本發(fā)明是一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，涉及長度的測(cè)量、溫度的測(cè)量、其它類不包括測(cè)量、一般的控制系統(tǒng)和管道系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
凍土是一種特殊的土類，溫度為負(fù)溫或零溫，并且含有冰的土，稱為凍土。按土的凍結(jié)狀態(tài)保持時(shí)間的長短，凍土一般又可分為短時(shí)凍土(數(shù)小時(shí)至半月)、季節(jié)凍土(半月至數(shù)月)以及多年凍土(兩年以上)。我國凍土非常發(fā)育，多年凍土面積約為211萬平方公里，占我國國土總面積的23％，在世界上占第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和東北大、小興安嶺；季節(jié)性凍土面積約為514萬平方公里，約占國土總面積的53.5％。其中，中深度季節(jié)凍土(＞1m)約占國土面積的1/3，主要分布于東北三省、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、新疆北部、青海和川西等地。發(fā)達(dá)國家輸油管道建設(shè)已有100多年歷史，很多凍土地區(qū)蘊(yùn)藏有巨大的油氣資源，相應(yīng)地油氣管道工程設(shè)計(jì)和施工成為這些地區(qū)石油工業(yè)最新的挑戰(zhàn)。從20世紀(jì)60年代開始，大口徑管道開始主導(dǎo)北美北部和西伯利亞多年凍土地區(qū)油氣田輸運(yùn)市場(chǎng)。二戰(zhàn)期間，克努兒(Canol)管道從加拿大羅曼井輸運(yùn)原油到美國的阿拉斯加州費(fèi)爾班克斯市(Fairbanks)；1956年管徑為203mm的油管從阿拉斯加州海因斯市(Haines)到費(fèi)班克斯市修筑成功；20世紀(jì)70年代早期，前蘇聯(lián)多年凍土區(qū)已有輸油管道；1977年，長1280km、直徑為1220mm的輸油管道將美國阿拉斯加州北坡低溫多年凍土區(qū)的原油源源不斷地輸運(yùn)到阿拉斯加南部的天然不凍港瓦爾迪斯(Valdez)，然后油輪將原油輸運(yùn)到加州。20世紀(jì)80年代中期，從加拿大羅曼井到加拿大阿爾波特(Alberta)省北部咱馬(Zama)湖、長869km、口徑30.5cm的環(huán)境溫度管道按時(shí)完成鋪設(shè)，羅曼井管道是加拿大多年凍土區(qū)第一條完全埋設(shè)的輸油管道。這些管道在運(yùn)營期間，均受到凍土區(qū)凍脹融沉災(zāi)害的威脅甚至破壞。其中，克努兒(Canol)管道在開始運(yùn)行后前9個(gè)月，管道沿線約有700x104L原油泄漏。Mackenzie河岸上一個(gè)12700m3的儲(chǔ)油庫破裂，大部分儲(chǔ)油流入河流中。1945年日本投降后，該管道很快就被拆除；羅曼井管道沿線途經(jīng)不連續(xù)多年凍土，施工和運(yùn)行中遇有凍脹和融沉問題，通過長達(dá)17年的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)管道沿線多年凍土持續(xù)融化和沉降導(dǎo)致融化深度達(dá)3-5m(湖相沉積)或5-7m(粗顆粒礦質(zhì)土)，以及顯著的地面沉降。我國在多年凍土地區(qū)修建的第一條長輸油氣管道，即格爾木-拉薩輸油管道(簡稱格拉線)，格拉線于1972年由中國人民解放軍施工，1977年基本建成，長達(dá)1076km，管徑159mm，管壁厚6mm，投資2.3x108元。格拉線工程修建和維護(hù)十分困難，全線穿越河流108條，穿越公路123處，900多公里管線在海拔4000m以上(最高處海拔5200m)，560km位于多年凍土區(qū)，凍結(jié)期長達(dá)8個(gè)月。格拉線自1977年運(yùn)行以來，凍脹、融沉問題已經(jīng)造成多次“露管”現(xiàn)象。中俄原油管道北起漠河首站中俄黑龍江邊界線，南至大慶末站，全長960多公里，途經(jīng)兩省五市十二個(gè)縣區(qū)，穿越440公里原始森林，11條大中型河流，5個(gè)自然保護(hù)區(qū)。管道沿線地勢(shì)北高南低，北部地形起伏較大，沿線為大興安嶺低山、丘陵及河谷地貌，南部為松嫩平原，地形平坦開闊；漠河-加格達(dá)奇段約460km為山區(qū)、林區(qū)、多年凍土區(qū)，多年凍土總長度約314km，其中少冰、多冰多年凍土209km，飽冰、富冰多年凍土62km，凍土沼澤43km。管道面臨著嚴(yán)重的凍脹融沉災(zāi)害威脅。針對(duì)管道面臨的凍脹融沉問題，國內(nèi)外運(yùn)營單位采取了積極的應(yīng)對(duì)措施。羅曼井管道1985年投產(chǎn)后，管道日常監(jiān)測(cè)計(jì)劃作為項(xiàng)目運(yùn)行的重要組成部分一直在實(shí)施，除每周一次的飛機(jī)空中巡線外，還在管道沿線安裝了大量的檢測(cè)儀表以記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在每年9月，即管道沉降最大時(shí)進(jìn)行一次現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)以完成管道沿線的實(shí)地調(diào)查、儀器數(shù)據(jù)的記錄和滑坡地段的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估等工作。1989年后，羅曼井管道采用管道內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行每年一次的內(nèi)檢測(cè)，以評(píng)估不穩(wěn)定土體運(yùn)動(dòng)和差異性融沉對(duì)管道的影響程度，隨著檢測(cè)數(shù)據(jù)的不斷積累和擴(kuò)充，為管道技術(shù)性能的評(píng)估提供了良好的基礎(chǔ)。