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专利名称：在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种监测管道应力的系统和方法，尤其涉及一种在水平定向钻穿越施 工中监测管道应力的系统和方法。
背景技术：
水平定向钻(Horizontal Directional Drilling)穿越施工技术是目前发展最快 的一种非开挖施工方法。该施工技术是利用水平定向钻机，在不开挖地表的条件下或以最 小的地表开挖工作量铺设多种地下公用设施，如管道、电缆的技术。由于水平定向钻穿越施工技术具有定位精度高、不影响交通、不破坏环境、施工周 期短、适合复杂地层条件下施工等诸多优点，该施工技术目前广泛应用于城市建设的管线 穿越安装中。例如，水平定向钻穿越施工技术在城市燃气管道的施工中具有广泛的应用。水平定向钻穿越施工技术一般分为三个步骤导向孔钻进，回扩及回拖。施工过程 中，钻机按预先设定的轨迹曲线在某一地层和深度下钻进导向孔；然后用回扩器扩孔至所 需的孔径；最后将管道回拖至孔道内完成穿越。在传统的施工方法中，在回拖管道时，只使用了钻机自带的回拖力测量设备，记录 并监测在回拖过程中作用于管道上的轴向力。当此轴向力超过某一极限值时，说明回拖过 程受阻，从而进行相应的调整。但在此回拖过程中，没有采用任何装置和方法对管道与钻孔 相互作用所导致的管道内部的应力进行监测。为了保证回拖过程中管道与钻孔相互作用所导致的管道内部的应力值不超过管 道的最大允许应力，水平定向钻穿越工艺规范中只允许二维穿越，而不允许三维穿越，即不 允许在穿越过程中同时在水平和垂直方向内借转铺设，另外，还规定穿越轨迹的曲率半径 不得小于某一规定值。然而，随着城市建筑与地层中管线的增多，地层中可供铺设管道的区域越来越少， 因此，传统的穿越轨迹在很多施工现场不能满足规范的要求，常常要调整穿越方案，造成人 力，物力，财力的浪费，且常导致延误工期。

发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种在水平定向 钻穿越施工中监测管道应力的方法，可以直接监测管道在穿越过程中的应力值是否在管道 的最大允许应力范围内，以检验管道在施工中能否进行三维穿越或者具有小于规范所规定 的穿越轨迹的曲率半径，从而加快了施工进度，降低了施工成本。为实现上述目的，本发明提供了一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的方 法，所述方法包括在铺设段管道的前端固定设置监测段管道；回拖所述监测段管道及所 述铺设段管道；利用形变传感装置感测所述监测段管道在回拖过程中的形变，以产生感测 信号；通过信号传输线将所述感测信号传送至信号接收装置；以及利用与所述信号接收装 置相连接的信号处理装置，根据所述感测信号，监测所述监测段管道的应力值是否在允许的范围内。 在本发明的一较佳实施方式中，在铺设段管道的前端固定设置监测段管道的步骤 包括将所述铺设段管道焊接至所述监测段管道。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感装置包括至少一组形变传感器。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感器为形变片，所述信号传输线为线缆。在本发明的一较佳实施方式中，在进行所述水平定向钻穿越施工前，对所述形变 片进行标定，以确定所述应力值、所述形变片的形变位移和所述感测信号之间的关系。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感器为光栅，所述信号传输线为光纤。在本发明的一较佳实施方式中，每组所述形变传感器包括四个形变传感器，所述 四个形变传感器之间呈大约90°分布，并设置在所述监测段管道的同一截面的内表面上。在本发明的一较佳实施方式中，所述信号接收装置为二次测量仪表，而所述信号 处理装置为记录仪。在本发明的一较佳实施方式中，所述方法包括在完成所述水平定向钻穿越施工 过程后，移除所述监测段管道，所述形变传感装置及所述信号传输线。在本发明的一较佳实施方式中，所述监测段管道的长度是所述铺设段管道的长度 的 10% 20%。本发明还提供了一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统，包括监测 段管道，固定设置在铺设段管道的前端；形变传感装置，设置在所述监测段管道的内表面， 用于感测所述监测段管道在回拖过程中的形变以产生感测信号；信号接收装置，接收所述 形变传感装置所传送的所述感测信号；信号传输线，连接所述形变传感装置与所述信号接 收装置，并将所述感测信号传送至所述信号接收装置；以及信号处理装置，连接至所述信号 接收装置，其中，所述信号接收装置将所述感测信号传送至所述信号处理装置，所述信号处 理装置根据所述感测信号，监测所述管道的应力值是否在允许的范围内。在本发明的一较佳实施方式中，所述监测段管道与所述铺设段管道通过焊接结合 为一体。在本发明的一较佳实施方式中，所述监测段管道的长度是所述铺设段管道的长度 的 10% 20%。在本发明的一较佳实施方式中，所述监测段管道的材质和径向尺寸与所述铺设段 管道的材质和径向尺寸相同。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感装置包括至少一组形变传感器。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感器为形变片，所述信号传输线为线缆。在本发明的一较佳实施方式中，所述形变传感器为光栅，所述信号传输线为光纤。在本发明的一较佳实施方式中，所述信号接收装置为二次测量仪表，而所述信号 处理装置为记录仪。在本发明的一较佳实施方式中，每组所述形变传感器包括四个形变传感器，所述 四个形变传感器之间呈大约90°分布，并设置在所述监测段管道的同一截面上。通过本发明所提供的在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统和方法，可以直接监测管道在穿越过程中的内部应力值是否在管道的最大允许应力范围内，因此，可以 检验管道在施工中能否进行三维穿越或者具有小于规范所规定的穿越轨迹的曲率半径，不 仅加快了施工进度，而且降低了施工成本。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。


