光纤复合管道及其监测系统
技术领域
本申请涉及管道监测技术领域，具体涉及一种光纤复合管道及其监测系统。
背景技术
管道输送的优势明显，人们的生产和生活已经离不开管道。但由于自然环境和输送介质的腐蚀、材质和施工的瑕疵以及人类施工开挖破坏以及地震等自然灾害的影响，管道会发生泄漏、爆管甚至爆炸事故。管道泄漏或爆管除了考虑其造成的严重经济损失外，它还会引起有害物质的泄漏，污染环境，甚至还会引起中毒、爆炸事故，危及人身安全。因此，管道初期的泄漏监测，以及对危及管道安全的地质灾害、机械、人工施工甚至恶意破坏管道、打孔偷盗行为的预警，显得尤为重要。传统的泄漏监测方法不能监测管道泄漏，更无法判断泄漏点位置及区域，并且不能对各种自然灾害、机械作业及人为操作等危害管道安全的危险事件进行实时监测和预警，另外，现有技术中对管道安全隐患的监测存在的不足有：点式传感器，不能满足长距离管道安全监测需求；传感器需要供电，不适合易燃易爆等管道的泄漏监测。
实用新型内容
本申请的目的在于提出一种光纤复合管道及其监测系统，解决了现有技术无法实施管道泄漏监测和爆管及开挖破坏预警的问题，本申请可对长距离管道进行全覆盖监测，在时间和空间上无监测盲区，分布式光纤传感器无源，解决了长距离管道沿途没有电源的问题，其不受电磁和雷电的干扰，监测效果好，本申请监测精度较高，精准定位安全隐患的位置，光纤单元可同时监测管道的泄漏、振动和应变情况，综合多种监测结果的复合判断提高了管道预警准确度。
一种光纤复合管道，包括管道和复合在管道上的分布式光纤传感器，所述分布式光纤传感器沿所述管道轴向方向布置，所述分布式光纤传感器为光纤单元，所述光纤单元包括保护管和设置在所述保护管内的用于采集信号和传递信息的光纤。
如上的，其中，所述管道包括工作管和外保护层，所述光纤单元设置在所述工作管和外保护层之间。
如上的，其中，所述管道包括工作管、抗侧压铠装层、抗拉铠装层、保温层和外保护管，所述抗侧压铠装层包覆在所述工作管的外周侧，所述抗拉铠装层由多根扁钢紧密排列并螺旋式包覆在所述抗侧压铠装层的外周侧，所述外保护管包覆在所述抗拉铠装层外周侧，在一根或多根所述扁钢上开设有U形凹槽，所述凹槽沿所述扁钢全长开设，所述光纤单元沿所述凹槽延伸的方向嵌入所述凹槽内。
如上的，其中，所述管道包括工作管、抗侧压铠装层、抗拉铠装层、保温层和外保护管，所述抗侧压铠装层包覆在所述工作管的外周侧，所述抗拉铠装层由多根扁钢和一根或多根与所述扁钢形状和几何尺寸相同的高分子材料扁条紧密排列并螺旋式包覆在所述抗侧压铠装层的外周侧，所述高分子材料扁条内置入所述光纤单元，所述保温层包覆在所述抗拉铠装层外周侧，所述外保护管包覆在所述保温层的外周侧。
所述管道包括工作管、保温层和外保护管，所述保温层包覆在所述工作管的外周侧，所述外保护管包覆在所述保温层的外周侧，所述分布式光纤传感器沿所述工作管的轴向方向粘贴在所述保温层和所述外保护管之间。
如上的，其中，所述分布式光纤传感器包括分布式温度传感器、分布式扰动传感器和分布式应变传感器。
如上的，其中，所述分布式光纤传感器还包括分布式应变传感器，所述分布式应变传感器包括一对或多对光纤，两根光纤的远端熔接在一起，近端与光纤应变分析仪连接，其中，多对光纤分别设置不同的余长。
一种光纤复合管道监测系统，包括分布式光纤传感器、设置在监控中心的监测系统和报警系统，监测系统包括光纤信号解调仪；所述光纤信号解调仪与所述分布式光纤传感器通信连接，所述光纤信号解调仪接收所述分布式光纤传感器采集的信息；
所述报警系统与所述光纤信号解调仪通信连接，所述报警系统接收所述光纤信号解调仪发送的报警信息并发出预警信号。
