一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置及其控制方法
【專利摘要】一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置及控制方法，包括兩個滑輪固定單元、滑輪、砝碼和光纖傳感器綁定器具?；喒潭▎卧蓜傂灾Ъ芎铜h(huán)形夾具組成，環(huán)形夾具緊固在管道上，滑輪固定單元上安裝有兩個滑輪。光纖傳感器綁定器具由剛性外套、柔性內(nèi)套及繩體組成，繩體緊密纏繞在剛性外套的外表面。初始應(yīng)變控制方法為：確定光纖傳感器鋪設(shè)方位；將兩個滑輪固定單元固定在所述管道的左右兩端；將光纖傳感器繞過滑輪；光纖傳感器綁定器具套裝在光纖傳感器的兩個自由端處，并用尼龍線捆綁，分別連接凸出構(gòu)件和砝碼；將分布式光纖傳感器粘接于管道表面。本發(fā)明效果是保證光纖傳感器的初始應(yīng)變處于均勻狀態(tài)，提高分布式光纖傳感器的測量精度。
【專利說明】
一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置及其控制方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和海洋工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自分布式光纖傳感器問世以來，由于具有高可靠性、耐腐蝕性、傳輸損耗低、傳輸距離長、免電磁干擾等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到了長足發(fā)展。尤其是光纖傳感器的線形長距離測量特征，使其成為各類管道安全監(jiān)測的理想技術(shù)之一。在油氣管道的安全監(jiān)測中，目前所使用的光纖傳感器技術(shù)主要包括三種:光纖光柵(FBG)技術(shù)、分布式光纖溫度測量技術(shù)和分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)。光纖光柵(FBG)技術(shù)可以實現(xiàn)高精度的動態(tài)應(yīng)變和溫度的測量，是目前相對成熟的一種光纖監(jiān)測技術(shù)，但這種技術(shù)仍然屬于傳統(tǒng)的點式測量范疇，無法滿足長距離海底管道分布式監(jiān)測的需要。分布式光纖溫度測量技術(shù)通過監(jiān)測管道沿途因油氣泄漏所引起的環(huán)境溫度的異常，實現(xiàn)管道泄漏的分布式探測和定位，但是溫度測量并不能提供管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)退化(如結(jié)構(gòu)損傷、腐蝕等)的任何信息。分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)可以提供管道全長任意位置的應(yīng)變(或應(yīng)力)信息，為管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估和安全預(yù)警提供了第一手資料，但是這一技術(shù)要求傳感器必須布設(shè)在結(jié)構(gòu)上，在油氣管道中的應(yīng)用還處于起步階段。
[0003]分布式應(yīng)變測量技術(shù)利用光纖的布里淵(Brillouin)背向散射原理，通過光時域反射技術(shù)(Brillouin Optical time domain reflectometry,B0TDR)或光時域分析技術(shù)(Brillouin Optical time domain analysis ,B0TDA)測量光纖路徑上任意一點的應(yīng)變。BOTDR技術(shù)利用的自發(fā)布里淵散射，信號較弱，因此空間分辨率和測量精度都較低，而BOTDA技術(shù)由于利用了受激布里淵散射，使信號強度增加，空間分辨率和測量精度都大大提高。由布里淵分布式光纖傳感器的測量原理可知，其測量精度取決于空間分辨率內(nèi)應(yīng)變的分布規(guī)律。