一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，涉及線速度的測(cè)量、液位的測(cè)量、機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量、一般的安全裝置和管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。其流程為：山洪水情和管道分別進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)、流速監(jiān)測(cè)和管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)；波長(zhǎng)信號(hào)的解調(diào)、采集、預(yù)處理；信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸與接收；信號(hào)的進(jìn)一步分析與處理；洪峰流量變化動(dòng)態(tài)顯示、管線渦激振動(dòng)頻率動(dòng)態(tài)顯示；山洪洪峰流量預(yù)報(bào)、管線疲勞狀態(tài)分析；山洪預(yù)報(bào)、管道安全預(yù)警。本發(fā)明空間分辨率高、成本低、安全有效。
【專利說(shuō)明】一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，涉及線速度的測(cè)量、液位的測(cè)量、機(jī)械振動(dòng)的測(cè)量、一般的安全裝置和管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]山洪災(zāi)害是指山丘地區(qū)由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡災(zāi)害。隨著近年來(lái)全球氣候變暖導(dǎo)致極端天氣異常，幾十年不遇甚至百年不遇的暴雨時(shí)有發(fā)生。我國(guó)中小河流眾多，流域面積在100?IOOOkm2的河流有5萬(wàn)多條；同時(shí)我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū)，山丘區(qū)暴雨頻發(fā)，溝壑縱橫、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，再加上人類工程活動(dòng)(亂砍濫伐、開(kāi)山削坡、水利灌溉)的日益加劇，對(duì)原始地形、地貌形成較大的擾動(dòng)破壞，導(dǎo)致山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁。
[0003]長(zhǎng)輸油氣管道與鐵路、公路等一樣，是典型的線型工程，這些線型工程不可避免地受到河流、溝道的影響，如沖刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蝕和河流改道；在地形起伏的地區(qū)，這些工程還受到流水所致的坡面侵蝕的影響，如坡面水土流失所致地表塌陷、管溝掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山區(qū)及山前區(qū)中小河流，因河道坡降較大而引發(fā)的匯水面積大、水流急、沖刷劇烈等，使河床常常暴露出基巖、卵礫石及漂石。在這類河道中敷設(shè)管道時(shí)，管道若沒(méi)有嵌固于穩(wěn)定的基巖內(nèi)或在埋深不夠時(shí)，一旦山洪暴發(fā)，表層這些塊石及漂石在高速水流作用下一起運(yùn)動(dòng)，管道極有可能被水沖出，形成與地表面不直接接觸的懸空管段，即管跨段。在一定條件下，水流流經(jīng)管線時(shí)，管線的尾流區(qū)產(chǎn)生渦旋，并且渦旋以一定的頻率在管線后側(cè)交替釋放，使管線受到一個(gè)順流向的波動(dòng)阻力和垂直于流向的波動(dòng)升力，引起管線振動(dòng)，這一現(xiàn)象通常稱為渦激振動(dòng)，它是影響洪水作用下管線的使用壽命、引發(fā)管跨段疲勞失效的主要因素之一。
[0004]洪水災(zāi)害給我國(guó)油氣管道工業(yè)帶來(lái)了巨大的風(fēng)險(xiǎn)和損失。如黃土高原的馬惠寧管道，建成投產(chǎn)后洪水災(zāi)害不斷出現(xiàn)，曾數(shù)次發(fā)生懸空、斷管事故。西北地區(qū)的澀寧蘭輸氣管道山洪災(zāi)害亦很頻繁，經(jīng)常造成管道外露和懸空。2004年7月，青海省樂(lè)都地區(qū)突降大雨，石頭溝暴發(fā)山洪，洶涌的洪水將管線沖出，使管道呈裸管懸空的狀態(tài)，洪水夾帶的大漂石強(qiáng)烈沖擊管道。2010年7月，忠武管道榔坪地區(qū)遭遇強(qiáng)降雨襲擊。暴雨使榔坪河洪水暴漲，沿河道敷設(shè)的忠武管道多處出現(xiàn)險(xiǎn)情，其中兩處管道長(zhǎng)距離漂管，一處露管，另有30多處水工保護(hù)擋墻被沖毀。2010年8月，四川德陽(yáng)石亭江洪水暴漲，導(dǎo)致河堤被沖毀，出現(xiàn)大面積潰堤，造成蘭成渝管道某支線懸空400m，完全暴露于水流沖刷之下。2011年3月，西氣東輸二線呼圖壁縣黑娃山溝發(fā)生洪水，造成該段沖溝底部下切，約140m管道被沖出，發(fā)生管線露空漂浮，情況危急。
[0005]面對(duì)眾多的中小流域山洪災(zāi)害，我國(guó)管道運(yùn)營(yíng)公司經(jīng)常采取積極的水工保護(hù)工程防護(hù)措施，但這些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防護(hù)工程也并非“一勞永逸”，設(shè)計(jì)施工的不確定因素較多，再者防護(hù)治理的周期長(zhǎng)以及治理時(shí)機(jī)不易掌握。而監(jiān)測(cè)則是一種高效、低成本的防治措施。
