CN117007006A - 一种天然气站场管道沉降多维监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气站场管道沉降多维监测系统及方法，多维监测系统包括应变计、静力水准传感器、激光测距仪、数据采集单元和控制单元；应变计用于测量大管径管道的应变；激光测距仪用于测量小管径管道的位移；静力水准传感器用于测量地面沉降位移；数据采集单元用于采集大管径管道的应变、管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。本发明解决了现有采用单一维度对天然气管道进行沉降监测导致监测结果不准确的问题。

Description

一种天然气站场管道沉降多维监测系统及方法

技术领域

本发明涉及管道监测技术领域，具体涉及一种天然气站场管道沉降多维监测系统及方法。

背景技术

站场是天然气长输和集输管道中转的关键节点，是管网安全和稳定运行的关键保障，我国地域辽阔、地质条件复杂，许多已建和在建站场周围地质灾害频发，均出现了不同程度的地基沉降隐患。地基沉降会导致站场管道产生应力集中和变形，若不能及时掌握站场管道及其所处地质变化情况，一旦超过管材极限应力会导致管道破损失效，最终造成天然气泄漏，甚至出现爆炸事故，造成不可估量的经济损失和社会影响。

因此，对天然气站场管道沉降进行监测很有必要，能够为天然气管道失效提前预警，尽可能降低天然气泄漏风险，天然气站场管道比较复杂，除了包括大管径(大于50mm，通常是介于50mm-200mm)的输气管道，还包括放空管、引压管等小管径管道(小于等于50mm)，且管道包括了垂直段、水平段和弯头等多种形态。

所以，现有技术针对天然气站场管道沉降的监测采用单一维度进行监测会导致监测结果不准确，不能很好的分析天然气站场管道的泄漏风险，单一维度即为不同管径的管道、不同形态的管道采用同一种监测技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种天然气站场管道沉降多维监测系统及方法，以解决现有采用单一维度对天然气管道进行沉降监测导致监测结果不准确的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种天然气站场管道沉降多维监测系统，包括应变计、静力水准传感器、激光测距仪、数据采集单元和控制单元；

所述应变计安装在天然气站场的大管径管道上，用于测量大管径管道的管道应变；

所述激光测距仪安装在天然气站场的小管径管道上，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，激光测距仪用于测量小管径管道的位移；

所述静力水准传感器安装在天然气站场的地面上，且在沉降风险区和非沉降风险区均设置有静力水准传感器，多个静力水准传感器相互连通，所述静力水准传感器用于测量地面沉降位移；

所述数据采集单元与应变计、激光测距仪和静力水准传感器电连接，用于采集大管径管道的应变、以及小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

所述控制单元与数据采集单元通信连接，所述控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。

本发明所述应变计、静力水准传感器、激光测距仪、数据采集单元和控制单元均采用现有技术，目的在于通过现有设备实现对天然气站场管道沉降的多维监测。

本发明从多个维度对天然气站场管道沉降监测进行了数据采集，包括对于不同管径采用不同的采集方式，例如根据管道的管径进行管道区分为大管径管道和小管径管道，大管径管道采用应变计和静力水准传感器的结合获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系，小管径管道采用激光测距仪和静力水准传感器的结合分析判定小管径管道的危险情况；以及考虑了小管径管道的不同形态，将在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，考虑小管径管道的不同形态在沉降时的变形位移。

因此，本发明实现了多维度监测天然气站场管道沉降，解决了现有采用单一维度对天然气管道进行沉降监测导致监测结果不准确的问题。

进一步地，同一根大管径管道至少一处监测点，所述监测点为大管径管道的径向截面，且在同一处监测点上至少设置一个应变计。

进一步地，同一处监测点上设置有两个应变计，两个应变计与大管径管道径向截面中心的夹角呈90°。

进一步地，其中一个应变计设置在大管径管道的顶部。

进一步地，在非沉降风险区设置一个静力水准传感器，该静力水准传感器作为基准点，在沉降风险区设置两个静力水准传感器作为沉降监测点。

进一步地，作为基准点的静力水准传感器设置在非沉降风险区仪控房的墙角处。

进一步地，沉降风险区的两个静力水准传感器中，其中一个静力水准传感器设置在沉降风险区的末端，另一个静力水准传感器设置在沉降风险区的中间点。

进一步地，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，其中，垂直段和弯头处的激光测距仪用于测量小管径管道与墙面之间的距离，水平段处的激光测距仪用于测量小管径管道与地面之间的距离。