目前，對于應(yīng)變傳感系數(shù)的標(biāo)定，都是在均勻應(yīng)變假定的基礎(chǔ)上進行的，也就說，對于非均勻應(yīng)變，由布里淵分布式應(yīng)變測量系統(tǒng)的得到的讀數(shù)會有一定的誤差，而且隨著應(yīng)變非均勻程度的增加，其誤差會顯著增加。尤其是分布式應(yīng)變的動態(tài)測量，更是假定光纖路徑上的初始應(yīng)變都是均勻的，在此基礎(chǔ)上進行掃描測量，一旦初始應(yīng)變的分布不均勻，將會造成較大的測量誤差。為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果，應(yīng)該對布設(shè)于管道上的分布式光纖傳感器的初始應(yīng)變進行控制，以保證初始應(yīng)變盡可能均勻分布。
[0004]關(guān)于分布式光纖傳感器的布設(shè)，國內(nèi)已有一些特定領(lǐng)域內(nèi)的傳感器布設(shè)方法。專利CN102168951A涉及了一種可拆卸式剛性轉(zhuǎn)柔性光纖傳感器及其布設(shè)方法，在傳感器布設(shè)時通過調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于剛性連接狀態(tài)。傳感器布設(shè)后，利用調(diào)節(jié)剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件使傳感器處于無剛性連接的自由狀態(tài)，消除剛性/柔性轉(zhuǎn)換構(gòu)件剛度對結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力場的影響，實現(xiàn)裸光纖或纖維樹脂材料柔性封裝光纖敏感元件柔性測試。專利CN102445160A涉及了一種長標(biāo)距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)。專利CN104931078A公開了一種高分辨率密集光纖光柵布設(shè)方法，能夠通過錯位放置大大提高空間分辨率。專利CN102243348A公開了一種在鋼軌上布設(shè)光纖的裝置，通過設(shè)置注膠壓緊裝置和光纖進給裝置，實現(xiàn)了光纖在鋼軌上的方便布設(shè)，通過走行裝置可以提高布設(shè)效率。專利CN202661693U公開了一種分布式光纖在井筒凍結(jié)壁中的布設(shè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效的將分布式光纖成功的安裝在凍結(jié)法施工井筒的凍結(jié)壁中，以保證分布式光纖能實時準(zhǔn)確地監(jiān)測凍結(jié)壁的溫度、變形及受力狀況。分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及專利情況可以發(fā)現(xiàn)，目前還沒有涉及分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制方法與裝置的專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提供一種適合管道安全監(jiān)測的分布式光纖傳感器的初始應(yīng)變控制裝置及其控制方法，提高管道分布式光纖傳感器的應(yīng)變測量精度，以達到保證管道結(jié)構(gòu)安全的目的。
[0006]本發(fā)明提供一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，它包括兩個滑輪固定單元、滑輪、砝碼和光纖傳感器綁定器具。
[0007]所述的滑輪固定單元由剛性支架和環(huán)形夾具組成，所述環(huán)形夾具緊固在一管道上，環(huán)形夾具其內(nèi)徑與管道外徑相吻合。
[0008]每個滑輪固定單元上各安裝有兩個滑輪，對分布式光纖傳感器起到導(dǎo)向作用，其中一個滑輪安裝在剛性支架的上端，另一個滑輪安裝在剛性支架的內(nèi)側(cè)端，所述分布式光纖傳感器繞過各個滑輪，利用滑輪提供導(dǎo)向作用，可使分布式光纖傳感器與管道表面平行布設(shè)且緊密接觸。