如上的，其中，所述光纤信号解调仪包括光纤温度信号解调仪、光纤振动信号解调仪和光纤应变信号解调仪，
如上的，其中，所述报警系统包括远程通信服务器、预警控制中心和终端预警设备，所述预警控制中心通过所述远程通信服务器与所述光纤信号解调仪连接，所述预警控制中心接收所述光纤信号解调仪发送的监测信息，所述终端预警设备与所述预警控制中心通信连接。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请的分布式光纤传感器可对管道进行全覆盖监测，在时间和空间上无监测盲区，分布式光纤传感器无源，解决了长距离管道沿途没有电源的问题，其不受电磁和雷电的干扰，监测效果好，其本质安全，适合在易燃易爆等高危恶劣环境中应用。
(2)本申请通过实时监测管道工作管与外保护层之间温度场的温度变化、管道的异常振动和异常应变情况，及时发现管道初期的泄漏，以及危害管道安全的地质灾害、机械施工、人工施工甚至是恶意破坏管道或打孔偷盗等行为，从而保障管道的安全运营。
(3)本申请的扰动监测系统可区分异常扰动事件的特征并对异常扰动事件的位置进行精准定位，从而精确的找到管道在什么位置发生什么样的安全隐患事件，提高预警效果。
(4)本申请同时具有温度和振动监测装置，如果管道某处的温度和振动信号都发生了变化，综合分布式温度和振动两套系统监测的数据，能够精确判断管道发生了泄漏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的一种实施例的光纤复合管道的结构示意图。
图2是本申请的另一种实施例的光纤复合管道的结构示意图。
图3是本申请的光纤复合管道的监测系统的结构示意图。
附图说明:1-管道，2-监测系统，3-报警系统，4-远程通信服务器，5-无线或有线网络，6-数据库，11-外保护层，12-分布式光纤传感器，13-保护管，14-光纤，20-工作管，21-抗侧压铠装层，22-抗拉铠装层，23-保温层，24-外保护管，31-预警控制中心，32-GIS信息监测设备，33-终端预警设备，34-数据访问接口。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种光纤复合管道，包括管道1和复合在管道1上的分布式光纤传感器12，分布式光纤传感器12沿管道1轴向方向布置，分布式光纤传感器12为光纤单元，光纤单元包括保护管13和设置在保护管13内的用于采集信号和传递信息的光纤14。光纤单元和管道段长度匹配，可在数十米到四十公里内任意定制，系统的定位精度在40km范围内可达到米级。光纤单元中的光纤14采用单模G.652光纤，光纤14的芯数≥4芯，光纤14的余长根据管道热膨胀系数和设计允许应变参数确定。
如图1所示，管道1包括工作管20和外保护层11，光纤单元粘贴在工作管20和外保护层11之间，外保护层11用于保护工作管20，光纤单元用于采集管道1的异常温度、扰动和应变信号，当出现泄漏等安全隐患时，及时发出预警信号，提醒采取应急抢修措施。