[0006]目前，我國(guó)中小河流山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)還處于起步階段，由于大部分中小河流站網(wǎng)密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有強(qiáng)度大、歷時(shí)短、難預(yù)報(bào)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的山洪災(zāi)害水情監(jiān)測(cè)多采用機(jī)械式或電磁式傳感器，對(duì)于前者，其技術(shù)相對(duì)成熟，常見(jiàn)的有浮子式水位計(jì)、差壓式水位計(jì)、機(jī)械轉(zhuǎn)子式流速計(jì)等，但由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)自身限制，其測(cè)量誤差大、精度低；對(duì)于后者，常見(jiàn)的有雷達(dá)式液位計(jì)、超聲波流速儀、聲學(xué)多普勒流速儀等，測(cè)量精度較高、使用簡(jiǎn)便，但成本高，且易受電磁波干擾。另外，對(duì)于滑坡、崩塌、地面塌陷、凍脹融沉、活動(dòng)發(fā)震斷層等大規(guī)模土體移動(dòng)作用下埋地管道的安全監(jiān)測(cè)更多的關(guān)注于對(duì)管體應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測(cè)，而山洪作用下管道的破壞方式主要表現(xiàn)為流固耦合效應(yīng)引起的渦激振動(dòng)導(dǎo)致管道發(fā)生疲勞失效，單純的監(jiān)測(cè)管體應(yīng)力應(yīng)變已不能滿足山洪作用下管道安全防護(hù)的要求。對(duì)于金屬構(gòu)件的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械式、電類振動(dòng)傳感器(如壓電、磁電和電渦流式等)存在靈敏度低、測(cè)量范圍小、傳輸距離近以及材料缺陷等缺點(diǎn)，不適用于大型工程的長(zhǎng)期遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近幾年興起的分布式光纖傳感技術(shù)(以BOTDR為代表)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面已有一定的應(yīng)用，但尚未見(jiàn)到將光纖光柵技術(shù)應(yīng)用于山洪作用下管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)的報(bào)道。
[0007]當(dāng)前山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)多應(yīng)用于公路、鐵路、電站、大壩等工程及城鎮(zhèn)防洪體系建設(shè)，還未對(duì)山洪及其影響下的埋地油氣管道進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)。開(kāi)展管道山洪災(zāi)害聯(lián)合監(jiān)測(cè)，不僅能超前判斷山洪形成前的水位、流速及洪峰流量，還能查明水流沖刷對(duì)管道的影響方式和程度，更重要的是能掌握鋼質(zhì)管道在洪水沖擊作用下發(fā)生渦激振動(dòng)的條件及變化規(guī)律，判斷管道的安全狀態(tài)，為防治時(shí)機(jī)的確定提供依據(jù)。綜合以上的信息，就能對(duì)山區(qū)河溝谷地段的管道進(jìn)行安全預(yù)警，提前預(yù)報(bào)山洪的形成時(shí)間、規(guī)模以及管道的危險(xiǎn)狀態(tài)，為減災(zāi)方案的設(shè)計(jì)實(shí)施提供依據(jù)。
[0008]光纖光柵是近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無(wú)源器件。它是利用光纖材料的光敏特性在光纖的纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在該區(qū)域的傳播行為方式。除具有普通光纖抗電磁干擾、尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)外，光纖光柵還具有其獨(dú)特的特性:易于與光耦合、耦合損耗小、易于波分復(fù)用等。因而使得光纖光柵在光纖通訊和光纖傳感等領(lǐng)域有著廣闊的前景。作為光子研究領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，以光纖光柵為基本傳感器件的傳感技術(shù)近年來(lái)受到普遍關(guān)注，各國(guó)研究者積極開(kāi)展有關(guān)研究工作。目前，已報(bào)道的光纖光柵傳感器可以監(jiān)測(cè)的物理量有:溫度、應(yīng)變、壓力、位移、壓強(qiáng)、扭角、扭矩(扭應(yīng)力)、加速度、電流、電壓、磁場(chǎng)、頻率、濃度、熱膨脹系數(shù)、振動(dòng)等，其中一部分光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。
[0009]光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating)是最簡(jiǎn)單、最普遍的一種光纖光柵。它是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。溫度、應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。
[0010]由I禹合模理論可知,均勻的光纖布拉格光柵可以將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模I禹合到另一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)(布拉格波長(zhǎng))X B為:
[0011]Ab = 2neff A (I)
[0012]式中:λ B為布拉格波長(zhǎng)；neff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵柵距。
[0013]對(duì)式(I)微分可得光柵的中心波長(zhǎng)與溫度和應(yīng)變的關(guān)系:[0014]^ = (^+^ + (1-^)^(2)
