一种油气压力管道损伤监测预警方法

摘要

本发明公开了一种油气压力管道损伤监测预警方法，建立不同缺陷形态的损伤管道模型，模拟分析得到管道外壁应变变化和位置范围；根据模拟结果和实际工况，在管道易损伤位置布置应变光纤传感器，在管道连接敏感位置布置温度光纤传感器，在不同压力区布置压力传感器；将采集的光信号解调处理得到管道外壁应变、温度和压力数据，计算处理后实时显示管道壁厚损伤情况。当管道应变到达材料危险应变值时；或当损伤区壁厚小于危险壁厚值时；或当管道温度变化，达到危险温度变化范围时；则判定为危险，立即输出危险管道信息，从而实现对压力管道损伤情况实时监测及安全预警，提高了安全性和数据可靠性。

权利要求

1.一种油气压力管道损伤监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立损伤管道模型，模拟实际工况下不同损伤程度管道外壁应变及位置分布；

(2)在管道易损伤位置周向布置应变光纤传感器，在管道两端或阀门两端布置温度光纤传感器，采集的光信号解调处理得到管道外壁周向应变、温度，在不同压力区布置压力传感器，采集得到压力数据；

(3)如果管道外壁实时应变值达到危险应变临界值，则判定输出管道危险状态；或当管道温度变化达到危险温度变化范围，则判定输出管道危险状态，具体包括以下步骤：A.实际工况条件下，根据管道规格及压力数据，外壁周向应变ε周经过计算处理得到检测位置的管道壁厚t：

管道壁厚t：

式中，P为管道的内压，Ri为管道的平均半径，E为杨氏模量，ε周为周向应变，μ为泊松比；

当检测位置的管道壁厚小于管道标准定义的危险壁厚值时t

B.当管道或连接处损伤泄漏，或当管道阀门损伤失效时，内部压力发生急剧变化，管道外壁温度数据发生变化甚至骤变：当管道或连接处损伤泄漏时温度变化ΔT：式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，a为气体常数，CV为定容比热容，n为气体的物质的量，V0为起始体积；当管道或连接处损伤泄漏时，气体体积膨胀V>V0，当监测到管道温度变化ΔT漏＝T漏‑0>ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

当管道阀门损伤失效时温度变化ΔT：式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，ΔP为压强变化，a、b为气体常数，n为气体的物质的量，R为比例常数，T0为起始温度，V为气体体积；当管道阀门损伤失效时，气体压强产生变化ΔP，损伤处温度变化ΔT损＝T损‑T0>ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

C.监测系统实时采集显示管道损伤数据，建立历史数据库，从而获得损伤变化趋势，进一步预测管道使用寿命。

2.根据权利要求1所述油气压力管道损伤监测预警方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：

A.根据管道使用手册中的危险标准判定及实际损伤报废中的探伤报告，得出压力管道危险情况下的管道壁厚及损伤形态；

B.通过在对应规格管道中布置相应缺陷，建立油气压力管道的不同损伤程度管道模型；

C.利用力学分析工具模拟在实际工况下油气管道的外壁应变变化及分布范围，得到损伤形态壁厚与外壁应变对应关系。

3.根据权利要求1所述油气压力管道损伤监测预警方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

A.步骤(1)得到的易损伤位置及外壁感知范围边界，布置相应数量的应变及温度光纤传感器；

B.在采输管线不同压力区安装压力传感器。

4.根据权利要求1所述油气压力管道损伤监测预警方法，其特征在于，所述步骤(3)中的B，为排除环境及内部介质对管道温度变化的影响：当管道或连接处损伤泄漏时，ΔT漏‑ΔT邻＝(T漏‑T0)‑(T邻‑T0)>ΔT危，既泄漏管道ΔT漏排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

同样，当管道阀门损伤失效时，ΔT损‑ΔT邻＝(T损‑T0)‑(T邻‑T0)>ΔT危，既管道阀门损伤ΔT损排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息。