图1是本发明的较佳实施例的在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统的 示意图；图2是图1所示的形变传感器在监测段管道内部的排布示意图；图3是应用图1所示的系统完成水平定向钻穿越施工过程的管道示意图。
具体实施例方式如图1所示，本较佳实施例的在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统包括 监测段管道100，一组形变传感器110，信号接收装置200，信号处理装置300及信号传输线 400。监测段管道100用于容置形变传感器110。形变传感器110感测监测段管道100 在回拖过程中的形变，以产生感测信号。信号传输线400用于将形变传感器110发出的感 测信号传送到信号接收装置200，信号接收装置200进一步将感测信号传送至信号处理装 置300。信号处理装置300根据所述感测信号，对监测段管道100的应力值是否在允许的范 围内进行监测。监测段管道100固定设置在需要完成水平定向穿越的铺设段管道500(图3所示) 的前端。铺设段管道500为需要被铺设在地层中的管道。较佳地，通过焊接的方式将监测 段管道100与铺设段管道500结合为一体。较佳地，监测段管道100与铺设段管道500具有相同的材质和相同的径向尺寸，以 通过监测段管道100明确地反映出铺设段管道500在水平定向钻穿越施工中将经受的内部 应力。监测段管道100的长度可以是铺设段管道500的10% 20%，以在获得较佳地施工 效率的同时，降低施工成本。在本实施例中，形变传感器110为形变片，如图2中所示，在测量过程中，形变传感 器110以四个为一组，四个形变传感器之间呈大约90°分布，并设置于监测段管道100的同 一截面上，从而在四个不同方向上感测监测段管道100在水平定向钻穿越施工中的形变程 度，使得监测结果更为准确。当然，在其它实施例中，可设置多组形变传感器110，沿监测段管道100的长度方 向，每隔一定距离布置一组，以记录各个截面上的形变片位移，更确实可靠地反映出监测段 管道100在穿越过程中的内应力变化。每一组形变传感器110的数量也可以是二个，三个 或者大于四个。在进行穿越前，可以先对形变片进行标定，确定应力值、形变片的形变位移、及感 测信号之间的关系。感测信号可以是电流或电压信号。在回拖管道时，作用于管道上的应力使形变片产生形变位移，形变位移的大小与应力大小成正比。形变位移的信号可以被转化为感测信号，以通过信号接收装置200记录 对应的管道处的形变情况。信号传输线400可以为普通的线缆，用于将形变传感器110产生的信号传输到信 号接收装置200。在本实施例中，信号传输线400 —端具有一个传输端子401，连接信号接 收装置200，而另一端具有四个传输端子402，分别连接四个形变传感器110。信号传输线 400需足够长，以确保在穿越过程中，形变感测器110与信号接收装置200的可靠连接。
当然，在其它实施例中，也可以由四根独立的信号传输线400分别连接四个形变 片与信号接收装置200。在本发明的另一实施例中，形变传感器110为光栅，信号传输线400为光纤。信号接收装置200可以是二次检测仪表，用以指示或记录来自形变传感器110的 信号。在本实施例中，信号接收装置200与信号处理装置300通过连接线相连接。信号接 收装置200将感测信号传送至信号处理装置300，信号处理装置300可根据感测信号，准确 分析监测段管道100在整个回拖过程中的受力情况，通过信号处理装置300的监测值可以 判断铺设段管道500在穿越过程中的内应力大小是否在国家标准允许范围内。在本发明的另一实施例中，信号接收装置200与信号处理装置300之间为无线连 接。如图3所示，监测段管道100与铺设段管道500 —同穿越经过地层600。在穿越过 程中，由于监测段管道100位于铺设段管道500的前端，其先承受与管孔的相互作用而产生 形变。监测段管道100的形变可以反映回拖过程中，铺设段管道500所承受的所有应力 情况。记录该应力情况可直接了解管道的所承受的应力，从而确定穿越过程中管道是否有 超过规范所允许的数值范围的应力，便于质量控制和管道完整性管理的评估。当整个管道从入口端a穿越到出口端b后，监测段管道100暴露于地层600外。此 时，只需要将监测段管道100移除即可，例如，切割去除监测段管道100。同时，移除信号传 输线400及形变传感器110。配合上述系统，本发明还提出了一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的方 法，其较佳实施例如下所述。将一段监测段管道100焊接于铺设段管道500的前端。回拖监测段管道100及铺 设段管道500。将形变传感器110以四个为一组，呈大约90°分布，并设置于监测段管道 100的同一截面的内表面上，并利用形变传感装置110感测监测段管道100在回拖过程中的 形变，以产生感测信号。通过一根信号传输线400将所述感测信号传送至信号接收装置200。信号接收装 置200将所述感测信号传送至信号处理装置300。利用信号处理装置400，根据所述感测信 号，对监测段管道的应力值是否在允许的范围内进行监测。在穿越完成后，连同信号传输线 400及形变传感器110 —起，移除监测段管道100。本发明的在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的方法可严密监测回拖过程的 管道应力，直接检验某一穿越方案是否符合管道强度要求，保障穿越施工的质量。