即利用激光测距仪对小管径管道进行沉降监测时：当所述小管径管道处于垂直状态时，利用所述激光测距仪监测垂直管道与墙面之间的距离；当所述小管径管道处于水平状态时，利用所述激光测距仪监测水平管道与地面之间的距离；当所述小管径管道为弯管时，利用所述激光测距仪监测弯头与墙面之间的距离。

进一步地，还包括与控制单元电连接的报警模块，当控制单元分析的结果为管道存在泄漏风险时(大管径管道或/和小管径管道存在泄漏风险时)，发出指令开启报警模块进行报警。

进一步地，报警模块包括蜂鸣器和报警器。

进一步地，应变计采用焊接或胶粘粘的方式固定在大管径管道上。

具体地，贴合最准确的方式是将管道打磨后，用相应的电焊机将应变计的固定点位焊到管道壁上，这样就保证了应变剂和管道之间没有微小位移，保证了数据的准确性。(2)当条件不允许动用焊接方法的时候，将使用强力胶粘粘的方式，将管道壁打磨后，用胶水将应变计粘在管道壁上，也可保证数据的准确性。

同时，采用保鲜膜包裹应变计，由于监测系统位于户外，在粘贴应变计时除了需要使用防潮剂对应变计进行防水处理外，为了防止雨水及露水对监测造成影响，使用保鲜膜包裹应变计与周边的导线，同时起到保护应变片和导线连接处、防止导线移动或者拉断的作用，提高试验的效率。

并且，使用锡焊方式连接应变计与电缆线。部分相关试验采用接线端子连接应变计与电缆线，其优点是操作简单、便捷、节省时间，但应变计与电缆线容易发生接触不良的现象，导致数据采集不准确；锡焊尽管较为耗时，但可以提高数据采集的稳定性。

在管道测量距离处做好标记，将激光测距仪放置于标记处。利用激光测距仪中的水平泡，使得进行测量时测距仪能够保持水平方向并与管道垂直。进行测量距离时，多次重复测量距离并取平均值为最终的数据。

进一步地，控制单元包括云平台系统和电脑，数据采集单元通过有线和/或无线网络与云平台系统通信连接，并在电脑上对天然气站场的管道进行沉降风险分析。

基于天然气站场管道沉降多维监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1、获取目标天然气站场管道的管径数据；

S2、安装应变计、静力水准传感器、激光测距仪：

对于管径大于50mm的大管径管道，根据大管径管道的长度设计监测点的数量，在每一处监测点均设置应变计；对于管径小于等于50mm的小管径管道，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置激光测距仪；在天然气站场的沉降风险区和非沉降风险区均设置静力水准传感器，并连通各个静力水准传感器；

S3、数据采集：数据采集单元采集大管径管道的应变、小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

S4、数据分析：控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。

优选地，本发明的应变计采用振弦式应变计，在进行数据采集时，振弦式应变计和静力水准传感器每1小时监测一次；所述激光测距仪7天对所述小管径管道监测一次。

采用本发明所述监测系统和监测方法能够利用振弦式应变计和静力水准传感器对天然气站场中管径大于50mm的大管径管道进行沉降监测，利用激光测距仪和静力水准传感器对天然气站场中管径小于等于50mm的小管径管道进行沉降监测。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用多维度监测天然气站场管道沉降，根据管道的管径进行管道区分为大管径管道和小管径管道，以及考虑小管径管道的不同形态在沉降时的变形位移，能够提高对天然气站场管道沉降监测的准确性。

2、根据本发明的监测结果能够对天然气站场完整性评价提供技术支持，保证天然气长输和集输管道中转的安全运行。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的监测系统逻辑框图；

图2为本发明应变计在管道上的布置示意图；

图3为本发明静力水准传感器在天然气站场的布置示意图；

图4为本发明用激光测距仪的布置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种天然气站场管道沉降多维监测系统，包括应变计、静力水准传感器、激光测距仪、数据采集单元和控制单元；

所述应变计安装在天然气站场的大管径管道上，用于测量大管径管道的应变；同一根大管径管道至少一处监测点，所述监测点为大管径管道的径向截面，且在同一处监测点上至少设置一个应变计；

所述激光测距仪安装在天然气站场的小管径管道上，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，激光测距仪用于测量小管径管道的位移；

所述静力水准传感器安装在天然气站场的地面上，且在沉降风险区和非沉降风险区均设置有静力水准传感器，多个静力水准传感器相互连通，所述静力水准传感器用于测量地面沉降位移；

所述数据采集单元与应变计、激光测距仪和静力水准传感器电连接，用于采集大管径管道的应变、以及小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