Normanwells管道是第一條埋設(shè)于加拿大北部多年凍土區(qū)的油氣管道，由加拿Enbridge公司負(fù)責(zé)管理和運(yùn)營，在各種條令法規(guī)的要求下，已建立了一個(gè)計(jì)劃周密、操作性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括凍土融沉監(jiān)測(cè)、管道內(nèi)檢測(cè)、翹曲上拱檢測(cè)、折皺檢測(cè)、邊坡檢測(cè)、木屑層狀況檢測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等七個(gè)方面的內(nèi)容。格拉管道也通過定期巡線、安裝壓力、溫度傳感器等監(jiān)測(cè)凍土的變化。雖然國內(nèi)外管道運(yùn)營單位采取了積極的措施應(yīng)對(duì)凍土區(qū)的凍脹融沉災(zāi)害，但是由于凍脹融沉災(zāi)害的形成機(jī)理非常復(fù)雜，而且不同地區(qū)的凍土特性各不相同，目前國內(nèi)外并未見有成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以監(jiān)測(cè)凍脹融沉災(zāi)害對(duì)管道的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種高精度、高穩(wěn)定性、低成本的基于光纖光柵傳感技術(shù)的凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的凍土區(qū)油氣管道周圍含水量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光纖光柵傳感技術(shù)，對(duì)凍土及其影響下的油氣管道周圍含水量進(jìn)行監(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。本發(fā)明提出的基于光纖光柵傳感技術(shù)的凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用光纖光柵含水量傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。本凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng)，具體包括光纖光柵含水量傳感器組、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。在凍土區(qū)1的油氣管道2周圍安裝多個(gè)光纖光柵含水量傳感器a6、光纖光柵含水量傳感器b7、光纖光柵含水量傳感器c8、光纖光柵含水量傳感器d9組成的含水量傳感器組，所有傳感器串聯(lián)熔接，然后通過光纜12引到監(jiān)測(cè)站里，光纜12與光開關(guān)13連接，光開關(guān)13與光纖光柵解調(diào)儀14連接，光纖光柵解調(diào)儀14與下位機(jī)15連接，下位機(jī)15預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信模塊16傳輸至低軌道衛(wèi)星17，低軌道衛(wèi)星17接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信模塊18，衛(wèi)星通信模塊18將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)19進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土區(qū)油氣管道的安全監(jiān)測(cè)。多個(gè)光纖光柵含水量傳感器a6、光纖光柵含水量傳感器b7、光纖光柵含水量傳感器c8、光纖光柵含水量傳感器d9分別將管道周圍的水分信號(hào)經(jīng)光纜12傳到光開關(guān)13，經(jīng)光纖光柵解調(diào)儀14解調(diào)傳至下位機(jī)15，下位機(jī)15調(diào)用自編的程序，控制光開關(guān)13和光纖光柵解調(diào)儀14，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)通過衛(wèi)星通信模塊16傳輸至低軌道衛(wèi)星17，低軌道衛(wèi)星17接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信模塊18，衛(wèi)星通信模塊18將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)19進(jìn)行分析和處理，判斷凍土區(qū)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)儀采集的光波長數(shù)據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)化為溫度、水分和位移數(shù)據(jù)，上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)分類，繪制出管道周圍溫度和含水量及其管道位移的趨勢(shì)圖，并最終將三個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合，判斷凍土區(qū)的穩(wěn)定狀態(tài)和管道的安全狀況。凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示，它分為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)的組成是：光纖光柵含水量傳感器的輸出接光開關(guān)的輸入，光開關(guān)的輸出接光纖光柵解調(diào)儀的輸入，光纖光柵解調(diào)儀輸出接下位機(jī)的輸入，下位機(jī)輸出接衛(wèi)星通信模塊?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸子系統(tǒng)通過低軌道衛(wèi)星與數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng)連系。數(shù)據(jù)分析顯示子系統(tǒng)的組成是：衛(wèi)星通信模塊輸出接上位機(jī)的輸入，上位機(jī)輸出有凍土區(qū)水分場(chǎng)動(dòng)態(tài)顯示。