5.根据权利要求4所述油气压力管道损伤监测预警方法，其特征在于，所述ΔT邻可为邻近n管道的ΔT邻1、ΔT邻2…ΔT邻n，进行多次比较，考虑相邻管道同时发生泄漏或损伤的可能性，提高监测结果的准确性。

说明书

一种油气压力管道损伤监测预警方法

技术领域

[0001] 本发明涉及压力管道监测技术领域，尤其涉及一种油气压力管道损伤监测预警方法。

背景技术

[0002] 高压气井井场压力管道是油气井开采和生产的重要采输管线之一。随着油气开采条件的不断劣化，以及一些夹砂压裂、酸化等增产工艺的应用，高压环境和流体颗粒不断的
冲蚀会对压力管道造成严重的损伤，严重时将导致管道发生刺漏、爆裂等安全事故。为了能
够及时有效的检测出管道内部的结构损坏，对压力管道进行实时的在线监测显得尤为重
要。

[0003] 目前比较常见的管道健康状态监测主要是采用对关键位置进行探伤或者电化学检测的方法。探伤技术包括磁粉探伤、超声波探伤、着色探伤、X射线查伤和声发射探伤等，
是最直接的损伤检测手段，但只能实现管道的离线检测，无法做到管道在线运行全过程的
实时状态监测。而电化学检测方法对薄弱关键位置的检测尚未普及，检测时需要对传感器
进行供电，存在用电安全隐患，同时电化学方法的检测精度和分辨率都有待改进。

[0004] 现存一种基于光纤分布式测量的油气管道泄漏监测及报警技术，但这是管道出现泄漏后位置定位，无法实现泄漏前的预警。同时监测中只考虑了压力因素，而没有考虑内部
介质和外部环境等因素对管道监测的影响。如何实现对压力管道的实时健康监测及安全状
态评估、预警，始终是一个行业性难题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提出一种油气压力管道损伤监测预警方法，以改善现有技术中对采输压力管线的损伤监测不足的问题。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种油气压力管道损伤监测预警方法，包括以下步骤：

[0007] (1)建立损伤管道模型，模拟实际工况下不同损伤程度管道外壁应变及位置分布；

[0008] (2)在管道易损伤位置周向布置应变光纤传感器，在管道两端或阀门两端布置温度光纤传感器，采集的光信号解调处理得到管道外壁周向应变、温度，在不同压力区布置压
力传感器，采集得到压力数据；

[0009] (3)如果管道外壁实时应变值达到危险应变临界值，则判定输出管道危险状态；或当管道温度变化达到危险温度变化范围，则判定输出管道危险状态。

[0010] 所述步骤(1)包括：

[0011] A.根据管道使用手册中的危险标准判定及实际损伤报废中的探伤报告，得出压力管道危险情况下的管道壁厚及损伤形态；

[0012] B.通过在对应规格管道中布置相应缺陷，建立油气压力管道的不同损伤程度管道模型；

[0013] C.利用力学分析工具模拟在实际工况下油气管道的外壁应变变化及分布范围，得到损伤形态壁厚与外壁应变对应关系。

[0014] 所述步骤(2)包括：

[0015] A.步骤(1)得到的易损伤位置及外壁感知范围边界，布置相应数量的应变及温度光纤传感器；

[0016] B.在采输管线不同压力区安装压力传感器。

[0017] 所述步骤(3)包括：

[0018] A.实际工况条件下，根据管道规格及压力数据，外壁周向应变ε周经过计算处理得到检测位置的管道壁厚t：

[0019] 管道壁厚t：

[0020] 式中，P为管道的内压，Ri为管道的平均半径，E为杨氏模量，ε周为周向应变，μ为泊松比；当检测位置的管道壁厚小于管道标准定义的危险壁厚值时t＜t危，则判定为危险，立
即输出危险信息；

[0021] B.当管道或连接处损伤泄漏，或当管道阀门损伤失效时，内部压力发生急剧变化，管道外壁温度数据发生变化甚至骤变：

[0022] 当管道或连接处损伤泄漏时温度变化ΔT：

[0023]

