任 亮， 夏夢穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連， 116024)

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基于環(huán)向應(yīng)變的燃?xì)夤艿佬孤┍O(jiān)測試驗*

任 亮， 夏夢穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部 大連， 116024)

燃?xì)夤艿烙捎谄涔δ艿奶厥庖约吧盥裼诘叵禄蚝５椎沫h(huán)境，如果泄漏將引起災(zāi)難性的后果。泄漏引起的負(fù)壓波會導(dǎo)致管道內(nèi)壓降低，進(jìn)而引起管道環(huán)向應(yīng)變減小。提出一種利用光纖光柵應(yīng)變傳感器測量管道環(huán)向應(yīng)變，對管道泄漏進(jìn)行無損監(jiān)測的方法。利用準(zhǔn)分布式安裝在燃?xì)夤艿滥Ｐ椭骶€以及支線上的光纖光柵應(yīng)變傳感器(fiber Bragg grating，簡稱FBG)進(jìn)行多種泄漏工況模擬試驗，包括不同位置泄漏、支線泄漏和模擬調(diào)泵。試驗結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠迅速準(zhǔn)確地監(jiān)測到管道的泄漏信號，這種基于環(huán)向應(yīng)變監(jiān)測的管道泄漏監(jiān)測方法是可行的，具有很大的發(fā)展前景。

管道； 泄漏監(jiān)測； 光纖光柵； 傳感器； 環(huán)向應(yīng)變

引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)對石油天然氣能源的需求量越來越大，作為石油天然氣產(chǎn)品的主要運(yùn)輸方式,油氣管道工業(yè)的發(fā)展日新月異。但是隨著管道使用年限的增長，在服役過程中不可避免地產(chǎn)生各種損傷，腐蝕破壞、人為及自然災(zāi)害破壞和長期荷載作用下的疲勞破壞等都會導(dǎo)致管道泄漏事故頻繁發(fā)生[1]，造成巨大的資源浪費，對土壤及水體產(chǎn)生嚴(yán)重污染[2]，甚至釀成火災(zāi)及爆炸事故，嚴(yán)重威脅管線所經(jīng)之處人民生命財產(chǎn)安全。因此，在石油天然氣管道的運(yùn)營維護(hù)時，對管道進(jìn)行長期有效地連續(xù)實時監(jiān)測并確定泄漏點位置[3-4]，對于保證管道安全運(yùn)行、減少經(jīng)濟(jì)損失和保護(hù)國家人民生命財產(chǎn)安全有著重大意義。

目前，管道泄漏的檢測方法主要有人工巡視法、機(jī)載紅外線法、探測球法、電纜檢測法、超聲檢測法以及基于數(shù)學(xué)模型和軟件的負(fù)壓波法、壓力梯度法、互相關(guān)檢測法[5]及應(yīng)變模態(tài)差方法[6]等。這些方法普遍存在無法長期實時監(jiān)測、耗資大、反應(yīng)慢和檢測精度不高等問題。超聲檢測法等應(yīng)用的電類傳感器在長距離(>500 m)傳輸過程中信號的損耗較大，信號中混雜有大量強(qiáng)背景噪聲，影響數(shù)據(jù)的分析效果，需要對信號進(jìn)行多種降噪處理[7]。因此，亟需一種能夠克服上述缺點的管道泄漏檢測方法。

近年來，光纖光柵傳感技術(shù)在工程監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展迅速[8]。光纖光柵作為一種新型的智能傳感元件，具有精巧輕柔、穩(wěn)定性好、耐酸堿抗腐蝕[9]、抗電磁干擾和精度高[10]、無火花[11]等優(yōu)點，還擁有復(fù)用能力強(qiáng)和信號為波長調(diào)制的優(yōu)勢[12-14]，十分適合應(yīng)用于燃?xì)夤艿辣O(jiān)測。

由于泄漏引起的負(fù)壓波會引起管道內(nèi)壓降低，這直接導(dǎo)致管道環(huán)向應(yīng)變的變化。因此，筆者提出一種基于環(huán)向應(yīng)變的管道泄漏監(jiān)測方法，利用一種基于夾持式方法封裝的光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測得到由管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁環(huán)向變形情況。