如图2所示，管道1包括工作管20、抗侧压铠装层21、抗拉铠装层22、保温层23和外保护管24，抗侧压铠装层21包覆在所述工作管20的外周侧，抗拉铠装层22由多根扁钢紧密排列并螺旋式包覆在抗侧压铠装层21的外周侧，保温层23包覆在抗拉铠装层22的外周侧，外保护管24包覆在保温层23的外周侧，扁钢与工作管20接触的表面上开设有U形凹槽，也可以类似于Ω形，其中在一根或多根扁钢上开设凹槽，凹槽沿扁钢全长开设，凹槽沿扁钢长度方向开设，光纤单元沿凹槽全线嵌入凹槽内，工作管20用于运输介质，抗拉铠装层22提高管道1的抗拉能力，保温层23用于防止工作管20与管道1外部环境之间进行温度传递，保持管道1内的温度，若发生泄漏时，则管道1外部的温度环境跟随工作管20内的温度变化，通过监测管道1外部环境的温度变换从而判断管道1是否发生泄漏，外保护管24对管道1起到保护作用，提高管道1的使用寿命，扁钢为不锈钢材质，其具有高强度和导热性好的特性，沿工作管20延伸的方向螺旋式排布包覆在工作管20外表面，提高了管道1的抗拉能力，将光纤单元置入扁钢的凹槽内，扁钢对光纤单元起到一定保护作用。
如图2中所示，管道1包括工作管20、抗侧压铠装层21、抗拉铠装层22、保温层23和外保护管24，抗侧压铠装层21包覆在工作管20的外周侧，抗拉铠装层22由多根扁钢和一根或多根与扁钢形状和几何尺寸相同的高分子材料扁条紧密排列并螺旋式包覆在抗侧压铠装层21的外周侧，高分子材料扁条内置入光纤单元，保温层23包覆在抗拉铠装层22外周侧，外保护管24包覆在保温层23的外周侧。
管道1包括工作管20、保温层23和外保护管24，保温层23包覆在工作管20的外周侧，外保护管24包覆在保温层23的外周侧，分布式光纤传感器12沿工作管20的轴向方向粘贴在保温层23和外保护管24之间。
具体的，高分子材料扁条可以是橡胶材质，具有一定的弹性，其内部置入光纤单元，防止光纤单元在外力作用下断裂，起到保护作用，同时也能使光纤单元检测到管道1的应力变化。其次，高分子材料扁条也可以是纤维层或塑料层。
根据本实用新型的另一实施例，管道1还可包括内衬层、耐磨层和中间包覆层，内衬层包覆在工作管20的外周，抗侧压铠装层21包覆在内衬层的外周，抗拉铠装层22包覆在抗侧压铠装层21的外周，耐磨层包覆在抗拉铠装层22的外周，中间包覆层包覆在耐磨层的外周，保温层23包覆在中间包覆层的外周，外保护管24包覆在保温层23的外周，从而进一步提高管道1的使用寿命。
根据本实用新型的另一个实施例，抗拉铠装层22可包括两层，一层顺时针螺旋绕设在工作管20的外周侧，另一层逆时针螺旋绕设在工作管20的外周侧，从而进一步提高管道1的抗拉能力。
具体的，分布式光纤传感器12包括分布式温度传感器和分布式扰动传感器，分布式温度传感器，用于采集管道1本体外侧的温度变化信息；分布式扰动传感器，用于采集管道1本体的振动变化信息。分布式应变传感器，用于采集管道抗拉铠装层22的应变变化信息。
优选的，分布式光纤传感器12还包括分布式应变传感器，分布式应变传感器包括一对或多对光纤14，两根光纤14的远端熔接在一起，近端与光纤应变信号解调仪连接，其中，多对光纤14分别设置不同的余长，用于测量不同程度管道拉伸变形。
进一步，分布式温度传感器、分布式扰动传感器和分布式应变传感器可以采用管道1中的既有的光纤14，也可以采用粘贴于管道1表面(附近)的光缆中的光纤14，分布式温度传感器、分布式扰动传感器和分布式应变传感器均置于同一个保护管13内，节约成本，结构紧凑。
本实用新型的光纤复合管道适用场景包括：第一种，适用于陆上管道，用于输送天然气、油气等，第二种，适用于海底管道，用于输送天然气或油气等。
分布式光纤传感器无源，即不与电源连接，无需供电，其不受电磁和雷电的干扰，监测效果好。
实施例二
如图3中所示，一种光纤复合管道监测系统，包括分布式光纤传感器12、设置在监控中心的监测系统2和报警系统3，监测系统2包括光纤信号解调仪，光纤温度信号解调仪为布里渊光时域分析仪；光纤信号解调仪与分布式光纤传感器12通信连接，光纤信号解调仪接收分布式光纤传感器12采集的信息；设置在监控中心的报警系统3与光纤信号解调仪通信连接，报警系统3接收光纤信号解调仪发出的预警信号。
