基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法北大核心

油气管道结构状态退化以及损伤缺陷的发生具有显著的时空分布不确定性。为了实时评估埋地管道的结构状态,提出一种基于分布式光纤传感器的埋地管道监测方案,建立了基于分布式监测数据的埋地管道结构状态的定量评估方法,并以某埋地燃气管道为例加以应用。结果表明:基于分布式光纤传感器的监测方案,可与埋地管道施工工艺无缝衔接,便于实际操作;分布式光纤传感器可以准确获得埋地管道弯曲应变与管体温度的时空演化行为,克服了常用点式传感器无法覆盖管道整体的局限;利用管道弯曲应变、管体温度的分布式监测数据,再辅以管道的材料、几何参数以及内压监测数据,可以实时、定量评估埋地管道的结构状态,从而为埋地管道全寿命周期结构状态的评估提供依据。     

埋地管道微小泄漏与保温层破坏分布式光纤监测试验

分布式光纤测温技术可以实现埋地管道泄漏的实时在线监测,但是目前国内外在微小泄漏识别、保温层破坏导致的温度异常、传感器位置与监测性能的关系等方面的研究仍不够完善。设计了一套埋地输油管道泄漏监测试验装置,通过对足尺寸管道的泄漏模拟,研究了管道输送介质温度、泄漏流量、保温层破坏程度、传感器布设位置对分布式光纤传感器监测性能的影响,提出了基于分布式温度监测数据的实时泄漏识别方法。研究结果表明:管内介质与管外土体之间存在温度差异是实现泄漏监测的关键,在内压和温度确定的条件下,泄漏流量对监测效果的影响不显著;为了有效监测不同环向位置的泄漏,建议将分布式光纤传感器布设于管道底部;基于温度监测时程数据的B值识别算法,可以有效地区分温度异常情况是由管道泄漏或保温层破坏引起的,具有较高的识别精度。     

管道泄漏分布式光纤监测时-空大数据分析方法

分布式光纤传感器能够灵敏地感知管道任意位置泄漏导致的局部温度变化,但是海量监测数据却具有显著的时-空非平稳性特征,难以直接根据监测数据进行泄漏诊断。在统计模式识别框架下,提出一种基于滑动窗口离群值分析的时-空大数据分析方法,仅利用分布式温度监测数据的内秉特征即可实现管道泄漏的智能化识别,确定了滑动窗口长度和异常状态诊断窗口长度的取值方法,并且进行了原型保温钢管泄漏监测的物理模拟。结果表明:在管道完好的状态下,该方法不会发生误报警的情况,而管道一旦发生泄漏,该方法能够快速识别管道泄漏事件,并对泄漏位置进行精准定位。该方法是一种无监督的人工智能大数据处理方法,在埋地管道泄漏监测中具有良好的应用前景。     

中俄东线天然气管道弯曲变形识别与评价

管道在外部载荷的作用下会发生局部位移及弯曲变形,当与管体腐蚀、制造或焊缝等缺陷叠加时,在应力集中点将引起管体失效,严重威胁人员安全、造成环境污染及经济损失。基于惯性测绘的内检测技术是一种准确识别管道弯曲变形及检测弯曲应变的有效方法,在对管道全线实施检测的同时以弯曲应变的形式反映管道在外部载荷作用下的弯曲状态。中俄东线天然气管道境内段途经沼泽、高寒冻融等地质不稳定区域,洪水、地震等自然灾害引起土体移动也会对管体施加外部载荷,在外力作用下管体发生弯曲的可能性较大,易因局部应力集中形成高风险点,通过分析管道弯曲应变数据,结合几何/漏磁内检测发现的管体缺陷,可以更加精确地识别定位对管道安全运行构成潜在威胁的高风险点,有针对性地制定监测、修复计划,为中俄东线天然气管道的安全运行提供有效保障。(图7,参21)     

基于分布式光纤声波传感技术的管道侵入识别与定位

管道输送是石油工业中常见的运输方式,其安全监测受国内外研究者的广泛关注,人工侵入事件的识别与报警是其重要研究方向之一.基于光纤传感技术,可以采用同沟铺设的光缆对管道沿线进行监测,获得包括侵入事件在内的各种信号,然而传统分布式光纤震动传感器记录的信号缺少相位信息,无法定位事件.在此使用分布式光纤声波传感器,利用10 km...     

