基于光纖光柵應(yīng)變箍傳感器的管道腐蝕和泄漏監(jiān)測研究

近年來，管道事故頻發(fā)，因此管道健康監(jiān)測技術(shù)對于及時了解管道安全運營狀態(tài)，確保國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。隨著新型材料、新型傳感器的不斷發(fā)展，各種管道檢測及監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。本課題提出一種利用環(huán)向應(yīng)變進行管道腐蝕監(jiān)測以及管道泄漏定位的方法，同時，為了測量管道環(huán)向平均應(yīng)變，開發(fā)了一種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器。圍繞上述監(jiān)測理論及傳感技術(shù)，主要進行了以下幾方面的研究工作： 管道腐蝕引起的壁厚減小和管道泄漏引起的壓力突降均會使管道環(huán)向應(yīng)變發(fā)生變化。通過有限元軟件分析了管道環(huán)向平均應(yīng)變對于局部腐蝕的敏感性，表明環(huán)向平均應(yīng)變測量相比于單點測量對于管道腐蝕評價更有優(yōu)勢。本文通過鋼管道模型和PVC管道模型分別進行了腐蝕和泄漏模擬試驗，驗證了文中提出方法的有效性。而基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏監(jiān)測方法中，包括用于常規(guī)泄漏量的負壓波時間差定位法，以及用于泄漏量較小情況的負壓波能量衰減定位法。 為滿足管道環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測要求，開發(fā)了一種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器，可用于監(jiān)測管道的環(huán)向平均應(yīng)變進而評價管道腐蝕程度，且具有監(jiān)測泄漏過程所引起的環(huán)向應(yīng)變動態(tài)變化的能力。對自行研制封裝的光纖光柵應(yīng)變箍傳感器進行了靈敏度、穩(wěn)定性等方面的測試，測試結(jié)果表明這種傳感器性能良好，適合用于管道的安全測量。設(shè)計中還包括一種應(yīng)變箍傳感器夾持系統(tǒng)，通過這種系統(tǒng)安裝固定應(yīng)變箍傳感器，可使其與管道結(jié)構(gòu)保持一致變形，提高測量靈敏度。 利用特征線法，分析了管道泄漏后達到穩(wěn)定狀態(tài)時，管道沿線的環(huán)向應(yīng)變分布。結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于管道沿線穩(wěn)態(tài)環(huán)向應(yīng)變分布的管道泄漏定位方法。分析比較了不同環(huán)向應(yīng)變測點數(shù)量、隱含層節(jié)點數(shù)量時，該定位方法對于管道泄漏位置判斷的準確率，獲得了最優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)構(gòu)。同時，還通過疊加干擾信號證明了該方法對噪聲干擾具有較好的抑制能力。 由于環(huán)向應(yīng)變測點布置靈活，通過布設(shè)一定數(shù)量的環(huán)向應(yīng)變測點，可使管道的目標檢測泄漏量的限值大幅降低。本文利用數(shù)學模型分析了管道泄漏發(fā)生后的負壓波能量衰減規(guī)律，并提出基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏定位方法中，使用環(huán)向應(yīng)變可檢半徑來確定環(huán)向應(yīng)變測點間距的方法，以滿足對于不同目標檢測泄漏量的要求。 2100433B

研究腐蝕缺陷對埋地管道安全輸送的影響和管道泄漏監(jiān)測和定位已成為埋地管道安全運行所關(guān)注的課題之一。本項目首次提出采用光纖光柵應(yīng)變箍傳感器沿管道環(huán)向安裝在管道外壁，可以監(jiān)測到由管道內(nèi)部壓力導致的管道外壁環(huán)向變形情況。通過長期監(jiān)測環(huán)向應(yīng)變變化情況可以得到埋地管道的壁厚變化狀況和管道內(nèi)部的壓力變化情況，從而獲得埋地管道的內(nèi)外腐蝕程度和管道泄漏信息。本項目將研究光纖光柵應(yīng)變箍傳感器的增敏技術(shù)和長期可靠性問題、詳細分析管道內(nèi)部壓力、腐蝕程度和環(huán)向應(yīng)變?nèi)叩鸟詈详P(guān)系、建立埋地管道腐蝕發(fā)展和剩余強度的力學模型、研究光纖光柵應(yīng)變箍傳感器所測得壓力信號的降噪問題和管道泄露位置定位算法問題。本項目的完成對于提高管道安全性，降低安全隱患和運行風險，提高總體經(jīng)濟效益，將產(chǎn)生積極的推動作用。

