位移进行了计算分析，基于此提出了在工程设计和施工中管道防护和基础处理的措施。实际工程中作用在管道上的荷载类型随机性强，且管道穿越地理环境十分恶劣，不易直接到现场观测确定作用荷载类型，只能在有限的几个管道开展此类方法的管道安全监测；二是在管道表面布设应变传感器，直接获取管道结构应力应变，对管道进行安全评定，但对于在役管道，特别是埋地管道，需要开挖管道地基将分布式应变传感器布设在管道上，并且要确保传感器与管道协同变形，如需管道全长监测，则人力、财力成本高，传感器布设要求高。分布式振动光纤传感器利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，能够连续实时地监测各种荷载引起的振动，广泛应用于监狱、银行、机场、军事区等场所的周界监测。目前分布式光纤振动传感技术在长输埋地管道防开挖、盗油预警监测中有相关报道(中国发明专利：一种光纤传感天然气管道泄漏监测系统的泄漏点定位方法和系统，专利号CN201110272440.9)，但是采用该技术对长输埋地管道作用荷载进行荷载识别及开展相应的安全评定方法还未见相关报道。在管道安全评定方面，目前部分研究文献中有关于交通荷载作用下的管道应力分析和穿越采空区管道的应力分析文献：《李新亮、李素贞.交通荷载作用下埋地管道应力分析与现场测试，浙江工业大学学报，2014,48(11)：1976-1981》；《杨晓辉、赵子龙.采空区埋地管道沉降变形分析,太原科技大学学报，2016,37(2)：134-137》，但是其研究前提是在假定某确定荷载情况下开展评定的，而不是通过现场监测识别荷载开展管道真实应力分析及评定。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种长输埋地管道荷载识别及安全监测系统。该荷载识别及安全监测系统基于分布式振动光纤传感技术，直接作用在长输埋地管道地基上的荷载产生振动，振动通过岩土传输到与长输管道同沟铺设的分布式光纤振动传感器上，分布式光纤振动测试单元实时采集分布式光纤振动传感器感知的振动信号，振动信号传输至振动信号识别分析单元进行处理，识别出管道地基上的荷载类型、大小及作用频次，基于管道地基的物理性质分析作用荷载下长输埋地管道的力学特征，对长输埋地管道进行安全评定。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种长输埋地管道荷载识别及安全监测系统，包括分布式光纤振动传感器1、传输光缆2、分布式光纤振动测试单元3、振动信号识别分析单元4和长输埋地管道安全评定单元5；其特征在于：

分布式光纤振动传感器1与长输埋地管道同沟铺设，荷载作用在管道地基上产生振动，振动信息在岩土中传播至分布式光纤振动传感器1上；

分布式光纤振动测试单元3通过传输光缆2实时采集分布式光纤振动传感器1上感知的振动信息，并将所采集的振动信息传输至振动信号识别分析单元4；

所述振动信号识别分析单元4根据振动信息识别荷载信息，并将所识别的荷载信息传输到长输埋地管道安全评定单元5，所述长输埋地管道安全评定单元5根据接收到的荷载信息分析该荷载作用下管道的受力和变形，对管道安全进行评定。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述分布式光纤振动传感器1既可以为与长输埋地管道同沟铺设的单独的分布式光纤振动传感器，也可以为与长输埋地管道同沟铺设的通讯光缆中的冗余单模光纤。

所述分布式光纤振动传感器1与长输埋地管道同沟铺设，铺设间距小于1m。

所述分布式光纤振动测试单元3通过分布式光纤振动传感器1直接采集在管道地基上各种作用荷载所产生的振动信息，并对振动信息进行预处理，与没有作用荷载的采集的信号进行差值分析，只采集保存有明显振动突变信号的振动信息。

所述振动信号识别分析单元4所识别荷载信息包括荷载类型、大小以及所统计的荷载作用频次。

所述振动信号识别分析单元4预先存储荷载样本空间，当振动信号识别分析单元4采集到分布式光纤振动传感器1所感知的振动信息后，对振动信息进行能量谱分析，并与预先存储的荷载样本空间的能量谱进行比对，识别出荷载类型和大小，同时对荷载作用频次进行计数。