[0015]式中:a f為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖材料的熱光系數(shù)為光纖材料的彈光系數(shù)。由式(2)可知，應(yīng)變?chǔ)攀怯捎诠饫w布拉格光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起布拉格波長(zhǎng)的變化，而溫度T是由于光纖布拉格光柵熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起布拉格波長(zhǎng)的變化。
[0016]光纖光柵可制成各種傳感器件，在傳感領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的電傳感器相t匕，光纖光柵傳感器具有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):(I)傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、外形可變，適合埋入各種大型結(jié)構(gòu)中，可測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等，穩(wěn)定性、重復(fù)性好；(2)與光纖之間存在天然的兼容性，易與光纖連接、光損耗低、光譜特性好、可靠性高；
(3)具有非傳導(dǎo)性，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，又具有抗腐蝕、抗電磁干擾的特點(diǎn)，適合在惡劣環(huán)境中工作；(4)輕巧柔軟，可以在一根光纖中寫入多個(gè)光柵，構(gòu)成傳感陣列，與波分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式傳感；(5)測(cè)量信息以波長(zhǎng)編碼，因而光纖光柵傳感器不受光源的光強(qiáng)波動(dòng)、光纖連接與耦合損耗、光波偏振態(tài)變化等因素的影響，具較強(qiáng)的抗干擾能力；(6)高靈敏度、高分辯力。
[0017]與廣泛使用的布里淵光時(shí)域反射計(jì)BOTDR相比，光纖光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)有:(I)對(duì)測(cè)量點(diǎn)能精確定位，分辨率高；(2)成本低；(3)能對(duì)傳感部分進(jìn)行加工、封裝，使其更適合現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
[0018]由于這些優(yōu)點(diǎn)，在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器很容易埋入巖土體中對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍測(cè)量，技術(shù)優(yōu)勢(shì)非常明顯，尤其體現(xiàn)在能獲得長(zhǎng)期、可靠的巖土體變形數(shù)據(jù)，目前還未見(jiàn)到光纖光柵傳感技術(shù)用于山澗河谷地區(qū)山洪雨水情及洪水沖擊作用下管線渦激振動(dòng)頻率聯(lián)合監(jiān)測(cè)的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種空間分`辨率高、成本低、安全有效的基于光纖光柵的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法。
[0020]本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)山澗河谷地區(qū)山洪水情及洪水沖擊作用下的管道進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括河道水位、山洪流速和管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)。并構(gòu)建了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)分析。
[0021]本發(fā)明提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括三部分:水位監(jiān)測(cè)、流速監(jiān)測(cè)和管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分別采用光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，光纖光柵預(yù)警內(nèi)容包括對(duì)山洪的洪峰流量和管線渦激振動(dòng)頻率的預(yù)警。
[0022]基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)方法原理流程圖如圖1所示，監(jiān)測(cè)方法如圖2所示。將金屬平板I用螺栓2固定于河道岸邊，在金屬平板I上安裝防護(hù)筒3，并將防護(hù)筒3向下置于河道中，用螺栓將光纖光柵水位傳感器4固定于防護(hù)筒3壁內(nèi)，在河道底部安裝基準(zhǔn)樁5，樁上固定光纖光柵流速傳感器6，在油氣管道7的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵振動(dòng)傳感器8，然后將水位傳感器4、流速傳感器6與振動(dòng)傳感器8 一并引入光纖接線盒9，與引至監(jiān)測(cè)站的光纜10連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜10與光開(kāi)關(guān)11連接，光開(kāi)關(guān)11與光纖光柵解調(diào)儀12連接，解調(diào)儀12與下位機(jī)13連接，下位機(jī)13預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊14傳輸，無(wú)線通訊模塊15接收到上位機(jī)16;用上述裝置對(duì)油氣管道山洪災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0023]光纖光柵水位傳感器4、光纖光柵流速傳感器6和光纖光柵振動(dòng)傳感器8將山洪水位、河道流速和管線渦激振動(dòng)信號(hào)經(jīng)光纜I 