因此，应 用此方法，可以直接检验管道在施工中能否进行三维穿越或者具有小于规范所规定的穿越 轨迹的曲率半径，加快了施工的进度，降低了施工成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创 造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员 依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术 方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的方法，其特征在于，所述方法包括在铺设段管道的前端固定设置监测段管道；回拖所述监测段管道及所述铺设段管道；利用形变传感装置感测所述监测段管道在回拖过程中的形变，以产生感测信号；通过信号传输线将所述感测信号传送至信号接收装置；以及利用与所述信号接收装置相连接的信号处理装置，根据所述感测信号，监测所述监测段管道的应力值是否在允许的范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在铺设段管道的前端固定设置监测段管道的步骤 包括将所述铺设段管道焊接至所述监测段管道。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述形变传感装置包括至少一组形变传感器。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述形变传感器为形变片，所述信号传输线为线缆。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述方法包括在进行所述水平定向钻穿越施工 前，对所述形变片进行标定，以确定所述应力值、所述形变片的形变位移和所述感测信号之 间的关系。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述形变传感器为光栅，所述信号传输线为光纤。
7.如权利要求3 6中任一权利要求所述的方法，其中，每组所述形变传感器包括四个 形变传感器，所述四个形变传感器之间呈大约90°分布，并设置在所述监测段管道的同一 截面的内表面上。
8.如权利要求1 6中任一权利要求所述的方法，其中，所述信号接收装置为二次测量 仪表，而所述信号处理装置为记录仪。
9.如权利要求1 6中任一权利要求所述的方法，其中，所述方法包括在完成所述水 平定向钻穿越施工过程后，移除所述监测段管道，所述形变传感装置及所述信号传输线。
10.如权利要求1 6中任一权利要求所述的方法，其中，所述感测信号为电流信号或 电压信号。
11.如权利要求1 6中任一权利要求所述的方法，其中，所述监测段管道的长度是所 述铺设段管道的长度的10% 20%。
12.—种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统，其特征在于，包括 监测段管道，用于固定设置在铺设段管道的前端；形变传感装置，设置在所述监测段管道的内表面，用于感测所述监测段管道在回拖过 程中的形变以产生感测信号；信号接收装置，用于接收所述形变传感装置所传送的所述感测信号； 信号传输线，连接所述形变传感装置与所述信号接收装置，并将所述感测信号传送至 所述信号接收装置；以及信号处理装置，连接至所述信号接收装置，其中，所述信号接收装置将所述感测信号传 送至所述信号处理装置，所述信号处理装置根据所述感测信号，监测所述管道的应力值是 否在允许的范围内。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述监测段管道与所述铺设段管道通过焊接结合为一体。2
14.如权利要求12所述的系统，其中，所述监测段管道的长度是所述铺设段管道的长 度的10% 20%。
15.如权利要求12所述的系统，其中，所述监测段管道的材质和径向尺寸与所述铺设 段管道的材质和径向尺寸相同。
16.如权利要求12所述的系统，其中，所述形变传感装置包括至少一组形变传感器。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述形变传感器为形变片，所述信号传输线为线缆。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述形变传感器为光栅，所述信号传输线为光纤。
19.如权利要求12 18中任一权利要求所述的系统，其中，所述信号接收装置为二次 测量仪表，而所述信号处理装置为记录仪。
20.如权利要求16 18中任一权利要求所述的系统，其中，每组所述形变传感器包括 四个形变传感器，所述四个形变传感器之间呈大约90°分布，并设置在所述监测段管道的 同一截面的所述内表面上。
全文摘要
本发明公开了一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的方法，其包括在铺设段管道的前端设置监测段管道；回拖监测段管道及铺设段管道；利用形变传感装置感测监测段管道在回拖过程中的形变，以产生感测信号；通过信号传输线将感测信号传送至信号接收装置；以及利用与信号接收装置相连接的信号处理装置，根据感测信号，对监测段管道的应力是否在允许的范围内进行监测。还公开了一种在水平定向钻穿越施工中监测管道应力的系统。通过本发明提供的系统和方法，可直接监测管道在穿越过程中的应力值是否在管道的最大允许应力范围内，因此，可以检验管道在施工中能否进行三维穿越或者具有小于规范所规定的穿越轨迹的曲率半径，从而加快了施工的进度。
文档编号G01L1/24GK101963533SQ20101026168
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月24日 优先权日2010年8月24日
发明者张帆, 汪建国, 谢强, 马志明 申请人:上海煤气第二管线工程有限公司