[0009]所述光纖傳感器綁定器具由剛性外套、柔性內(nèi)套以及繩體組成，其中剛性外套由形狀對稱的弧片體結(jié)構(gòu)對合而成管狀，所述柔性內(nèi)套穿設(shè)于剛性外套中，分布式光纖傳感器套設(shè)于該柔性內(nèi)套內(nèi)，所述繩體纏繞固定在剛性外套上。
[0010]光纖傳感器綁定器具可以在不對分布式光纖傳感器造成損壞的前提下固定在分布式光纖傳感器上，進而可以將分布式光纖傳感器與剛性支架及砝碼相連接，使分布式光纖傳感器處于均勻拉伸狀態(tài)。
[0011]進一步的，為便于固定用于連接光纖傳感器綁定器具的繩體，所述剛性支架的外側(cè)下部設(shè)有一凸出構(gòu)件。
[0012]進一步的，所述剛性外套的外表面間設(shè)有凹槽，便于綁扎繩體，并可以保證光纖傳感器各位置受到的壓力基本相同。
[0013]進一步的，所述剛性外套底端伸出柔性內(nèi)套一部分，并在其端頭設(shè)有一V形構(gòu)件，用于通過繩體連接剛性支架及砝碼。
[0014]本發(fā)明同時提供一種管道分布式光纖傳感器的初始應(yīng)變控制方法，包括以下步驟:
[0015]步驟1:根據(jù)管道安全監(jiān)測的施工方案，確定分布式光纖傳感器的鋪設(shè)方位并在管道上進行定位，然后打磨管道表面并進行清潔；
[0016]步驟2:將兩個滑輪固定單元分別通過環(huán)形夾具固定在待鋪設(shè)傳感器的管道的左右兩端；
[0017]步驟3:將分布式光纖傳感器依次繞過四個滑輪，并留出自由端；
[0018]步驟4:將光纖傳感器綁定器具套裝在所述分布式光纖傳感器的自由端處，并用繩體捆綁剛性外套，從而對光纖傳感器施加環(huán)向壓力，以握緊柔性內(nèi)套和分布式光纖傳感器，令分布式光纖傳感器和柔性內(nèi)套緊密接觸，將一側(cè)的光纖傳感器綁定器具末端的V形構(gòu)件和該側(cè)剛性支架的凸出構(gòu)件用繩體連接;將另一側(cè)的光纖傳感器綁定器具末端的V形構(gòu)件用繩體垂吊一適當(dāng)重量的砝碼，從而張緊分布式光纖傳感器；
[0019]步驟5:利用粘結(jié)劑將分布式光纖傳感器固定于管道表面，待粘結(jié)劑固化后卸下本管道上分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，完成分布式光纖傳感器的布設(shè)。
[0020]本發(fā)明的工作原理是:基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器，其測量精度取決于空間分辨率內(nèi)的應(yīng)變均勻性，因此對于布設(shè)在管道上的光纖傳感器，應(yīng)控制其在每一段上的初始應(yīng)變基本保持一致。本發(fā)明利用滑輪原理，通過一定質(zhì)量的砝碼使光纖傳感器處于均勻受拉狀態(tài)，從而達到控制初始應(yīng)變的目的。
[0021]滑輪固定單元通過其環(huán)形夾具固定在管道上，分布式光纖傳感器通過光纖傳感器綁定器具進行固定，利用一定重量的砝碼通過光纖傳感器綁定器具使分布式光纖傳感器受到均勻張拉，然后再使用粘結(jié)劑將分布式光纖傳感器固定在管道表面，在布設(shè)過程中由于分布式光纖傳感器處于均勻拉伸狀態(tài)從而使其初始應(yīng)變得到控制。
[0022]本發(fā)明的效果和益處是，通過該套裝置及其控制方法使分布式將光纖傳感器均勻布設(shè)于管道表面，保證分布式光纖傳感器的初始應(yīng)變處于均勻狀態(tài)，提高分布式光纖傳感器的測量精度，從而對管道安全監(jiān)測及預(yù)警產(chǎn)生積極意義。
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
【附圖說明】
[0024]附圖1是分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置整體布置圖。
[0025]附圖2是滑輪固定單元左視圖。