該系統(tǒng)的電原理如圖4所示，光纖光柵含水量傳感器組的FC接頭分別與光開關(guān)的FC輸入端口1、FC輸入端口2、FC輸入端口3連接，光開關(guān)的R232端口接下位機(jī)的R232端口1，光開關(guān)的FC輸出端口接光纖光柵解調(diào)儀的FC輸入端口，光纖光柵解調(diào)儀的LAN端口接下位機(jī)的LAN端口，下位機(jī)的VGA與顯示器的VGA連接，下位機(jī)的R232端口2接衛(wèi)星通信模塊的R232端口，衛(wèi)星通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降蛙壍佬l(wèi)星，低軌道衛(wèi)星實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至另一衛(wèi)星通信模塊，該衛(wèi)星通信模塊將接收數(shù)據(jù)由R232端口傳輸至上位機(jī)的R232端口，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后由VGA端口輸出至顯示器。光纖光柵含水量傳感器信號(hào)經(jīng)光開關(guān)13逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀14，光纖光柵解調(diào)儀14解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長傳輸至下位機(jī)15，光開關(guān)13導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)15控制。下位機(jī)15對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給衛(wèi)星通信模塊16，衛(wèi)星通信模塊16將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降蛙壍佬l(wèi)星17，低軌道衛(wèi)星17實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信模塊18，衛(wèi)星通信模塊18將接收數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。光纖光柵含水量傳感器為自行研制傳感器。光纖光柵含水量傳感器利用土壤水吸力與土壤含水量有對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理研制而成，光纖光柵含水量傳感器由陶土管和真空盒組成，陶土管為敏感元件，陶土管放入土壤后，土壤的水含量會(huì)導(dǎo)致真空盒壓力的變化，而真空盒壓力的變化會(huì)導(dǎo)致光纖光柵波長的變化，進(jìn)而可以根據(jù)光纖光柵波長的變化計(jì)算出土壤的水含量。凍土區(qū)光纖光柵含水量傳感器組的構(gòu)成如圖4所示：在管道d36的左側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組37，在管道d36的右側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組38，在管道d36的下側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組39。含水量傳感器組37由若干個(gè)光纖光柵含水量傳感器40組成，光纖光柵含水量傳感器40的數(shù)量和間隔可根據(jù)需求設(shè)置。含水量傳感器組38和含水量傳感器組39之間通過單芯鎧裝光纜41連接。光纖光柵含水量傳感器組a37、光纖光柵含水量傳感器組b38、光纖光柵含水量傳感器組c39通過光纜接線盒42與數(shù)據(jù)采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)管道周圍含水量的監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)提出對(duì)凍土區(qū)及其影響下油氣管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，揭示了凍土作用下管體受力特征以及管體與凍土相互作用的特征；用多指標(biāo)進(jìn)行凍土影響下油氣管道的安全預(yù)警；(2)將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于凍土區(qū)管道監(jiān)測(cè)，該技術(shù)抗干擾、耐腐蝕、易于組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)明顯；該技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，且成本較低。附圖說明圖1凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)原理圖圖2凍土區(qū)管道含水量監(jiān)測(cè)裝置圖圖3凍土區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖圖4凍土區(qū)油氣管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電原理圖其中1-凍土區(qū)2-管道a6-光纖光柵含水量傳感器a7-光纖光柵含水量傳感器b8-光纖光柵含水量傳感器c9-光纖光柵含水量傳感器d12-光纜13-光開關(guān)14-光纖光柵解調(diào)儀15-下位機(jī)16-衛(wèi)星通信模塊a17-低軌道衛(wèi)星18-衛(wèi)星通信模塊b19-上位機(jī)37-光纖光柵含水量傳感器組a38-光纖光柵含水量傳感器組b39-光纖光柵含水量傳感器組c40-光纖光柵含水量傳感器e41-單芯鎧裝光纜b42-光纜接線盒c具體實(shí)施方式實(shí)施例.本例是一種試驗(yàn)系統(tǒng)，并在季節(jié)性凍土厚度2m、凍土類型為富冰飽冰的凍土區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，其中管道埋深2m，管體直徑為813mm、壁厚為10mm、鋼級(jí)X65。