[发明专利]一种油气管道山洪灾害监测系统

说明书

技术领域

本发明是一种基于光纤光栅传感技术的油气管道山洪灾害监测系统，涉及线速度的测量、液位的测量、机械振动的测量、一般的安全装置和管道系统技术领域。

背景技术

山洪灾害是指山丘地区由降雨引起的洪水、泥石流和滑坡灾害。随着近年来全球气候变暖导致极端天气异常，几十年不遇甚至百年不遇的暴雨时有发生。我国中小河流众多，流域面积在100～1000km²的河流有5万多条；同时我国地处东亚季风区，山丘区暴雨频发，沟壑纵横、地形地质条件复杂，再加上人类工程活动（乱砍滥伐、开山削坡、水利灌溉）的日益加剧，对原始地形、地貌形成较大的扰动破坏，导致山洪灾害发生频繁。

长输油气管道与铁路、公路等一样，是典型的线型工程，这些线型工程不可避免地受到河流、沟道的影响，如冲刷、河床下切、堤岸垮塌、堤岸侵蚀和河流改道；在地形起伏的地区，这些工程还受到流水所致的坡面侵蚀的影响，如坡面水土流失所致地表塌陷、管沟掏空、坡面垮塌、堡坎垮塌等；山区及山前区中小河流,因河道坡降较大而引发的汇水面积大、水流急、冲刷剧烈等，使河床常常暴露出基岩、卵砾石及漂石。在这类河道中敷设管道时，管道若没有嵌固于稳定的基岩内或在埋深不够时，一旦山洪暴发，表层这些块石及漂石在高速水流作用下一起运动，管道极有可能被水冲出，形成与地表面不直接接触的悬空管段，即管跨段。在一定条件下，水流流经管线时，管线的尾流区产生涡旋，并且涡旋以一定的频率在管线后侧交替释放，使管线受到一个顺流向的波动阻力和垂直于流向的波动升力，引起管线振动，这一现象通常称为涡激振动，它是影响洪水作用下管线的使用寿命、引发管跨段疲劳失效的主要因素之一。

洪水灾害给我国油气管道工业带来了巨大的风险和损失。如黄土高原的马惠宁管道，建成投产后洪水灾害不断出现，曾数次发生悬空、断管事故。西北地区的涩宁兰输气管道山洪灾害亦很频繁，经常造成管道外露和悬空。2004年7月，青海省乐都地区突降大雨，石头沟暴发山洪，汹涌的洪水将管线冲出，使管道呈裸管悬空的状态，洪水夹带的大漂石强烈冲击管道。2010年7月，忠武管道榔坪地区遭遇强降雨袭击。暴雨使榔坪河洪水暴涨，沿河道敷设的忠武管道多处出现险情，其中两处管道长距离漂管，一处露管，另有30多处水工保护挡墙被冲毁。2010年8月，四川德阳石亭江洪水暴涨，导致河堤被冲毁，出现大面积溃堤，造成兰成渝管道某支线悬空400m，完全暴露于水流冲刷之下。2011年3月，西气东输二线呼图壁县黑娃山沟发生洪水，造成该段冲沟底部下切，约140m管道被冲出，发生管线露空漂浮，情况危急。

面对众多的中小流域山洪灾害，我国管道运营公司经常采取积极的水工保护工程防护措施，但这些措施也存在一些的弊端，首先是成本高，其次是防护工程也并非“一劳永逸”，设计施工的不确定因素较多，再者防护治理的周期长以及治理时机不易掌握。而监测则是一种高效、低成本的防治措施。

目前，我国中小河流山洪监测预警技术还处于起步阶段，由于大部分中小河流站网密度偏小，加上中小河流源短流急，山洪具有强度大、历时短、难预报等特点。传统的山洪灾害水情监测多采用机械式或电磁式传感器，对于前者，其技术相对成熟，常见的有浮子式水位计、差压式水位计、机械转子式流速计等，但由于受机械结构自身限制，其测量误差大、精度低；对于后者，常见的有雷达式液位计、超声波流速仪、声学多普勒流速仪等，测量精度较高、使用简便，但成本高，且易受电磁波干扰。另外，对于滑坡、崩塌、地面塌陷、冻胀融沉、活动发震断层等大规模土体移动作用下埋地管道的安全监测更多的关注于对管体应力应变的监测，而山洪作用下管道的破坏方式主要表现为流固耦合效应引起的涡激振动导致管道发生疲劳失效，单纯的监测管体应力应变已不能满足山洪作用下管道安全防护的要求。对于金属构件的振动监测，传统的机械式、电类振动传感器（如压电、磁电和电涡流式等）存在灵敏度低、测量范围小、传输距离近以及材料缺陷等缺点，不适用于大型工程的长期远程实时监测。近几年兴起的分布式光纤传感技术（以BOTDR为代表）在机械振动监测方面已有一定的应用，但尚未见到将光纤光栅技术应用于山洪作用下管线涡激振动监测的报道。