[0026]附圖3是光纖傳感器綁定器具示意圖。
[0027]附圖4是附圖3的局部放大圖。
[0028]圖中:1、管道;2、剛性支架;21、凸出構(gòu)件;3、環(huán)形夾具;4、滑輪;5、分布式光纖傳感器;6、光纖傳感器綁定器具;61、V形構(gòu)件;7、砝碼;8、剛性外套;9、柔性內(nèi)套
【具體實施方式】
[0029]實施例一:
[0030]本實施例提供一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，用于將分布式光纖傳感器5均勻拉伸并鋪設(shè)在待檢測的管道I的表面上，參見附圖1、2，它主要包括兩個滑輪固定單元、滑輪4、砝碼7和光纖傳感器綁定器具6。
[0031]所述的滑輪固定單元由剛性支架2和環(huán)形夾具3組成，所述環(huán)形夾具3利用螺栓緊固在管道I上，其內(nèi)徑具體尺寸由管道外徑相吻合;所述的剛性支架2由橫桿、立桿和斜撐桿固定連接而成，橫桿固定連接在環(huán)形夾具3的上方，立桿垂直地固定在橫桿的外側(cè)端，斜撐桿固定連接在上述立桿和橫桿之間，對剛性支架2起到剛度支撐的作用。
[0032]為便于固定用于連接光纖傳感器綁定器具6的尼龍繩，本實施例所述剛性支架2的下部設(shè)有一個長為50mm、截面為20mmX 20mm的凸出構(gòu)件21。
[0033]所述的每個滑輪固定單元上安裝有兩個滑輪4，主要對分布式光纖傳感器起到導(dǎo)向作用，其中一個滑輪安裝在剛性支架立桿的上端，另一個滑輪4安裝在剛性支架橫桿的內(nèi)側(cè)端，即，安裝在附圖1中左側(cè)的剛性支架2的右側(cè)端，或者，安裝在附圖1中右側(cè)的剛性支架2的左側(cè)端。所述分布式光纖傳感器5適當(dāng)?shù)乩@過各個滑輪4，如附圖1所示，利用滑輪4提供導(dǎo)向作用，可使分布式光纖傳感器5與管道I表面平行布設(shè)且緊密接觸。兩個滑輪固定單元相對分別通過環(huán)形夾具固定在待鋪設(shè)傳感器的管道左右兩端。
[0034]所述的光纖傳感器綁定器具6由剛性外套8、柔性內(nèi)套9以及尼龍繩組成，參見附圖
3、4，其中利用鋼材制成的剛性外套8呈管狀，由兩片形狀對稱的半管結(jié)構(gòu)對合而成，利用橡膠材料制成的柔性內(nèi)套9穿設(shè)于剛性外套8之中，橡膠材料制成的柔性內(nèi)套9的內(nèi)徑與分布式光纖傳感器5的外徑相適應(yīng)，剛性外套8和柔性內(nèi)套9之間粘接，令其無法產(chǎn)生相對滑動。所述的尼龍繩緊密纏繞在剛性外套8外表面上。
[0035]本實施例中，所述剛性外套8的外表面上均勻分布有四個綁線凹槽，槽寬3mm，槽深1_，便于綁扎尼龍繩，并可以保證光纖傳感器5各位置受到的壓力基本相同。
[0036]本實施例中，所述剛性外套8底端伸出柔性內(nèi)套9一部分，并設(shè)有一個V形構(gòu)件61，用于通過尼龍繩連接剛性支架2或砝碼7。
[0037]光纖傳感器綁定器具6可以在不對分布式光纖傳感器5造成損壞的前提下固定在分布式光纖傳感器5上，進而可以將分布式光纖傳感器與剛性支架2或砝碼7相連接，使分布式光纖傳感器5處于均勻拉伸狀態(tài)。
[0038]本實施例同時提供一種管道分布式光纖傳感器的初始應(yīng)變控制方法，包括以下步驟:
[0039]步驟1:根據(jù)管道安全監(jiān)測的施工方案，確定分布式光纖傳感器5的鋪設(shè)方位并在管道I上進行定位，然后打磨管道I表面并進行清潔。
[0040]步驟2:將兩個滑輪固定單元分別通過環(huán)形夾具3固定在待鋪設(shè)傳感器的管道I的左右兩端。
[0041]步驟3:將分布式光纖傳感器5按照如附圖1方式依照一定順序繞過四個滑輪4，并留出自由端。
[0042]步驟4:將光纖傳感器綁定器具6套裝在上述分布式光纖傳感器5的兩個自由端處，將尼龍繩捆綁在各個橫向凹槽處，從而對光纖傳感器施加環(huán)向壓力，使兩片半管緊密對合，握緊橡膠柔性內(nèi)套和分布式光纖傳感器5，令光纖傳感器和橡膠柔性內(nèi)套緊密接觸。將光纖傳感器綁定器具6末端的V形構(gòu)件61和位于附圖1左側(cè)的剛性支架2的突出構(gòu)件21用尼龍繩連接;在位于附圖1右側(cè)的光纖傳感器綁定器具6末端的V形構(gòu)件61用尼龍繩垂釣一定重量的砝碼7，從而張緊分布式光纖傳感器5。