凍土區(qū)油氣管道周圍含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示，原理框圖如圖3所示。在油氣管道2周圍安裝光纖光柵含水量傳感器6、7、8、9組成的含水量傳感器組，所有傳感器串聯(lián)熔接，然后通過光纜12引到監(jiān)測(cè)站里，光纜12與光開關(guān)13連接，光開關(guān)13與光纖光柵解調(diào)儀14連接，光纖光柵解調(diào)儀14與下位機(jī)15連接，下位機(jī)15預(yù)處理后的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信模塊16傳輸至低軌道衛(wèi)星17，低軌道衛(wèi)星17接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信模塊18，衛(wèi)星通信模塊18將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)19進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土區(qū)油氣管道的安全監(jiān)測(cè)。該例的電原理如圖4所示，光纖光柵含水量傳感器組的FC接頭分別與光開關(guān)的FC輸入端口1、FC輸入端口2、FC輸入端口3連接，光開關(guān)的R232端口接下位機(jī)的R232端口1，光開關(guān)的FC輸出端口接光纖光柵解調(diào)儀的FC輸入端口，光纖光柵解調(diào)儀的LAN端口接下位機(jī)的LAN端口，下位機(jī)的VGA與顯示器的VGA連接，下位機(jī)的R232端口2接衛(wèi)星通信模塊的R232端口，衛(wèi)星通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降蛙壍佬l(wèi)星，低軌道衛(wèi)星實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至另一衛(wèi)星通信模塊，該衛(wèi)星通信模塊將接收數(shù)據(jù)由R232端口傳輸至上位機(jī)的R232端口，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后由VGA端口輸出至顯示器。光纖光柵含水量傳感器信號(hào)經(jīng)光開關(guān)13逐一導(dǎo)通傳輸至光纖光柵解調(diào)儀14，光纖光柵解調(diào)儀14解調(diào)出各光纖光柵傳感器的中心波長傳輸至下位機(jī)15，光開關(guān)13導(dǎo)通信號(hào)的周期由下位機(jī)15控制。下位機(jī)15對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸給衛(wèi)星通信模塊16，衛(wèi)星通信模塊16將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降蛙壍佬l(wèi)星17，低軌道衛(wèi)星17實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至衛(wèi)星通信模塊18，衛(wèi)星通信模塊18將接收數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)通過自編軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，由顯示器顯示。其中：光纖光柵含水量傳感器：選用自行設(shè)計(jì)封裝的含水量傳感器；光纜：選用中天科技GYTA-12B1；光開關(guān)：選用光隆科技SUM-FSW；光纖光柵解調(diào)儀：選用SM130；下位機(jī)及程序：選用研華IPC-610，程序自編；通信衛(wèi)星模塊：STELLAR公司的ST2500；上位機(jī)及程序：選用研華IPC-610，程序自編；凍土區(qū)光纖光柵含水量傳感器組的構(gòu)成如圖2所示。在管道36的左側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組37，在管道36的右側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組38，在管道36的下側(cè)安裝光纖光柵含水量傳感器組39。含水量傳感器組37由若干個(gè)光纖光柵含水量傳感器40組成，光纖光柵含水量傳感器40的數(shù)量和間隔可根據(jù)需求設(shè)置。含水量傳感器組38和含水量傳感器組39之間通過單芯鎧裝光纜41連接。光纖光柵含水量傳感器組a37、光纖光柵含水量傳感器組b38、光纖光柵含水量傳感器組c39通過光纜接線盒42與數(shù)據(jù)采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)管道周圍含水量的監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)在進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，水分需要長期監(jiān)測(cè)，根據(jù)對(duì)長期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)水分變化狀態(tài)和趨勢(shì)，用于管-土作用綜合分析及管道潛在風(fēng)險(xiǎn)判斷。經(jīng)長時(shí)間的監(jiān)測(cè)，本例易于構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)凍土區(qū)和管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集分析及遠(yuǎn)程發(fā)布，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)報(bào)警。避免了繁瑣的人工采集數(shù)據(jù)，提高了預(yù)警的精度，減少了報(bào)警時(shí)間，同時(shí)還能對(duì)報(bào)警地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這對(duì)管道應(yīng)急措施的采取至關(guān)重要。