光纤感测技术在管道泄漏监测中的应用

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敷设在空中、地下、构筑物中的各种功能的管道犹如城市的血管,在城市的发展中起着重要的作用。随着管道材料老化、环境变迁,加上人为和工程活动的影响,管道泄漏成为其安全运营中最为关键的问题,而解决这一问题的前提就是对管道进行有效监测。多年来,管道泄漏监测取得了长足的发展,但传统的管道泄漏监测手段存在监测成本高、误差大、漏报率高等问题,远远不能满足管道泄漏的监测要求。光纤感测技术凭借着其分布式、高精度、实时监测等优点成为了新的管道监测技术研究热点。论文结合课题组在光纤监测领域取得的成果,针对悬空排水管道,研发出了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)测温原理的准分布式管道泄漏监测传感器;在试验基础上,对分布式温度感测(DTS)技术应用于悬空管道泄漏精细化监测进行了分析;采用主动加热型传感技术,对埋地管道泄漏点源渗流场进行了精细化监测试验,并用数值模拟验证了其准确性;最后结合一个具体工程监测项目,建立了管道泄漏光纤监测系统,通过监测数据,进一步证明了 DTS在管道泄漏监测中的有效性。论文的研究工作和成果总结如下:(1)分析了排水管道泄漏引起的危害;总结了管道泄漏常规监测方法的优劣,分析了光纤感测技术在管道泄漏监测方面的优势。(2)将FBG测温技术与液体蒸发吸热原理结合,开发了一种准分布式管道泄漏监测传感器;确定了脱脂纯棉作为传感器的蒸发材料;采用配对样本T检验对监测结果进行了误差分析;对监测效果的影响因素,如环境湿度、环境风速、监测水体温度和泄漏速率进行了定量分析,发现环境湿度、风速、泄漏速率会对监测效果产生较大影响。(3)开展了 DTS技术应用于管道泄漏监测的试验。对于管道内高温液体,分析了泄漏液体的温度变化规律,采用简化的空间分辨率数学模型拟合了泄漏后液体热量散失与液体实际温度的函数关系,此函数可以作为报警阈值设定依据;对于管道内常温液体的监测,提出采用DTS测温技术与蒸发吸热原理结合,分析得出泄漏与未泄漏区域会产生2-3℃温差,且DTS空间分辨率对此温差影响较小。(4)开展了埋地管道常温液体泄漏光纤监测试验,采用主动加热型传感器法。分析了主动加热传感器的影响半径,一般为6cm,据此设计管道泄漏点源渗流试验,获得了不同时刻渗流场分布云图,拟合了湿润锋运移距离与时间的关系;以烘干法含水率为标准,对FBG实测含水率进行了误差分析,误差最小仅为3.43%可满足监测要求;采用Comso1软件,对点源渗流场的形状进行了数值模拟分析,验证了实测结果的准确性,证明了主动加热型传感器法监测埋地管道泄漏的有效性,也为传感光缆(器)铺设提供了依据。(5)结合北京世纪坛医院地下管道泄漏监测项目,建立了管道泄漏DTS光纤监测系统,并根据泄漏液体热量散失和议题温度函数关系,设定了泄漏报警阈值。监测结果表明:DTS可以对悬空管道的泄漏位置和高温泄漏液体的温度进行有效监测。研究成果为管道泄漏监测提供了一种新的监测技术,应用前景十分广阔。
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