1 基于光纖光柵傳感器的管道泄漏監(jiān)測理論

1.1 管道泄漏監(jiān)測理論

管道在運(yùn)營期間，需要通過加高壓輸送液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)，因此管道內(nèi)部存在較大的內(nèi)部壓力，這種壓力會使管道發(fā)生膨脹，致使管道外壁產(chǎn)生環(huán)向變形，如式(1)所示。

(1)

其中：εy為管道外壁環(huán)向應(yīng)變;ν為管道泊松比;σy為管道外壁環(huán)向應(yīng)力；σz為管道外壁軸向應(yīng)力；E為管道彈性模量。(徑向應(yīng)力σx=-p近似為零。)

假定管道為無限長，則管道內(nèi)部壓力導(dǎo)致的管道外壁軸向應(yīng)變σz可忽略不計，即σz= 0；同時,σy=pR/h，其中：p為管道內(nèi)部壓力；R為管道內(nèi)徑；h為管道壁厚。將σz和σy的值帶入式(2)，得到管道壁厚與管道外壁環(huán)向應(yīng)變的關(guān)系式為

(2)

當(dāng)管內(nèi)壓力變化時，管道外壁的環(huán)向應(yīng)變也會隨之變化，兩者成正比例關(guān)系。當(dāng)管道發(fā)生泄露時，泄漏點的流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的氣體由于壓差而向泄漏點處補(bǔ)充。這一過程依次向上下游傳遞，相當(dāng)于泄漏點處產(chǎn)生了以一定速度傳播的負(fù)壓波[15]。負(fù)壓波在沿管道傳播的過程中將導(dǎo)致管道壓力的瞬間減小，管道泄漏是短時間事件，在泄露發(fā)生時刻可認(rèn)為管道壁厚h保持不變。管道內(nèi)部的壓力變化將導(dǎo)致管道外壁的環(huán)向應(yīng)變變化。因此，可以通過監(jiān)測管道的環(huán)向應(yīng)變的變化情況來監(jiān)測管道是否泄漏。

1.2 光纖光柵應(yīng)變傳感器基本理論

傳感器主要由光纖光柵、兩個夾持部件以及兩個固定支點組成,如圖 1所示。傳感器實物如圖 2所示，夾持部件為鋼管，直徑為d；設(shè)兩端固定支點的距離為L，兩端夾持部件之間的距離為Lf。

圖1 用于環(huán)向應(yīng)變測量的光纖光柵應(yīng)變傳感器的原理圖Fig.1 The schematic diagram of FBG strain sensor used in hoop strain measurement

圖2 光纖光柵應(yīng)變傳感器Fig.2 The picture of FBG strain sensor

假設(shè)由于內(nèi)壓改變導(dǎo)致管道產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變?yōu)棣?，則管道半徑的改變量ΔR=Rε，兩固定支點沿著管道徑向產(chǎn)生位移；定義α為經(jīng)過固定支點處的管道軸線與傳感器軸線的夾角，則兩固定支點位移導(dǎo)致光纖光柵應(yīng)變傳感器發(fā)生軸向變形為

(3)

其中：α為兩固定支點處的圓心角

(4)

夾持部件和光纖光柵的變形分別為ΔLS和ΔLf。忽略鋼管內(nèi)膠層和光纖的影響，由材料力學(xué)基本原理可得

(5)

(6)

其中:Es和Ef分別為鋼和光纖的彈性模量；As和Af分別為夾持鋼管和光纖的截面積；Ps和Pf分別為夾持鋼管和光纖光柵所受的內(nèi)力。

傳感器內(nèi)部內(nèi)力處處相等，即Ps=Pf，由此可得

(7)

根據(jù)筆者的研究[16-17]，由兩端夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器工作原理的研究可知，在整個傳感器的結(jié)構(gòu)中，夾持部件的應(yīng)變可以忽略。固定支點之間的變形量可認(rèn)為全部加載在光纖光柵上。