[0024] 式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，a为气体常数，CV为定容比热容，n为气体的物质的量，V0为起始体积；当管道或连接处损伤泄漏时，气体体积膨胀V＞V0，当监测到管道温度
变化ΔT漏＝T漏‑T0＞ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0025] 当管道阀门损伤失效时温度变化ΔT：

[0026]

[0027] 式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，ΔP为压强变化，a、b为气体常数，n为气体的物质的量，R为比例常数，T0为起始温度，V为气体体积；当管道阀门损伤失效时，气体压强产生
变化ΔP，损伤处温度变化ΔT损＝T损‑T0＞ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0028] C.监测系统实时采集显示管道损伤数据，建立历史数据库，从而获得损伤变化趋势，进一步预测管道使用寿命。

[0029] 所述步骤(3)中的B，为排除环境及内部介质对管道温度变化的影响：

[0030] 当管道或连接处损伤泄漏时，ΔT漏‑ΔT邻＝(T漏‑T0)‑(T邻‑T0)＞ΔT危，既泄漏管道ΔT漏排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0031] 同样，当管道阀门损伤失效时，ΔT损‑ΔT邻＝(T损‑T0)‑(T邻‑T0)＞ΔT危，既管道阀门损伤ΔT损排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信
息。

[0032] 所述ΔT邻可为邻近n管道的ΔT邻1、ΔT邻2…ΔT邻n，进行多次比较，考虑相邻管道同时发生泄漏或损伤的可能性，提高监测结果的准确性。

[0033] 本发明的有益效果是：

[0034] (1)根据管道探伤报告及管道损伤模拟，针对性得到实际工况下压力管道易损伤部位和缺陷形态，通过对压力管道进行力学行为分析，得到管道内部结构损伤与管道外壁
应变的对应关系。尤其考虑了内部介质和外界环境影响，拓展了监测方法的适用范围，提高
了监测数据的可靠性。

[0035] (2)硬件采用分布式光纤光栅传感器，由于采集光信号，不影响压力管道的正常使用，具有极高的安全性和准确性。同一通道可接入多个传感器，便于安装，节约成本。

[0036] (3)对压力管道实现全时段的损伤监测和安全预警。实时查看管道安全状态，危险事故发生之前，根据不同危险级别及时报警。

附图说明

[0037] 图1为本发明油气压力管道损伤监测预警方法的流程图。

[0038] 图2为本发明实施例提供的一种试验油气压力管道分布图。

[0039] 图3为本发明实施例提供的一种压力管道光纤传感器布局位置图。

[0040] 图4为本发明实施例提供的一种在线安全监测系统框架图。

具体实施方式

[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于
本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

[0042] 如图1所示，本发明的油气压力管道损伤监测预警方法，包括以下步骤：

[0043] (1)建立损伤管道模型，模拟实际工况下不同损伤程度管道外壁应变及位置分布；

[0044] (2)在管道易损伤位置周向布置应变光纤传感器，在管道两端或阀门两端布置温度光纤传感器，采集的光信号解调处理得到管道外壁周向应变、温度，在不同压力区布置压
力传感器，采集得到压力数据；

[0045] (3)如果管道外壁实时应变值达到危险应变临界值，则判定输出管道危险状态；或当管道温度变化，达到危险温度变化范围，则判定输出管道危险状态。

[0046] 所述步骤(1)包括：

[0047] A.根据管道使用手册中的危险标准判定及实际损伤报废中的探伤报告，得出压力管道危险情况下的管道壁厚及损伤形态；

[0048] B.通过在对应规格管道中布置相应缺陷，建立油气压力管道的不同损伤程度管道模型；

[0049] C.利用力学分析工具模拟在实际工况下油气管道的外壁应变变化及分布范围，得到损伤形态壁厚与外壁应变对应关系。

[0050] 所述步骤(2)包括：

[0051] A.步骤(1)得到的易损伤位置及外壁感知范围边界，布置相应数量的应变及温度光纤传感器；

[0052] B.在采输管线不同压力区安装压力传感器。

[0053] 所述步骤(3)包括：

[0054] A.实际工况条件下，根据管道规格及压力数据，外壁周向应变ε周经过计算处理得到检测位置的管道壁厚t：

[0055] 管道壁厚t：

[0056] 式中，P为管道的内压，Ri为管道的平均半径，E为杨氏模量，ε周为周向应变，μ为泊松比；当检测位置的管道壁厚小于管道标准定义的危险壁厚值时t＜t危，则判定为危险，立
即输出危险信息；