具体的，光纤信号解调仪包括光纤温度信号解调仪、光纤振动信号解调仪和光纤应变信号解调仪，分布式光纤传感器12包括分布式温度传感器和分布式扰动传感器；分布式温度传感器与光纤温度信号解调仪通信连接，分布式温度传感器用于实时采集管道工作管20与外保护层11之间的温度场的温度变化信息，并将温度变化信息发送给光纤温度信号解调仪；光纤温度信号解调仪用于接收温度变化信息并对该信息进行处理分析，判断管道1是否发生泄漏。
根据实际温度和温度变化的趋势，判断管道1发生了外漏或者内漏：如果工作管20(或工作管20内介质)温度高于环境温度时，保温层23某区域的温度高于正常温度，说明工作管20中的介质外漏；如果保温层23某区域的温度低于正常温度，说明外界介质通过漏点渗入了管道1；如果工作管20(或工作管20内介质)温度低于环境温度时，保温层23某区域的温度低于正常温度，说明工作管20中的介质外漏；如果保温层23某区域的温度高于正常温度，说明外界介质通过漏点渗入了管道1。
具体的，工作管20用于输送介质，当其发生泄漏时，其内部输送的热(冷)介质外溢，会导致工作管20和外保护层(外防腐层)11之间的温度场温度升高(或者降低)，根据拉曼原理，往前传播的光对温度不敏感，向后散射的光对温度敏感，后向散射光经温度异常区域后，后向散射光信号特性发生变化，后向散射光信号经光纤温度信号解调仪处理分析后，得到温度异常区域的实时温度，以及温度随时间变化的趋势和变化的速率，从而监测到管道1发生了泄漏，例如，在某一时刻的温度与前一时刻监测的温度相差较大，则判断管道1可能发生泄漏。
如上的，其中，分布式扰动传感器与光纤振动信号解调仪通信连接，分布式扰动传感器用于采集异常振动信号和对异常扰动事件发生的位置进行准确定位，并将该信号实时反馈给光纤振动信号解调仪；光纤振动信号解调仪，用于接收异常振动信号并对该信号进行处理分析，判断管道1是否发生泄漏、是否存在安全隐患，例如，压力管道泄漏时泄漏介质会对漏点的管道1侧壁产生反向作用力，导致管道1侧壁发生振动；同时可以判断管道1是否受到受到人为、机械施工威胁。
如上的，其中，如果分布式光纤温度和振动测试系统发现管道1某处的温度和振动信号都发生了变化，判断管道1发生了泄漏。
具体的，光纤振动信号解调仪通过对光纤14中高相干度瑞利散射信号进行解调，可高保真还原振动事件的位置、幅度和频率，从而实现对微振动事件的实时精确监测。当发生危及管道1安全的自然灾害(如地震、海啸、山体滑坡、泥石流、地质沉降、采空区塌陷等)、机械作业(如陆地上的挖掘、打桩、盾构、顶管等，管道1受到水枪冲刷、锚钩钩住管道1、养殖锚杆破坏管道1打孔偷盗等)、人工施工(挖掘、大锤敲击)或恶意破坏(剪切管道)事件时，都会发生振动或者扰动。振动和扰动会通过埋设在管道1周围的介质如土壤、空气和水传递到光纤14上，引起光纤14中光的干涉信号特性发生变化，从而被扰动监测系统感知到。
监测系统的光时域反射仪的工作原理为：激光器输出的连续激光经声光调制器(AOM)转换成脉冲光，通过掺铒光纤放大器(EDFA)对脉冲光强进行放大，然后再通过环形器注入到传感光纤中，传感光纤产生的后向瑞利散射光经环形器被光电探测器(PD)接收后，由数据采集卡采集光强信号，交由计算机处理。光时域反射仪使用窄线宽激光器以实现脉宽范围内后向瑞利散射光之间发生干涉，提高灵敏度，使之能够响应扰动引起的光相位变化，根据光相位变化情况判断管道1的扰动情况，也就是光纤扰动信号的分析原理。