ΔL=ΔLf

(8)

得

(9)

對于中心波長處于1 550nm波段的光纖光柵，傳感器應(yīng)變與中心波長變化關(guān)系為

(10)

得到管道環(huán)向應(yīng)變ε

(11)

由式(11)可以看出，通過調(diào)整Lf與α值，可以改變傳感器的應(yīng)變測量靈敏度。

2 基于光纖光柵傳感器管道泄漏監(jiān)測試驗

2.1 試驗系統(tǒng)介紹

為了對燃?xì)夤艿佬孤┒ㄎ贿M(jìn)行試驗研究，搭設(shè)了燃?xì)夤艿滥Ｐ?。該模型能夠真實地模擬燃?xì)夤艿赖男孤┣闆r。管道模型材料選取為鋼材，試驗直管道長為14 m，管徑為DN50，管道壁厚為4 mm，彈性模量為210 GPa?？紤]試驗安全，通過空氣壓縮機(jī)為管道加壓，系統(tǒng)設(shè)計最大壓力為2.0 MPa。

圖 3為試驗系統(tǒng)簡圖。為消除空壓機(jī)引起的氣體波動，在管道上游設(shè)儲氣罐，將空壓機(jī)壓縮得到的高壓空氣存儲在上游儲氣罐E1中，待穩(wěn)定后繼續(xù)其他試驗操作; 在管道下游也設(shè)置一儲氣罐E2, 從而形成管道上下游壓差，可實現(xiàn)上下游任意壓差可調(diào)。

圖3 試驗系統(tǒng)簡圖及傳感器布置圖Fig.3 Experiment system and sensors arrangement

為模擬真實的泄漏過程，并使泄漏孔大小可調(diào)，泄漏量大小可測，試驗臺中采用手動球閥、電磁閥和轉(zhuǎn)子流量計的組合形式模擬泄漏，其中手動球閥控制泄漏孔徑大小，電磁閥的突然開啟模擬泄漏的突發(fā)過程，轉(zhuǎn)子流量計用來計量泄漏量。

2.2 采集系統(tǒng)及傳感器布置

光纖光柵中心波長的測量采用美國Micron optics公司的四通道解調(diào)系統(tǒng)SM-130，該設(shè)備集成了掃頻激光光源和可調(diào)光纖濾波器解調(diào)模塊，儀器的掃描頻率為1 000 Hz，波長分辨率為1 pm，工作波長范圍為1 510～1 590 nm。

為了監(jiān)測管道在泄漏以及沖擊荷載作用工況下的響應(yīng)，在管道的關(guān)鍵部位安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器。傳感器布設(shè)位置和中心波長如圖3和表1所示。其中,主線上安裝了5個光纖光柵應(yīng)變傳感器，在支線及其附近安裝了3個光纖光柵應(yīng)變傳感器。使用環(huán)氧樹脂將支座粘到管道上，支座與管道接觸面的弧半徑等于管道外徑， 使其能夠與管道緊密接觸。待環(huán)氧樹脂完全固化后將傳感器安裝到支座上，將傳感器通過螺栓和壓片進(jìn)行固定，這種方式使得FBG傳感器可方便地拆卸，可重復(fù)利用。

假定管道無限長，而試驗室條件不允許管道無限長，所以首先對傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗，傳感器對14 m試驗管道的壓力反應(yīng)為直線，線性良好，直線擬合度達(dá)0.997 7(見圖4)，可認(rèn)為符合無限長管道所具備的條件。

表1 光纖光柵應(yīng)變傳感器編號及波長

圖4 L1傳感器的應(yīng)變與壓力標(biāo)定Fig.4 Relationship of relative strain change and pressure of sensor L1

光纖光柵作為應(yīng)變傳感器應(yīng)用時，其應(yīng)變-溫度耦合作用必須考慮[16]，筆者采用的解決辦法是在光纖光柵應(yīng)變傳感器相同的溫度場內(nèi)布設(shè)光纖光柵溫度傳感器，用該溫度傳感器來對應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