[0057] B.当管道或连接处损伤泄漏，或当管道阀门损伤失效时，内部压力发生急剧变化，管道外壁温度数据发生变化甚至骤变：

[0058] 当管道或连接处损伤泄漏时温度变化ΔT：

[0059]

[0060] 式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，a为气体常数，CV为定容比热容，n为气体的物质的量，V0为起始体积；当管道或连接处损伤泄漏时，气体体积膨胀V＞V0，当监测到管道温度
变化ΔT漏＝T漏‑T0＞ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0061] 当管道阀门损伤失效时温度变化ΔT：

[0062]

[0063] 式中，ΔT为温度差，T0为起始温度，ΔP为压强变化，a、b为气体常数，n为气体的物质的量，R为比例常数，T0为起始温度，V为气体体积；当管道阀门损伤失效时，气体压强产生
变化ΔP，损伤处温度变化ΔT损＝T损‑T0＞ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0064] C.监测系统实时采集显示管道损伤数据，建立历史数据库，从而获得损伤变化趋势，进一步预测管道使用寿命。

[0065] 所述步骤(3)中的B，为排除环境及内部介质对管道温度变化的影响：

[0066] 当管道或连接处损伤泄漏时，ΔT漏‑ΔT邻＝(T漏‑T0)‑(T邻‑T0)＞ΔT危，既泄漏管道ΔT漏排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信息；

[0067] 同样，当管道阀门损伤失效时，ΔT损‑ΔT邻＝(T损‑T0)‑(T邻‑T0)＞ΔT危，既管道阀门损伤ΔT损排除环境及内部介质影响的ΔT邻后，达到ΔT危，则判定为危险，立即输出危险信
息。

[0068] 所述ΔT邻可为邻近n管道的ΔT邻1、ΔT邻2…ΔT邻n，进行多次比较，考虑相邻管道同时发生泄漏或损伤的可能性，提高监测结果的准确性。

[0069] 本发明通过σ＝E·ε及材料力学原理，当薄壁圆环的直径远大于其厚度时，可以忽略其径向应力分布σr＝0，得到 管道的周向应力
σy和管道的内压P以及管道厚度t之间的关系式为： 和 得到管
道壁厚关系式： 当管道内表面压力变化时，得到管道的壁厚及减薄量，
进而反映压力管道的内部损伤情况。

[0070] 当检测位置的管道壁厚小于管道标准定义的危险壁厚值时t＜t危，则判定为危险，立即输出危险信息。

[0071] 以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案

[0072] 本实施例中，针对试验油气压力管道布局传感器，如图2所示，高压气井管件分为：高压管线、高压数据头、中压由壬直管线、中压由壬弯头以及低压数据头。根据压力管道危
险壁厚损伤临界值，结合实际管件损伤报告，对管件进行损伤模拟，可以明显得出缺陷所在
的外壁处应变值明显偏大。另外，以缺陷为中心，半径15cm的范围内的应力值均偏大，因此
设定两组传感器之间的距离为30cm。该缺陷会影响环向方向180°范围内的应力值，环向方
向上每组包含两个呈180°的传感器。旧管线缺陷会存在于管道环向各个位置，而非集中于
管道底部，因此每组传感器之间要相差90°。