10傳到光開(kāi)關(guān)11，光開(kāi)關(guān)11后經(jīng)解調(diào)儀12解調(diào)傳至下位機(jī)13，下位機(jī)13調(diào)用自編的程序，控制光開(kāi)關(guān)11和解調(diào)儀12，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊I 14傳輸、無(wú)線通訊模塊II 15接收到到上位機(jī)16，上位機(jī)16對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，通過(guò)河道水位和山洪流速計(jì)算得到山洪的洪峰流量，判斷該區(qū)域的洪峰流量是否已達(dá)到預(yù)報(bào)警戒值，并結(jié)合管線渦激振動(dòng)頻率與管線自身的固有振動(dòng)頻率的對(duì)比分析，判斷山洪沖擊作用下管道的安全狀態(tài)。數(shù)據(jù)的處理主要由軟件完成，軟件流程如圖3所示。下位機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將光纖光柵解調(diào)儀采集的光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)雨量、水位和流速計(jì)算山洪總量和洪峰，并將其與管線渦激振動(dòng)信號(hào)相結(jié)合，判斷山洪形成的時(shí)間、規(guī)模及洪水沖刷作用下管道的安全狀況。 [0024]基于光纖光柵傳感技術(shù)的油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法的流程如圖1所示，為:
[0025]山洪水情和管道分別進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)、流速監(jiān)測(cè)和管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)；
[0026]波長(zhǎng)信號(hào)的解調(diào)、采集、預(yù)處理；
[0027]信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸與接收；
[0028]信號(hào)的進(jìn)一步分析與處理；
[0029]洪峰流量變化動(dòng)態(tài)顯示、管線潤(rùn)激振動(dòng)頻率動(dòng)態(tài)顯示；
[0030]山洪洪峰流量預(yù)報(bào)、管線疲勞狀態(tài)分析；
[0031]山洪預(yù)報(bào)、管道安全預(yù)警。
[0032]其中:
[0033]水位監(jiān)測(cè)方法水位監(jiān)測(cè)方法采用自行設(shè)計(jì)的光纖光柵水位傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在不銹鋼密閉箱體17的上、下兩個(gè)端面的中心位置固定一圓柱體18，將一支光纖光柵應(yīng)變傳感器I 19粘貼于圓柱體18表面，并通過(guò)光纜II 20將信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站，其原理如下:
[0034]根據(jù)靜水力學(xué)原理，河道水深h處的靜水壓強(qiáng)P為
[0035]P = P0+Yh (3)
[0036]其中=Ptl為大氣壓強(qiáng)，Y為水的容重。
[0037]在圖4中，密閉箱體17由于受外表面水壓P的影響發(fā)生變形，導(dǎo)致內(nèi)部與其連接的圓柱體18產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)?，根?jù)彈性力學(xué)，有:
[0038]P = Ee(4)
[0039]其中:E為圓柱體18的彈性模量。
[0040]當(dāng)河道水位發(fā)生變化時(shí)，在外表面水壓力作用下，箱體17及其內(nèi)部相連的圓柱體18發(fā)生變形，從而引起粘貼于圓柱體18上的溫度補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器I 19產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)?，?dǎo)致布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，其變化關(guān)系見(jiàn)式(2)。
[0041]聯(lián)合式(2)、(3)、(4)，可得:[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其特征是監(jiān)測(cè)所用裝置為:將金屬平板(I)用螺栓(2)固定于河道岸邊，在金屬平板(I)上安裝防護(hù)筒(3)，并將防護(hù)筒(3)向下置于河道中，用螺栓將光纖光柵水位傳感器(4)固定于防護(hù)筒(3)壁內(nèi)，在河道底部安裝基準(zhǔn)樁(5)，樁上固定光纖光柵流速傳感器(6)，在油氣管道(7)的監(jiān)測(cè)截面上安裝光纖光柵振動(dòng)傳感器(8)，然后將水位傳感器(4)、流速傳感器(6)與振動(dòng)傳感器(8)—并引入光纖接線盒(9)，與引至監(jiān)測(cè)站的光纜I (10)連接，在監(jiān)測(cè)站里，光纜I (10)與光開(kāi)關(guān)(11)連接，光開(kāi)關(guān)(11)與解調(diào)儀(12)連接，解調(diào)儀(12)與下位機(jī)(13)連接，下位機(jī)(13)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊I (14)傳輸，無(wú)線通訊模塊II (15)接收到上位機(jī)(16); 光纖光柵水位傳感器(4)、光纖光柵流速傳感器(6)和光纖光柵振動(dòng)傳感器(8)將山洪水位、河道流速和管線渦激振動(dòng)信號(hào)經(jīng)光纜I (10)傳到光開(kāi)關(guān)(11)，光開(kāi)關(guān)(11)后經(jīng)解調(diào)儀(12)解調(diào)傳至下位機(jī)(13)，下位機(jī)(13)調(diào)用自編的程序，控制光開(kāi)關(guān)(11)和解調(diào)儀(12)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通訊模塊I (14)傳輸、無(wú)線通訊模塊II (15)接收到到上位機(jī)(16)，上位機(jī)(16)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，通過(guò)河道水位和山洪流速計(jì)算得到山洪的洪峰流量，判斷該區(qū)域的洪峰流量是否已達(dá)到預(yù)報(bào)警戒值，并結(jié)合管線渦激振動(dòng)頻率與管線自身的固有振動(dòng)頻率的對(duì)比分析，判斷山洪沖擊作用下管道的安全狀態(tài)；下位機(jī)數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將光纖光柵解調(diào)儀采集的光波長(zhǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，根據(jù)雨量、水位和流速計(jì)算山洪總量和洪峰，并將其與管線渦激振動(dòng)信號(hào)相結(jié)合，判斷山洪形成的時(shí)間、規(guī)模及洪水沖刷作用下管道的安全狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其特征是具體流程為: 山洪水情和管道分別進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)、流速監(jiān)測(cè)和管線渦激振動(dòng)監(jiān)測(cè)； 波長(zhǎng)信號(hào)的解調(diào)、采集、預(yù)處理； 信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸與接收； 信號(hào)的進(jìn)一步分析與處理； 洪峰流量變化動(dòng)態(tài)顯示、管線渦激振動(dòng)頻率動(dòng)態(tài)顯示； 山洪洪峰流量預(yù)報(bào)、管線疲勞狀態(tài)分析； 山洪預(yù)報(bào)、管道安全預(yù)警。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其特征是所述水位監(jiān)測(cè)方法采用自行設(shè)計(jì)的光纖光柵水位傳感器，在不銹鋼密閉箱體(17)的上、下兩個(gè)端面的中心位置固定一圓柱體(18),將一支光纖光柵應(yīng)變傳感器I (19)粘貼于圓柱體(18)表面,并通過(guò)光纜II (20)將信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站；其計(jì)算方法如下: 河道水深h處的靜水壓強(qiáng)P為 P=P0+ GAMMAh3) 其中Λ為大氣壓強(qiáng)，Y為水的容重； 密閉箱體(17)由于受外表面水壓P的影響發(fā)生變形，導(dǎo)致內(nèi)部與其連接的圓柱體(18)產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)牛? P = E ε4) 其中:Ε為圓柱體18的彈性模量； 當(dāng)河道水位發(fā)生變化時(shí)，在外表面水壓力作用下，箱體(17)及其內(nèi)部相連的圓柱體(18)發(fā)生變形，從而引起粘貼于圓柱體(18)上的溫度補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器I (19)產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)牛瑢?dǎo)致布拉格波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，其變化關(guān)系見(jiàn)式2)； 聯(lián)合式2)、3)、4)，可得:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其特征是所述流速監(jiān)測(cè)方法是采用光纖光柵流速傳感器，由文丘里管式節(jié)流管(21)、導(dǎo)管I (22)、導(dǎo)管II (23)和光纖光柵壓強(qiáng)傳感機(jī)構(gòu)組成，流體從左向右流過(guò)；當(dāng)流量密度一定時(shí)，非壓縮流體的伯努利方程為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)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為河道的洪峰流量，Ah為河道水位的變化值、L為河道寬度,V為山洪流速；因此，根據(jù)監(jiān)測(cè)獲得的河道水位和山洪流速，利用式12)可計(jì)算得到山洪的洪峰流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種油氣管道山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法，其特征是所述管線渦激振動(dòng)頻率監(jiān)測(cè)方法采用自行設(shè)計(jì)的光纖光柵振動(dòng)傳感器；在基座(30) —側(cè)內(nèi)壁上固定一根金屬桿(31),桿的自由端固定一個(gè)金屬塊(32),將一支溫度補(bǔ)償型光纖光柵應(yīng)變傳感器III(33)粘貼于金屬桿(31)表面，并通過(guò)光纜IV(34)將信號(hào)引至監(jiān)測(cè)站，其計(jì)算方法如下: 如將金屬桿(31)等效為一懸臂梁，有
【文檔編號(hào)】G08B21/10GK103700221SQ201210365809
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】韓冰, 馬云賓, 李亮亮, 譚東杰, 郝建斌, 吳張中, 荊宏遠(yuǎn), 劉建平 申請(qǐng)人:中國(guó)石油天然氣股份有限公司