為了使試驗工況更接近于實際工程，進(jìn)行各工況試驗時，打開空氣壓縮機(jī)向管道內(nèi)加壓，管道末端的出氣閥打開，管道內(nèi)的氣體流到儲氣罐，短時間內(nèi)氣體在管道內(nèi)形成了相對穩(wěn)定的流動狀態(tài)，這樣就模擬了實際管道正常運(yùn)營時的狀態(tài)。

3.1 主線泄漏監(jiān)測

主線泄漏試驗時，研究1號泄漏點全泄漏工況，每次泄漏時，管道的初始壓力均加載到490 kPa。試驗時通過電磁閥的突然開啟，模擬管道的突然泄漏。為了模擬實際運(yùn)營管道內(nèi)的情況，點泄露引起的壓力損失會被管內(nèi)流體迅速補(bǔ)充，所以采用短時泄露，泄露持續(xù)5 s。

如圖5所示，泄漏發(fā)生時，傳感器L4測得應(yīng)變突然減小，這是由于泄漏使得管道內(nèi)壓降低，導(dǎo)致管道環(huán)向應(yīng)變的減小。當(dāng)閥門關(guān)閉時，管內(nèi)壓力恢復(fù)原值，傳感器的應(yīng)變也恢復(fù)到初始水平。結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠檢測到泄漏發(fā)生所引起的環(huán)向變形。

圖5 1號點泄漏時L1, L4的時程曲線Fig.5 The reflection of sensors L1 and L4 to the situation of leakage point 1 full leakage

L2傳感器距離1號泄漏點最近，泄漏發(fā)生時，L2響應(yīng)最大，如圖6所示。這是由于泄露突然發(fā)生時產(chǎn)生了沖擊響應(yīng)，導(dǎo)致管道局部環(huán)向應(yīng)變發(fā)生較大突變；管道系統(tǒng)上其它傳感器也相應(yīng)地監(jiān)測到應(yīng)變降低，泄漏點上游的L1傳感器與下游的L4傳感器也出現(xiàn)應(yīng)變減小的情況，說明泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波是沿管道上下游兩個方向傳播的。因此，使用準(zhǔn)分布式布置的光纖光柵應(yīng)變傳感器對管道泄漏進(jìn)行監(jiān)測，相鄰傳感器之間的距離不可以過大。從圖 5中1號點泄漏時L1,L4傳感器的時程曲線，也可看出傳感器測得應(yīng)變的變化為同時減小。

圖6 1號泄漏點全泄漏時的各傳感器應(yīng)變變化Fig.6 The reflection of each sensors to the situation of leakage point 1 full leakage

以上試驗說明，光纖光柵應(yīng)變傳感器可以有效地捕捉到泄漏信號，對管道的安全狀況進(jìn)行實時有效的監(jiān)測。

3.2 支線泄漏時管道變形情況

支線泄漏點位于支線上D處，手動打開泄漏點閥門，模擬泄漏，觀測支線泄露對管道系統(tǒng)上各個傳感器的影響，如圖7所示。

圖7 支線泄漏時傳感器應(yīng)變變化Fig.7 The reflection of FBG strain sensors to branch pipeline leak

在支線泄漏發(fā)生之前，Z3與L4傳感器應(yīng)變處于穩(wěn)定狀態(tài)，泄漏發(fā)生后，Z3與L1應(yīng)變均減小，這說明泄漏形成的負(fù)壓波不僅在支線傳播，而且會從支線傳播到主線上，并且沿主線管道向上下游傳播。可見泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波對整個管網(wǎng)都會產(chǎn)生影響，因此對于管網(wǎng)系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測，這種方法也是可行的。

位于支線的Z3傳感器所測得的應(yīng)變信號出現(xiàn)了較大的應(yīng)變波動，而位于支線較遠(yuǎn)的L1傳感器這種波動比Z3小，這是因為L1由于距離閥門較遠(yuǎn)，擾動能量在沿管道傳播過程中不斷衰減。Z3傳感器在開啟和關(guān)閉泄漏點時，出現(xiàn)脈沖，這是由于手動打開泄漏閥門對管道有擾動，擾動引起管道變形。