管道是國家重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，其泄漏監(jiān)測具有重要意義。本項目提出了基于分布式光纖應(yīng)變測量信號，進行管道泄漏事故判別及泄漏定位的新技術(shù)，目前已形成了“泄漏機理→傳感技術(shù)→監(jiān)測算法→系統(tǒng)設(shè)計”的較為完整的管道泄漏監(jiān)測理論和技術(shù)體系。在泄漏監(jiān)測原理方面，提出利用特征線法分析管道泄漏穩(wěn)態(tài)壓力分布規(guī)律，結(jié)合機器學習模型計算管道泄漏位置的方法。在傳感技術(shù)方面，針對前期開發(fā)的光纖光柵（FBG）管道泄漏傳感器，進行結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化，提升傳感器對管道泄漏監(jiān)測可檢泄漏量的分辨能力。在泄漏監(jiān)測算法方面，針對管道泄漏事故原始數(shù)據(jù)不易獲取的問題，提出利用適于小樣本學習的支持向量回歸（SVR）網(wǎng)絡(luò)模型，分析管道泄漏位置與光纖應(yīng)變分布的復(fù)雜非線性映射關(guān)系，并利用多種優(yōu)化方法獲得更高的管道泄漏定位準確率。搭建管道泄漏監(jiān)測模擬試驗平臺，對上述相關(guān)監(jiān)測技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)進行模擬試驗測試。經(jīng)理論和試驗驗證，本項目所提出的基于分布式光纖應(yīng)變測量的管道泄漏監(jiān)測技術(shù)，對于管道泄漏事故識別準確率高達97%。通過對真實長輸管道的模擬計算，該方法對于管道沿線各泄漏點定位平均誤差率低于1%，且系統(tǒng)具有較好的魯棒性。同時，通過改進光纖傳感器泄漏監(jiān)測靈敏度，可將泄漏檢測系統(tǒng)在管道最小可檢泄漏率方面檢測性能提升超過30%。本項目所研究的管道泄漏監(jiān)測及定位技術(shù)，有望應(yīng)用于長輸油氣管道、城市管網(wǎng)、海底管道等各類管道安全監(jiān)測系統(tǒng)中，具有潛在的實際應(yīng)用價值。 2100433B

管道泄漏監(jiān)測技術(shù)對于及時了解管道安全運營狀態(tài)，確保國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義。隨著新型材料、新型傳感器的不斷發(fā)展，各種管道泄漏檢測及監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。本項目提出了一種基于準分布式光纖應(yīng)變測量技術(shù)的管道泄漏監(jiān)測及定位的方法，它以負壓波傳播規(guī)律為基礎(chǔ)，通過采集泄漏引起的管道沿線的應(yīng)變分布信息，對管道泄漏位置進行判斷。本項目將從管道泄漏的機理研究出發(fā)，給出不同泄漏情況下的泄漏定位方法，包括負壓波時間差定位法，負壓波能量衰減定位法及穩(wěn)態(tài)應(yīng)變分布模式識別法等。而高靈敏度光纖光柵傳感器的研發(fā)也是本項目的重要研究分支，它決定了泄漏監(jiān)測系統(tǒng)對于微小泄漏量的檢測能力。結(jié)合本項目擬開發(fā)的管道泄漏監(jiān)測軟件系統(tǒng)，上述定位方法及傳感技術(shù)均將通過管道泄漏模型試驗進行驗證。利用光纖傳感技術(shù)開發(fā)智能管道結(jié)構(gòu)也將是本項目一個潛在的技術(shù)研究工作。

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法專利目的

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》的目的是提供一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法。該方法不僅有效的保護了裸光纖光柵，而且可以改變光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，其增減敏系數(shù)可以根據(jù)封裝材料的尺寸制定，滿足實際工程的測量需求。增敏型應(yīng)變傳感器提高了光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，可以應(yīng)用于應(yīng)變量程小、測量精度要求高的應(yīng)變測試中；而減敏型應(yīng)變傳感器相對降低了光纖光柵的應(yīng)變靈敏度，適合于應(yīng)變量程大、測量精度相對低的測量需求?；谶@種封裝方法的光纖光柵應(yīng)變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應(yīng)變測量提供了大應(yīng)變量程和高測量精度的監(jiān)測手段。

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法技術(shù)方案

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》所采用的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：傳感器由光纖光柵、兩個封裝部件、兩個夾持部件以及兩個固定支點組成。其中封裝部件與夾持部件均為鋼管。采用膠接的方法將光纖光柵兩端固定于兩個封裝部件內(nèi)，由于膠粘劑沒有直接封裝光纖光柵區(qū)域，消除了膠粘劑對光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響；然后將兩個封裝部件分別置于兩個夾持部件內(nèi)，并使用膠粘劑粘接封裝部件和夾持部件；最后使用鉚固、焊接或膠接的方式將夾持部件與固定支點連接。

封裝部件材料為鋼管；設(shè)兩個固定支點的距離為L，兩個封裝部件之間的光纖的長度為

其中

鋼的彈性模量約為光纖的3倍，當封裝鋼管的截面積

L定義傳感器的增減敏系數(shù)，代入式(5)可得

由式(6)可以看出，通過調(diào)整增減敏系數(shù)K的值，即

一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法有益效果

《一種光纖光柵增減敏應(yīng)變傳感器的封裝方法》的效果和益處是，基于這種封裝技術(shù)的光纖光柵應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、造價低廉的優(yōu)點；由于膠粘劑沒有直接接觸光纖光柵區(qū)域，不僅消除了膠粘劑對光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響，而且避免了光纖光柵區(qū)域粘接不均勻帶來的反射波長多峰值的現(xiàn)象；傳感器的增減敏系數(shù)可以根據(jù)實際需要通過改變固定支點的位置來確定；通過一些輔助構(gòu)件，傳感器不僅可以采用鉚固、焊接或膠接的方式安裝于被測結(jié)構(gòu)的表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行應(yīng)變測量。基于這種封裝方法的光纖光柵應(yīng)變傳感器，為大型工程結(jié)構(gòu)的表面及內(nèi)部應(yīng)變測量提供了大應(yīng)變量程和高測量精度的監(jiān)測手段。