滑坡多发区管道应变监测应变计安装方法

对滑坡地质灾害多发区埋地管道进行应力应变监测,是确保管道安全运行的有效手段。应变计可用于管道应力应变监测,主要包括电阻式应变片、振弦式应变计和光栅光纤式应变计,它们各自拥有不同的特点和适用条件。根据监测目的和要求,基于应用力学理论,分析管道的测点布置以及应变计在每个测点的安装位置和方向:对于只需要确定滑坡对管道是否存在影响的情况,可以在测点安装1支应变计;若只考虑管道弯曲变形,可以在90°夹角方向安装2支应变计;为了完整说明沿管道横截面的纵向应变,至少需要安装3支应变计;安装4支应变计可以得到4个独立的应变数据,从而更精确地了解管道的应变和变形情况。以国内某输气管道为例,基于其结构构造、工作条件、受力方式及现场工况,结合ANSYS有限元分析,确定了适用应变计的监测方案,并给出了监测结果。     

基于光纤传感的管道线路复杂状态监测技术

利用通信光纤感知管道沿线的振动、应变、温度,实现管道沿线威胁事件的监测与定位是国内外研究的热点,但将3种感知数据融合应用仍然处于探索阶段。基于光纤传感原理,提出了管道伴行光缆振动、应变、温度联合监测的方法:利用振动数据进行长度对齐、第三方活动监测,应变数据进行侧向位移监测,温度数据进行泄漏监测等运行异常分析,多维监测数据经过空间长度对准、时间对齐后进行联合分析、交互验证,能够进一步降低误报率。3种感知数据的融合应用能够实现管道复杂环境的线路状态感知,可为管道安全运行提供决策支持。     

光纤光栅传感器在大型储油罐健康监测中的应用

对大型储油罐的损伤机理和光纤光栅传感器的工作原理进行了分析,认为可以利用光纤光栅传感器对大型储油罐进行在线实时损伤监测.通过识别和监测储油罐累积损伤的位置和发生程度,对整个储油罐系统进行损伤评估,据此采取防治措施.需要解决的问题有:应变与温度的交叉敏感和光纤光栅传感器的安装.     

基于ZigBee技术的牧场火情监控系统设计研究

设计了一种将ZigBee技术引入到牧场火情监测系统中的方案,构建一个基于zigBee无线传感器网络的牧场火情实时监测系统。该系统可以实时监测牧场的相关参数,如空气湿度、温度及牧场的烟雾浓度变化情况等,为牧场防火灭火提供信息支持。研究了ZigBee无线传感器网络节点的电路设计、节点信息的采集、数据融合、传输以及传感器网络的有效拓扑结构。     

基于光纤光栅应变箍传感器的管道局部腐蚀监测

为了对管道局部腐蚀进行长期、实时监测,自行开发了一种光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)应变箍传感器。介绍了基于FBG应变箍传感器的管道局部腐蚀监测原理,利用这种传感器测量管道的平均环向应变,实现对管道局部腐蚀的监测。将FBG应变箍传感器安装在局部壁厚不同程度减小的钢管道外壁上,分别测量各个管段的平均环向应变,开展局部腐蚀模拟试验。利用材料力学理论计算相同压力下不同腐蚀程度管段的平均环向应变,并用有限元软件进行模拟分析。结果表明:FBG应变箍传感器可以监测到管道平均环向应变的变化,进而反映管道局部腐蚀程度。这种基于管道环向应变监测管道局部腐蚀的方法具有很好的应用前景。     

基于增强现实的管网安全评价数字孪生方法

数字孪生技术被广泛认为是解决信息物理交互融合难题的关键技术,而增强现实技术作为辅助数字孪生虚实交互的有效手段之一,为融合人、管道数字孪生体以及现场环境提供了解决途径。集成数字孪生、增强现实、分布式光纤监测等技术,构建地下管网结构安全评价数字孪生框架,并详细阐述了物理管网、虚拟管网、基于增强现实的数字孪生服务的构建理论,并将该理论及方法应用于某地下管网。结果表明：数字孪生与增强现实融合驱动的地下管网结构安全评价方法实现了虚拟管网与物理管网在现场环境中的一一映射关联,通过数字孪生技术进行管道结构状态的实时定量评价,帮助现场人员更加全面地感知、理解甚至超越现实世界,可为提升现场即时处置能力提供技术支持。（图9,表1,参20）     

油气管道监测技术发展现状

油气管道状态监测是其安全运行的重要保障,目前国际上发展了包括非光纤型和基于光纤的多种监测技术,分为视频监控、基于电的声学传感、水听器技术、浮球、光纤传感等类型。非光纤型监测技术介绍了PIGPEN声学传感器系统、PipeGuard地下声学传感系统、A—GAS视频监测装置、ThreatScan卫星中继声学入侵探测系统、管内浮球法5种技术方法的工作原理和发展现状;基于光纤的监测技术介绍了澳大利亚FFT（FutureFibreTechnologies）公司管道入侵探测产品SecurePipe、英国QinetiQ公司安全监控产品OptaSense、英国FotechSolutions公司Helios分布式声学传感系统、瑞士Omnisens公司基于BOTDA技术的DiTEST测试仪的技术性能和应用案例。其中,光纤传感方法以其隐蔽性、经济性和安全性而具有独特的优势,具有较好的推广应用前景。（图8,表2,参12）     

长输管道隧道穿越区管体安全监测方法

为了研究隧道穿越区长输管道发生位移变形时的安全状态,对山东某输气管道隧道穿越区进行了安全监测。介绍了管体穿越隧道时产生位移形变的可能原因和判断方法,隧道自动监测系统的构成和原理,监测系统安装的推荐最优化布置方案,以及数据分析的方法和经验。总结了隧道内管体监测系统选用及安装的一些经验。研究表明:隧道内穿越管道初始投入使用时将产生较大的自适应变形,曲率较大处应尽量避免集中约束。管道产生较大位移及形变时,可采用该监测方法进行安全分析,最终得到穿越区管体的安全状态。     