3.3 調(diào)泵時的管道變形監(jiān)測

管道運(yùn)營中，會通過泵站調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁块y門來滿足不同時段用戶需求量不同的問題。本次試驗?zāi)M泵站調(diào)泵的情況。管道內(nèi)初始壓力為470 kPa，通過調(diào)節(jié)管道上游電動閥的開度模擬泵站調(diào)泵工況，閥門開始關(guān)閉，然后打開50%，穩(wěn)定10 s，繼續(xù)打開到90%。

當(dāng)閥門從關(guān)閉到50%打開時，L1的應(yīng)變迅速減小，而L4傳感器的應(yīng)變則迅速增大，如圖8所示。這是因為L1傳感器位于閥門的上游，L4傳感器位于閥門下游，閥門打開后閥門上游積聚的氣體迅速流向下游，導(dǎo)致閥門上游的管道內(nèi)部壓強(qiáng)相對減小，閥門下游的管道內(nèi)部壓強(qiáng)相對增大，這會使管道環(huán)向應(yīng)變發(fā)生相應(yīng)的變化，可見光纖光柵應(yīng)變傳感器可以通過管道環(huán)向應(yīng)變的變化準(zhǔn)確的測量到管道內(nèi)部的壓力變化情況。調(diào)泵和泄漏同樣能引起管道內(nèi)壓的瞬間變化，但是通過對比圖 8與圖 5可以看出，調(diào)泵能夠引起泵站上下游的管道環(huán)向應(yīng)變呈趨勢相反的變化，而泄漏只能引起的管道應(yīng)變減小，只要在泵站上下游分別安裝傳感器，就可以通過傳感器應(yīng)變變化情況辨別是調(diào)泵還是泄漏。

圖8 調(diào)泵時傳感器應(yīng)變變化Fig.8 The reflection of FBG strain sensors to situation of regulating pump

4 結(jié) 論

1) 這種基于測量管道環(huán)向應(yīng)變的方法能夠即時監(jiān)測到泄漏產(chǎn)生的負(fù)壓波信號，實現(xiàn)對管道安全運(yùn)營狀況進(jìn)行實時有效地監(jiān)測。

2) 試驗中使用的光纖光柵傳感器穩(wěn)定性好，具有抗電磁干擾和可重復(fù)利用的優(yōu)勢。

3) 泄漏會產(chǎn)生負(fù)壓波，負(fù)壓波沿管道上下游兩個方向傳播，并且支線泄漏也對主管線環(huán)向應(yīng)變產(chǎn)生了影響。因此，使用準(zhǔn)分布式布置的光纖光柵應(yīng)變傳感器能夠用對燃?xì)夤艿乐Ь€泄漏以及管網(wǎng)泄漏進(jìn)行監(jiān)測。

4) 調(diào)泵與泄漏所產(chǎn)生的管道應(yīng)變變化趨勢不同，因此可以通過多點布置，同時觀測多位置傳感器應(yīng)變變化情況辨別是調(diào)泵還是泄漏。

5) 利用光纖光柵應(yīng)變傳感器對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行監(jiān)測是一項極有潛力的監(jiān)測方法，其穩(wěn)定性、良好的信號傳輸能力保證了其可以應(yīng)用于實際工程中。目前后續(xù)試驗正在開展中，將深入研究精確定位泄漏點位置等問題。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.002

*國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體基金資助項目(51121005)；國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51108059)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“九七三”計劃)資助項目(2011CB013605)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B08014)

2013-07-26；

2013-10-14

TE832; TP212.9

任亮，男，1979年7月生，博士、副教授。主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、光纖光柵傳感器的研制與應(yīng)用以及健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。曾發(fā)表《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測-光柵傳感技術(shù)》(北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008)等論著。

E-mail: renlaing@dlut.edu.cn