所述荷载样本空间预先在实验室或户外进行模拟建立，根据不同荷载工况产生的振动信息进行能量谱分析，建立能量谱与荷载类型和荷载大小一一对应关系。

其中，所述荷载类型包括不同等级的车辆荷载、不同类型的占压荷载、采空区塌陷荷载等。

所述振动信号识别分析单元4进一步包括自我学习更新模块，当某作用荷载产生的振动信息不在预先存储的荷载样本空间中时，振动信息识别分析单元4通过自我学习更新模块根据现场观察荷载和分析出来的能量谱信息，建立能量谱与荷载类型和荷载大小一一对应关系，并将该对应关系增至荷载样本空间中。

所述长输埋地管道安全评定单元5基于管道地基的物理性质和所接收到的荷载信息，分析作用荷载下长输埋地管道的力学特征，对长输埋地管道进行安全评定。长输埋地管道安全评定主要涉及以下几点：首先基于管道的地基和管道的物理性质，建立埋地管道力学模型；其次将识别出的荷载作为管道计算的荷载；最后，理论分析该计算荷载下管道的真实力学性状，对管道的损伤情况进行评价。

本发明的效果和益处是分布式光纤振动测试系统实时采集施加在与长输埋地管道同沟铺设的分布式光纤振动传感器上的振动信号，振动信号识别分析系统对比自身荷载样本空间，根据振动信号能量谱图识别出荷载类型、大小并统计荷载作用频次，基于管道地基物理性质分析识别荷载作用下管道的力学特性，对于长输埋地管道的安全监测和评估具有重要意义。

附图说明

图1基于本发明长输埋地管道荷载识别及安全监测系统结构示意图

图2为振动信号识别分析单元工作示意图；

1分布式光纤振动传感器；2传输光缆；3分布式光纤振动测试单元；4振动信号识别分析单元；5长输埋地管道安全评定单元。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

附图1为基于分布式振动光纤的长输埋地管道荷载识别及安全监测方法。具体实施方式是分布式光纤振动传感器1与长输埋地管道同沟铺设，或直接将与长输埋地管道同沟铺设的通讯光缆中的冗余单模光纤作为分布式光纤振动传感器1，管道与分布式光纤振动传感器1的间距小于1m；荷载作用在管道地基上产生振动，振动信号经岩土传输至分布式光纤振动传感器1，分布式光纤传感器1感知振动信息。分布式光纤振动传感器1与传输光缆2连接，传输光缆2接入分布式光纤振动测试单元3，分布式光纤振动测试单元3通过传输光缆2实时采集分布式光纤振动传感器1上感知的振动信号，并对采集的振动信号与非荷载作用下的信号进行差值，保存差值后又明显突变的信号，并将保存的信号传输至振动信号识别分析单元4进行处理，振动信号识别分析单元4对振动信息进行能量谱分析并对比自身荷载样本空间的样本，识别出荷载类型、大小并统计荷载作用频次。识别出的荷载信息传输给长输埋地管道安全评定单元5，基于管道地基的物理性质和所接收到的荷载信息，分析作用荷载下长输埋地管道的力学特征，对长输埋地管道进行安全评定。

附图2为振动信号识别分析系统工作示意图。具体实施方式为预先在实验室或户外模拟建立常规荷载试验，如不同等级的车辆荷载(标记为车辆荷载-1，车辆荷载-2，…，车辆荷载-n)，不同类型的占压荷载(图中标记为占压荷载-1，占压荷载-2，…，占压荷载-m)，采空区塌陷荷载以及其他作用荷载，将各种试验荷载作用在管道地基上，分布式光纤振动测试单元3实时采集各种作用荷载产生的振动信号，对振动信号进行相应的能量谱分析，建立振动荷载与能量谱的对应关系，各种对应关系构成荷载样本空间。实际监测中，分布式光纤振动测试单元3采集各种振动信号(如图中的车辆荷载-i，占压荷载-j或采空区塌陷荷载)，将振动信号传输至振动信号分析识别单元4(参见附图1)，振动信号分析识别单元4首先对振动信号进行能量谱分析，然后对比样本空间中的能量谱样本，如果匹配则识别出相应的荷载类型、大小及统计荷载作用频次；如果不匹配，则建立新的振动荷载与能量谱的关系，并加入到样本空间中，更新荷载识别样本空间。

本发明中长输埋地管道输送介质可为油、气或水；分布式光纤振动传感器1可以是与长输埋地管道同沟铺设的通讯光缆中的一根冗余单模光纤，也可以在距长输埋地管道1m范围内开沟铺设分布式光纤振动传感器1。