管道振弦式应变传感器的使用性能对比

振弦式应变传感器已广泛应用于油气管道本体应力应变监测领域,但受管道运行工况、安装工艺等的影响,不同类型振弦式传感器的使用性能存在明显差异。为掌握该类传感器在油气管道应变监测中的实际使用寿命,对比监测数据误差,以点焊型和弧焊型振弦式应变传感器为研究对象,对穿越曲阜煤矿采空区的天然气管道应力状态进行连续监测,通过12年监测数据的对比分析表明：弧焊型传感器的存活率随时间线性下降,而监测数据误差呈线性增长趋势,传感器累计测量误差较大,这是由于弧焊型传感器采用防腐层安装,不能直接获取管道真实应力,且易受外界因素影响脱落所致。与弧焊型传感器相比,点焊型传感器测量数据能够真实反映管道应力应变状态,且使用寿命更长,满足持续监测对传感器最低存活率的要求。（图6,表3,参23）     

分布式光纤传感器监测堤坝隐患试验研究

分布式光纤传感器以温差和应变识别为基础,依靠长距离和连续监测在堤坝形变、渗漏监测上有优势。采用水平方向分层布设的光纤,研究堤坝轴线方向不同深度的变形情况;采用竖直方向的绕曲布设和水平方向的平铺布设方式,从两个方向进行堤坝温度的监测,有效地反映出堤坝内部温度场的分布和异常变化。通过室内局部模拟测试和室外堤坝模型试验表明,分布式光纤传感器用于堤坝隐患监测方面具有良好的效果和应用前景,埋设了分布式光纤传感器的堤坝模型为进一步的堤坝隐患预警判据研究提供了试验平台。     

光纤光栅传感器在大型储油罐健康监测中的应用

对大型储油罐的损伤机理和光纤光栅传感器的工作原理进行了分析,认为可以利用光纤光栅传感 器对大型储油罐进行在线实时损伤监测。通过识别和监测储油罐累积损伤的位置和发生程度,对整个储 油罐系统进行损伤评估,据此采取防治措施。需要解决的问题有:应变与温度的交叉敏感和光纤光栅传 感器的安装。     

预应力混凝土连续箱梁桥的监测技术

针对中小跨径预应力混凝土连续梁桥的结构特性,提出了基于远程监测数据的桥梁状态评估方法。结合有限元模型,利用插值拟合准则,对实桥埋设的应变传感器进行了优化布置。建立数据采集及监控评估系统,对桥梁进行长期跟踪观测,实时了解被监控桥梁的状态,并对其安全性能进行评估。     

爆破对输气管道本体影响的监测

通过管道震动加速度动态实时监测和管道本体变形实时监测相结合的方法,对受爆破影响区域的管道进行监测,并通过数据处理和分析,得到了爆破发生时管道的最大震动加速度和速度,以及爆破发生时刻和爆破前后的管道本体实时应变。结果表明:爆破时,垂直于管道的水平方向冲击最大,但与之相关的最大震动速度远远小于安全指标,平行于管道的水平方向和垂直于管道方向的加速度测量值较小。爆破对管道的变形有一定影响,但这种影响极其微弱,对管体不会产生破坏性影响。综合管道动态监测结果和管道本体应变监测结果表明,在与管道垂直距离200 m外及相当的爆破能量下的爆破对管道本体的影响极其微弱,管道处于安全状态。     

冻土区埋地油气管道管沟融陷机理

为了治理冻土区埋地油气管道管沟融陷工程病害,通过对管道病害现场调查,结合现场地质勘探、含水量试验测试及管周土体温度监测,分析了融陷病害的发生机理,并结合管沟融陷形成因素,提出了相应的防治措施。结果表明:冻土区埋地油气管道管沟融陷病害的发生与地层土质、土体含冰量、冻土类型、管道热扰动及施工方式等因素有关;冻土区埋地油气管道的敷设应选择合理的施工季节,综合分析冻土环境因素,确定合理的管道埋设深度,设置管道隔热保温措施,加强管道运行状态监测和科学管理,从而保证管道安全运行。研究成果可为冻土区埋地油气管道的设计、施工及安全运营提供借鉴。     

基于耦合分析的管道泄漏诊断方法及应用

目前,基于管道与泵机组间耦合状态分析的管道泄漏诊断方法研究较少。在对管道输送设备进行综合监测的基础上,基于负压波原理,提出了一种基于管道与泵机组状态耦合分析的泄漏监测方法,该方法主要包括了基于逻辑推理的管道压力异常捕捉算法、管道相关设备实时状态识别,以及基于耦合状态分析的管道泄漏判别。现场应用结果证明,该方法提高了对管道小泄漏的检测能力,可以有效排除因泵机组状态异常导致的管道泄漏误报警,降低了管道检漏误报警率,提高了监测效率,为保证管道输送系统的稳定性提供了一种新方法和思路。