光纤温度变化和光纤应变变化的分析原理为基于布里渊光时域分析技术，在布里渊传感系统中配备了一个用于测量分布式应变和温度的电光调制器，该技术基于受激布里渊散射原理(SBS)，利用光纤中的布里渊散射光频率变化量(频移量)与光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感。当脉冲光在光纤的一端发出，而连续光在光纤的另一端发出，脉冲产生落后的单模光纤布里渊增益，光纤的布里渊频移和光纤应变或温度的变化量成正比，因此，布里渊频移可以用如下公式表示：v(ε，T)＝v(0,0)+C1·ε+C2·T其中，ε表示应变，T表示温度，C1和C2分别为应变和温度系数。
当发生危及管道1安全的事件时，人工剪切管道外护层、铠装材料时，分布式扰动传感器会采集到以上异常振动信号，经光纤振动信号解调仪分析判断是否存在安全隐患，若存在，则及时通过安全报警系统发出人为破坏管道1的预警和报警。
自然灾害引起振动变化情况如下：自然原因导致的振动基本以低频信号为主；人类施工、破坏活动特别是机械施工产生的振动信号以高频为主；海浪和洋流冲刷和局部掏空导致的海管道裸露、架空后，海管道随海浪和洋流引起的舞动具有规律性和周期性，而人为破坏的扰动没有规律性。
具体的，报警系统3通过无线或有线网络5与监测系统2连接。报警系统3包括远程通信服务器4、预警控制中心31、GIS信息监测设备32(地理位置信息监测设备)和终端预警设备33，预警控制中心31通过远程通信服务器4与光纤信号解调仪连接，预警控制中心31接收光纤信号解调仪发送的监测信息，GIS信息监测设备32和终端预警设备33与预警控制中心31连接，报警系统3还包括数据访问接口34，用于对分布式光纤传感器12采集的数据进行访问。
优选的，光纤信号解调仪还包括光纤应变信号解调仪，分布式光纤传感器12还包括分布式应变传感器，分布式应变传感器与光纤应变信号解调仪通讯连接，分布式应变传感器，用于采集异常应变信号，并将异常应变信号反馈给光纤应变信号解调仪并分析引起该应变信号的危险因素；光纤应变信号解调仪，用于对异常应变信号进行处理分析，判断管道1是否存在安全隐患，例如是否受到地质沉降或船锚钩挂等的外力威胁。危及管道1的各种外力作用会让管道1受到额外张力，导致光纤14中光的布里渊信号特性发生变化，从而被分布式应变传感器感知到。
监测系统2还包括数据库6，数据库6用于存储设备监测的所有的异常温度、扰动和应变数据。
自然灾害引起管道1应力变化情况如下：
(1)自然灾害导致的管道1应力增大过程相对缓慢，人类施工、破坏导致的光纤14应力增加是相对快速、显性的过程。地质沉降、山体滑坡初期导致光纤14的应变增加是一个非常缓慢的过程；大型船舶抛锚后，船舶会随海风洋流漂移而带动锚钩在海底淤泥中移动，锚钩钩住海管道时，被钩住位置的光纤14应变会显著快速增大；
(2)自然灾害导致的管道1应力变化范围相对较大，人类施工、破坏导致的光纤14应力增加相对长度范围较小。地质沉降、山体滑坡会导致比较大的范围内的光纤14的应变增加；人为施工、破坏只会影响局部小范围的光纤14应变增加；大型船舶船锚钩钩住海管道时，只有被钩住位置的光纤14应变会增大。
根据管道1所经区域的地质构造以及采空区的位置范围等情况，可以辅助判断自然灾害和人为施工破坏。
分布式应变分析仪对采集的实时应变数据加以分析处理和统计对比，对管道1的受力情况实时监测，预警管道1受力形变的幅度大小；并根据光纤14应变的速率判断导致管道1受力的事件的性质：若光纤14应变瞬间增大，一般是人为原因；若光纤14应变缓慢平稳增加，一般是自然灾害导致。