所述控制单元与数据采集单元通信连接，所述控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。

在本实施例中，具体采用振弦式应变计，振弦式应变计在同一监测点处设置两个，其中一个振弦式应变计设置该监测点管道的顶部，另一个振弦式应变计设置在该监测点管道的两侧中的任意一侧，两个所述振弦式应变计与管道径向截面中心的夹角呈90°，如图2所示。。

在本实施例中，在非沉降风险区设置一个静力水准传感器，该静力水准传感器作为基准点，在沉降风险区(填方区域)设置两个静力水准传感器作为沉降监测点。

具体如图3所示，在本实施例中设置了2个沉降监测点和1个基准点，所述基准点设置在仪控房靠墙角角落处，2个沉降监测点分别设置在沉降风险区末端和中间点。所述沉降监测点与所述基准点之间通过一根Φ10mm的通液管和一根Φ6mm的通气管连接在一起，通液管的一端与基准点附近的储液箱相连。静力水准传感器安装在天然气站场防爆区域以外，天然气站场防爆区域根据《输气管道工程设计规范》GB50251-2015划分，以站场内阀门、法兰等释放源为中心4.5m空间范围。所有静力水准传感器均使用M8×50mm的膨胀螺栓直接固定于混凝土地面，且保证任意点静力水准传感器的顶部高程均应低于储液罐液面线高程100mm以上。

在本实施例中，如图4所示，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，其中，垂直段和弯头处的激光测距仪用于测量小管径管道与墙面之间的距离，水平段处的激光测距仪用于测量小管径管道与地面之间的距离，即当小管径管道处于垂直状态时，利用所述激光测距仪监测垂直管道与墙面之间的距离；当小管径管道处于水平状态时，利用所述激光测距仪监测水平管道与地面之间的距离；当小管径管道为弯管时，利用所述激光测距仪监测弯头与墙面之间的距离。

在本实施例中，还包括与控制单元电连接的报警模块，当控制单元分析的结果为大管径管道或/和小管径管道存在泄漏风险时，发出指令开启报警模块进行报警，所述报警模块包括蜂鸣器和报警器；控制单元包括云平台系统和电脑，数据采集单元通过有线和/或无线网络与云平台系统通信连接，并在电脑上结合有限元模拟软件对天然气站场的管道进行沉降风险分析；所述报警模块还可通过预警阈值的配置，设置不同应变、沉降位移及管道位移参数的预警值以达到站场多维沉降报警功能。

在本实施例中，应变计采用焊接或胶粘粘的方式固定在大管径管道上。

具体地，贴合最准确的方式是将管道打磨后，用相应的电焊机将应变计的固定点位焊到管道壁上，这样就保证了应变剂和管道之间没有微小位移，保证了数据的准确性。(2)当条件不允许动用焊接方法的时候，将使用强力胶粘粘的方式，将管道壁打磨后，用胶水将应变计粘在管道壁上，也可保证数据的准确性。

在管道测量距离处做好标记，将激光测距仪放置于标记处。利用激光测距仪中的水平泡，使得进行测量时测距仪能够保持水平方向并与管道垂直。进行测量距离时，多次重复测量距离并取平均值为最终的数据。

基于本实施例所述的天然气站场管道沉降多维监测系统的监测方法，包括以下步骤：

S1、获取目标天然气站场管道的管径数据；

S2、安装应变计、静力水准传感器、激光测距仪：

对于管径大于50mm的大管径管道，根据大管径管道的长度设计监测点的数量，在每一处监测点均设置应变计；对于管径小于等于50mm的小管径管道，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置激光测距仪；在天然气站场的沉降风险区和非沉降风险区均设置静力水准传感器，并连通各个静力水准传感器；

安装完各监测传感器后，将光缆从地下布置连接到仪控房的数据采集仪内，同时对线管进行65镀锌钢管保护，所有连接处及漏点均采用防火及防爆材质进行保护。将振弦式应变计、静力水准传感器的参数输入软件内，完成每一个监测传感器的测点配置，填写初始读数及相关系数，调试整个系统，保证其正常工作；

S3、数据采集：数据采集单元采集大管径管道的应变、小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

S4、数据分析：控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，结合有限元模拟软件进行模拟，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，结合有限元模拟软件进行模拟，分析判定小管径管道的危险情况。