[0073] 完好的弯头在弯曲处应力最大，而且弯曲处最易受到流体的冲刷，该部位最易受到损伤。从模拟中也可以得出弯曲处的应力值最大。但是考虑到实际安装的问题，只能在距
离弯曲50mm的直管段处安装传感器。根据现场调研，我们发现部分管道发生泄漏现象时，泄
露点外壁温度会降低。为了提高预警系统的准确性，在管道两端或阀门两端布置温度光纤
传感器，配合应变数据进行预警。温度传感器安装位置根据现场情况而定，主要分布在管道
连接处、节流管汇和阀门的两侧。

[0074] 高压气井实际安装情况，如图3所示，根据现场试验条件，在2个高压1m管(除砂器旁)、3个中压2m管、4个中压1m管、3个弯头、1个低压数据头上共安装88个传感器。

[0075] 现场测量：(1)高压区：高压140法兰连接管线(外径：191mm，壁厚：52.80mm)，除砂器旁1m管(外径：146.42mm，进口壁厚：32.6mm，出口壁厚：36.1mm)，工作压力：87.66MPa；(2)
中压区：中压由壬连接管线(外径：88.9mm，壁厚：12.8mm)，低压数据头(外径：184.6mm，壁
厚：60.2mm)，工作压力：14.2MPa。

[0076] 实施例提供的一种在线安全监测系统框架图，如图4所示

[0077] 在管道布置应变光纤传感器和温度光纤传感器，采集光信号解调处理得到的管道外壁应变、温度及压力数据，输入监测系统对应接口。根据 计算处理，实时
得到应力应变、管道损伤区壁厚、管道温度。其中6号中压2m管道实验数据如表所示：传感器
编号：f3_1、f3_2、f3_3、f3_4、f3_5、f3_6、f3_7、f3_8、f3_9、f3_10、f3_11、f3_12；应变值分
别为：146.766、130.443、187.514、175.290、176.914、178.497、189.739、178.398、180.425、
170.719、192.602、191.612；显示壁厚(mm)：12.8、12.8、12.261、12.8、12.785、12.704、
12.157、12.709、12.607、12.8、12.025、12.07。与模拟数据对比分析，得到内部缺陷近似形
态。通过与危险临界值对比，判定管道危险程度，从而实时监测管道损伤情况。管道出现损
伤，反映在管道外壁的应变变化。通过对应变进行计算得到壁厚值，来实时呈现管道的壁厚
状态，通过对壁厚设置报警值来安全预警。

[0078] 根据温度变化关系式：

[0079] 当管道或连接处损伤泄漏时温度变化ΔT：

[0080]

[0081] 当管道阀门损伤失效时温度变化ΔT：

[0082]

[0083] 在易损伤的管道连接处、节流管汇和阀门的两侧布置温度光纤传感器，其中4号中压1m管道、5号中压2m管道、6号中压2m、7号中压1m、8号弯头两端的传感器温度数据分别为：
t4_1、t4_2、t5_1、t5_2、t6_1、t6_2、t7_1、t7_2、t8_1、t8_2；起始温度分别为：t4_1_0、t4_2_
0、t5_1_0、t5_2_0、t6_1_0、t6_2_0、t7_1_0、t7_2_0、t8_1_0、t8_2_0。当(t4_1‑t4_1_0)‑
(t7_1‑t7_1_0)＞ΔT危，输出4号管道t4_1传感器附近的损伤泄漏危险信号；当(t4_2‑t4_2_
0)‑(t8_1‑t8_1_0)＞ΔT危与(t5_1‑t5_1_0)‑(t8_1‑t8_1_0)＞ΔT危同时发生，输出4号与5
号管道连接处的损伤泄漏危险信号；当(t8_1‑t8_1_0)‑(t4_1‑t4_1_0)＞ΔT危，输出8号弯
头处t8_1传感器附近的损伤泄漏危险信号。

[0084] 对系统设置应力应变、壁厚、温度差危险报警值，对采集数据进行实时处理。当达到危险认定情况，系统及时发出报警信息，并可立即查找危险点，从而采取应急措施。

[0085] 实时显示应力应变、壁厚、温度等数据。当出现危险报警情况，快速查找危险时间段的历史数据。测试过程中或者测试结束后，对历史数据进行筛选整合，生成历史报表。

[0086] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。