另外，自然灾害导致的光纤14应变增加不能恢复；人为破坏管道1或者窃听光通信信号过程中牵拉管道1、开剥管道1护层导致的应变增加，只要解除张力，应变会恢复。
当管道1受到安全威胁甚至人为破坏时，通过模式识别软件，结合特征事件的数据库6，对扰动和应变两类报警数据做复合判断，从而准确发出事件特征和性质预警和报警，以便及时采取应急预案，减小损失。
本实用新型一种光纤复合管道监测系统能连续实时监测单向长度大于40Km、双向长度大于80Km的管道1，并能精确显示温度、应变和振动异常区域的准确位置。
监测系统的监测方法如下：
分布式温度传感器采集管道本体的温度信号，分布式扰动传感器采集管道的振动信号，分布式应变传感器采集管道的应变信号。
光纤温度信号解调仪实时接收分布式温度传感器采集的温度信号，并对该温度信号进行处理分析，根据温度信号中的温度数据是否超过报警阈值来判断管道1是否存在泄漏；并准确显示泄漏点的位置；
光纤振动信号解调仪实时接收分布式扰动传感器采集的振动信号，并对该振动信号处理分析，判断振动信号中的振动数据是否超过报警阈值来判断管道是否发生泄漏或受到外力干扰，若是，发出预警信号，并准确显示扰动事件的位置，如果结合温度数据综合判断管道发生了泄漏，系统发出泄漏报警；如果只有振动数据异常，判断管道受到外界或者人为干扰。否则，继续监测；
光纤应变信号解调仪实时接收分布式应变传感器采集的应变信号，并对该应变信号进行处理分析，判断应变信号中的应变数据是否超过报警阈值，若是，发出预警信号，并准确显示异常受力点的位置，否则，继续监测。
分布式应变传感器感知光纤受到额外应变时，会及时发出预警，其中：
在确认管道1正常状态下采集管道1沿途所有点的应变数据，并作为以后在预警控制中心内设置管道1受力报警阈值参考：管道1应力没有增加时，管道1正常；
在确认管道1正常状态下采集管道1沿途所有点的扰动数据，并作为以后在预警控制中心内设置管道1扰动报警阈值参考：局部管道1扰动增加大于设定报警值时，系统发出报警。
自然灾害、人类施工、人为破坏中的一种或多种会导致振动信号大于报警阈值。
本申请实现的有益效果如下：
(1)本申请的分布式光纤传感器可对管道进行全覆盖监测，在时间和空间上无监测盲区，分布式光纤传感器无源，解决了长距离管道沿途没有电源的问题，其不受电磁和雷电的干扰，监测效果好，其本质安全，适合在易燃易爆等高危恶劣环境中应用。
(2)本申请通过实时监测管道工作管与外保护层之间温度场的温度变化、管道的异常振动和异常应变情况，及时发现管道初期的泄漏，以及危害管道安全的地质灾害、机械施工、人工施工甚至是恶意破坏管道或打孔偷盗等行为，从而保障管道的安全运营。
(3)本申请的扰动监测系统可区分异常扰动事件的特征并对异常扰动事件的位置进行精准定位，从而精确的找到管道在什么位置发生什么样的安全隐患事件，提高预警效果。
(4)本申请同时具有温度和振动监测装置，如果管道某处的温度和振动信号都发生了变化，综合分布式温度和振动两套系统监测的数据，能够精确判断管道发生了泄漏。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变换和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变换和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也包含这些改动和变型在内。