在具体监测过程中，对于管径大于50mm的大管径管道，每1小时利用所述振弦式应变计和静力水准传感器对所述管道监测一次，根据所述振弦式应变计和所述静力水准传感器的位移监测结果，结合有限元模拟软件进行模拟，得到沉降位移和管道应力之间的关系，从而判定管道危险状况。管道受到的应力情况通过下式进行计算：

式中：σ_h、σ_a分别为管道环向应力、管道轴向应力，MPa；E为管道弹性模量，MPa；ε_h、ε_a分别为管道环向应变、管道轴向应变，无量纲；μ为泊松比；

根据所述管道环向应力和所述管道轴向应力可计算得到监测点处的管道等效应力，所述管道等效应力通过下式进行计算：

式中：σ_d为管道等效应力，MPa。

当目标小管径管道为管径小于等于50mm时，利用激光测距仪和静力水准传感器对其进行沉降监测。

在本实施例中，据上述激光测距仪和静力水准传感器对目标小管径管道进行沉降监测，所述激光测距仪每7天对所述目标小管径管道监测一次，所述静力水准传感器每1小时对所述目标小管径管道监测一次，根据监测到的位移监测结果，结合有限元模拟软件进行模拟，根据模拟情况判定管道危险情况。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，包括应变计、静力水准传感器、激光测距仪、数据采集单元和控制单元；

所述应变计安装在天然气站场的大管径管道上，用于测量大管径管道的管道应变；

所述激光测距仪安装在天然气站场的小管径管道上，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置有激光测距仪，激光测距仪用于测量小管径管道的位移；

所述静力水准传感器安装在天然气站场的地面上，且在沉降风险区和非沉降风险区均设置有静力水准传感器，多个静力水准传感器相互连通，所述静力水准传感器用于测量地面沉降位移；

所述数据采集单元与应变计、激光测距仪和静力水准传感器电连接，用于采集大管径管道的应变、以及小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

所述控制单元与数据采集单元通信连接，所述控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。

2.根据权利要求1所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，同一根大管径管道至少一处监测点，所述监测点为大管径管道的径向截面，且在同一处监测点上至少设置一个应变计。

3.根据权利要求2所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，同一处监测点上设置有两个应变计，两个应变计与大管径管道径向截面中心的夹角呈90°。

4.根据权利要求3所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，其中一个应变计设置在大管径管道的顶部。

5.根据权利要求1所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，在非沉降风险区设置一个静力水准传感器，该静力水准传感器作为基准点，在沉降风险区设置两个静力水准传感器作为沉降监测点。

6.根据权利要求5所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，作为基准点的静力水准传感器设置在非沉降风险区仪控房的墙角处。

7.根据权利要求5所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，沉降风险区的两个静力水准传感器中，其中一个静力水准传感器设置在沉降风险区的末端，另一个静力水准传感器设置在沉降风险区的中间点。

8.根据权利要求1所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，垂直段和弯头处的激光测距仪用于测量小管径管道与墙面之间的距离，水平段处的激光测距仪用于测量小管径管道与地面之间的距离。

9.根据权利要求1所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，还包括与控制单元电连接的报警模块，当控制单元分析的结果为大管径管道或/和小管径管道存在泄漏风险时，发出指令开启报警模块进行报警。

10.根据权利要求9所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，所述报警模块包括蜂鸣器和报警器。

11.根据权利要求1所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，所述应变计采用焊接或胶粘粘的方式固定在大管径管道上。

12.根据权利要求1-11任一项所述的一种天然气站场管道沉降多维监测系统，其特征在于，控制单元包括云平台系统和电脑，数据采集单元通过有线和/或无线网络与云平台系统通信连接，并在电脑上结合有限元模拟软件对天然气站场的管道进行沉降风险分析。

13.基于权利要求1-12任一项所述的天然气站场管道沉降多维监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取目标天然气站场管道的管径数据；

S2、安装应变计、静力水准传感器、激光测距仪：

对于管径大于50mm的大管径管道，根据大管径管道的长度设计监测点的数量，在每一处监测点均设置应变计；对于管径小于等于50mm的小管径管道，在小管径管道的垂直段、水平段和弯头均设置激光测距仪；在天然气站场的沉降风险区和非沉降风险区均设置静力水准传感器，并连通各个静力水准传感器；

S3、数据采集：数据采集：数据采集单元采集大管径管道的应变、小管径管道的位移和地面沉降位移，并将采集的数据传递给控制单元；

S4、数据分析：控制单元基于获取的大管径管道的应变和地面沉降位移，分析获得地面沉降位移和大管径管道的应变之间的关系；基于获取的小管径管道的位移和地面沉降位移，分析判定小管径管道的危险情况。