[0043]步驟5:利用粘結(jié)劑(如環(huán)氧樹脂等)將分布式光纖傳感器5固定于管道I表面，待粘結(jié)劑固化后卸下本實施例所述的管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，完成分布式光纖傳感器的布設(shè)。
【主權(quán)項】
1.一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，其特征在于:包括兩個滑輪固定單元、滑輪、砝碼和光纖傳感器綁定器具，所述的滑輪固定單元由剛性支架和環(huán)形夾具組成，所述環(huán)形夾具緊固在一管道上，環(huán)形夾具其內(nèi)徑與管道外徑相吻合，每個滑輪固定單元上各安裝有兩個滑輪，對分布式光纖傳感器起到導(dǎo)向作用，其中一個滑輪安裝在剛性支架的上端，另一個滑輪安裝在剛性支架的內(nèi)側(cè)端，所述分布式光纖傳感器繞過各個滑輪，所述光纖傳感器綁定器具由剛性外套、柔性內(nèi)套以及繩體組成，其中剛性外套由形狀對稱的弧片結(jié)構(gòu)對合而成管狀，所述柔性內(nèi)套穿設(shè)于剛性外套中，分布式光纖傳感器套設(shè)于該柔性內(nèi)套內(nèi)，所述繩體纏繞固定在剛性外套上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，其特征在于:所述剛性支架的外側(cè)下部設(shè)有一凸出構(gòu)件。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，其特征在于:所述剛性外套的外表面間設(shè)有凹槽。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，其特征在于:所述剛性外套底端伸出柔性內(nèi)套一部分，并在其端頭設(shè)有一 V形構(gòu)件。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項所述的一種管道分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置的控制方法，其特征是:包括以下步驟: 步驟1:根據(jù)管道安全監(jiān)測的施工方案，確定分布式光纖傳感器的鋪設(shè)方位并在管道上進行定位，然后打磨管道表面并進行清潔； 步驟2:將兩個滑輪固定單元分別通過環(huán)形夾具固定在待鋪設(shè)傳感器的管道的左右兩端； 步驟3:將分布式光纖傳感器依次繞過四個滑輪，并留出自由端； 步驟4:將光纖傳感器綁定器具套裝在所述分布式光纖傳感器的自由端處，并用繩體捆綁剛性外套，從而對光纖傳感器施加環(huán)向壓力，以握緊柔性內(nèi)套和分布式光纖傳感器，令分布式光纖傳感器和柔性內(nèi)套緊密接觸，將一側(cè)的光纖傳感器綁定器具末端的V形構(gòu)件和該側(cè)剛性支架的凸出構(gòu)件通過繩體連接;將另一側(cè)的光纖傳感器綁定器具末端的V形構(gòu)件用繩體垂吊一適當(dāng)重量的砝碼，從而張緊分布式光纖傳感器； 步驟5:利用粘結(jié)劑將分布式光纖傳感器固定于管道表面，待粘結(jié)劑固化后卸下本管道上分布式光纖傳感器初始應(yīng)變控制裝置，完成分布式光纖傳感器的布設(shè)。
【文檔編號】G01B11/16GK105973159SQ201610352693
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】陳同彥, 李勇, 徐志剛, 吳敏, 馮春健, 岳晟, 劉錦昆, 李毅, 季文峰, 蔣習(xí)民, 譚勇, 李恩清, 張賀, 張先鋒, 楊柳
【申請人】中石化石油工程設(shè)計有限公司, 中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋采油廠