地质灾害诱发的输油管道变形光纤监测技术研究

发布时间：2020-07-31 10:20

【摘要】：石油与天然气的安全运输是国家经济发展和人民物质生活的命脉。我国的输油管道工程多为超长距离的线性工程,其穿越的地理单元跨度大,地貌和地质等条件复杂。管道沿线地质灾害的发生对长距离输油管道的安全造成严重威胁,因此,对管道及其沿线地质灾害的监测一直是重点研究的课题。传统的管道监测技术难以满足管道长距离、分布式和实时监测的要求。论文针对油气管道沿线常见的滑坡等地质灾害的特点和致灾规律,利用课题组研发的先进的光纤监测技术,设计了室内管道模型试验,对光纤监测技术的可行性和传感器性能进行了验证;设计了管土模型试验,获得了管道与土体耦合变形的规律,并结合实际工程,建立了油气管线地质灾害光纤监测系统,对管道安全进行了监测和评估。论文的工作和取得的成果总结如下:(1)总结了管道本体和管道沿线地质灾害监测技术的国内外现状,介绍了各类监测手段的优缺点和适用条件,对管道沿线地质灾害类型及破坏特点进行了总结,分析了管道和边坡的监测要素。(2)介绍了光纤布拉格光栅技术(FBG)和布里渊光时域反射解调技术(BOTDA/R)的感测原理和特点,设计和选取了边坡监测和管道本体监测中的光纤传感器,包括光纤光栅土压力盒、光纤光栅串、光纤光栅位移计、光纤光栅温度计、光纤光栅钢筋应力计、光纤光栅锚索测力计、光纤光栅倾角计、光纤光栅角度计、0.9mm聚氨酯护套光缆、定点光缆等等。(3)对基于BOTDA和FBG的管道本体变形光纤监测关键技术进行了研究。开展了基于分布式光纤的PVC管道侧向变形监测模型试验,论证了分布式光纤在预测管道侧向变形规模和变形方向的可行性。(4)开展了全尺寸输油管道四点弯试验,研究了环氧粉末防腐层对传感器性能的影响,对不同封装类型的传感器性能进行了对比,结果表明:对于表面应变计,考虑到其需要焊接的特点必须进行打磨,而光纤光栅单点和贴片式应变计无需打磨即可直接安装进行监测;以传统的电阻应变片为比对标准,分析了不同封装类型的传感器测量精度,发现光纤光栅单点传感器和0.9mm聚氨酯光缆表现良好,推荐使用在实际工程中。(5)开展了埋地管道-土体协调变形监测模型试验。试验表明:分布式光纤监测系统可以圈画出滑坡发生的范围和时机,呈现出滑坡体及其周边的应变变化和土体变形情况;光纤土压力计可以根据主动和被动土压力反映出滑块滑动的方向,而分布式传感光缆和位移计可以反映管体的应变和挠度状态,以此形成了立体化的监测系统,实现了多指标、多参量、综合化的滑坡区管道变形破坏的准确预测,以及滑坡发展初期管-土协调变形规律。(6)设计了一套管道沿线边坡稳定性光纤监测系统,并结合实际工程,介绍了该系统的野外施工流程和监测软件。该监测系统兼具滑坡灾害和管道变形监测的功能,可实现远程自动化监测。研究成果对于我国输油管道工程安全运行和一带一路建设具有重要意义。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P694;TE973.6
【图文】：

原油管道,爆炸事故

图１－１原油管道泄漏爆炸事故逡逑因此，采用可靠、高效的监测手段实时监测长输油管道在地质灾害作川下形状态，同时针对长输油气管道地质灾宵风险建、＇／：行之有效的安全监测预瞥，对预防管道变形破坏导致的油气泄■事故具有重要的意义。逡逑

照片,摄像头,管内,照片

图像监测技术是指摄像机在管道内远程采集检测图像，由基站技术人员判断逡逑其故障，一种典型的方法是闭路电视（Ｃｌｏｓｅｄ邋Ｃｉｒｃｕｉｔ邋Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ），闭路电视显示逡逑的摄像机和图像如图１－２所示。闭路电视系统有两种，一种是在观察管道的井口逡逑安装固定视频监视器或盒式录音机；另一种是机器人爬行器，上面装有摄像机，逡逑在管道内运行，由专业操作人员移动控制。该方法的优点是提供了移动摄像机所逡逑获取的实时、第一手和直观的图像信息，有助于技术人员做出直观的判断［４］。然逡逑而，该技术的运用受到了图片质量的限制，如不清晰的裂缝或其它因障碍物遮蔽逡逑而漏掉的缺陷。此外，由于技术人员缺乏经验、注意力不足等也会影响缺陷识别逡逑的准确性。为了克服环境影响和图像噪声对诊断过程的负面影响，文献［５］提出了逡逑一种基于边缘检测（Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ邋Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋Ｅｄｇｅ邋Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）的形态逡逑学分割方法，将其应用于闭路电视图像中下水道管道缺陷的形态识别，用以提高逡逑识别的准确度。逡逑图１－２邋ＣＣＴＶ摄像头和管内拍摄的缺陷照片（据Ｓ．Ｋ．邋Ｓｉｎｈａ

金属损耗,管道壁厚,监测技术,壁厚变化

从一端间隔式地激发高频的纵波和横波，从另一端进行接收。当传播的超逡逑声波进入另一种材料或遇到裂缝时会产生反射，通过利用己知的材料特性分析回逡逑波间隔，可以测量出管道的壁厚。图１－３描述了金属损耗检测和定量壁厚测量的逡逑超声原理。图中黄色的压电传感器发射出一个超声波短脉冲，当沿管道直径传播逡逑的声波遇到管道内壁时，部分波透射继续传播，部分波反射回来，由于管道和管逡逑壁中的声速是恒定和已知的，通过获得传播时间乘以速度即可计算出传感器与内逡逑壁之间的距离以及壁厚的值。逡逑Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋Ｍｅｔｄ邋Ｌｏｕ逦Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋Ｍ？ｔｄ邋Ｌｏｕ逡逑？灥；匕逡逑ｉ逡逑％邋＾逦厂—逦，逦逦逦逡逑＾邋＇邋ｊ逦Ｓｔａｎｄｏｆｆ逡逑１０Ｏ２Ｏ０３Ｏ０？００Ｗ０？Ｏ０ｎＸＩ８０Ｏ？ＱＯ逦１０００邋Ｉ邋ｔＯＯ逡逑ｌｅｎｇｔｈ，邋ｍｍ逡逑Ｉ邋３０－逡逑Ｊ邋＾逦＾逦＂邋ｔ—逡逑＾邋ｉ0逦Ｗａｌｌ邋Ｔｈｉｃｋｎｅｔｓ逡逑＊逦１逦ｉ逡逑ｈ邋？逦？－逦—？邋Ｈ＇邋ｎ邋ｌ邋，＿＿ｆ逦＞逦＇＞邋■逦？＇邋ｉ邋■邋■逦，邋ｉ，邋Ｉ逦？邋１逦？邋ｉ邋？逡逑＾逦ｌ0０邋２０0］00４１Ｘ）３0ＯＡＯ0／０0ａ（？Ｖ0０邋１０００逦１１００逡逑ＬｏｏＱｔｎ

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