基于光纤光栅应变箍传感器的管道腐蚀和泄漏监测研究

研究腐蚀缺陷对埋地管道安全输送的影响和管道泄漏监测和定位已成为埋地管道安全运行所关注的课题之一。本项目首次提出采用光纤光栅应变箍传感器沿管道环向安装在管道外壁，可以监测到由管道内部压力导致的管道外壁环向变形情况。通过长期监测环向应变变化情况可以得到埋地管道的壁厚变化状况和管道内部的压力变化情况，从而获得埋地管道的内外腐蚀程度和管道泄漏信息。本项目将研究光纤光栅应变箍传感器的增敏技术和长期可靠性问题、详细分析管道内部压力、腐蚀程度和环向应变三者的耦合关系、建立埋地管道腐蚀发展和剩余强度的力学模型、研究光纤光栅应变箍传感器所测得压力信号的降噪问题和管道泄露位置定位算法问题。本项目的完成对于提高管道安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的推动作用。

近年来，管道事故频发，因此管道健康监测技术对于及时了解管道安全运营状态，确保国民经济和人民生命财产安全具有重要意义。随着新型材料、新型传感器的不断发展，各种管道检测及监测技术应运而生。本课题提出一种利用环向应变进行管道腐蚀监测以及管道泄漏定位的方法，同时，为了测量管道环向平均应变，开发了一种光纤光栅应变箍传感器。围绕上述监测理论及传感技术，主要进行了以下几方面的研究工作：.管道腐蚀引起的壁厚减小和管道泄漏引起的压力突降均会使管道环向应变发生变化。通过有限元软件分析了管道环向平均应变对于局部腐蚀的敏感性，表明环向平均应变测量相比于单点测量对于管道腐蚀评价更有优势。本文通过钢管道模型和PVC管道模型分别进行了腐蚀和泄漏模拟试验，验证了文中提出方法的有效性。而基于环向应变的管道泄漏监测方法中，包括用于常规泄漏量的负压波时间差定位法，以及用于泄漏量较小情况的负压波能量衰减定位法。.为满足管道环向应变监测要求，开发了一种光纤光栅应变箍传感器，可用于监测管道的环向平均应变进而评价管道腐蚀程度，且具有监测泄漏过程所引起的环向应变动态变化的能力。对自行研制封装的光纤光栅应变箍传感器进行了灵敏度、稳定性等方面的测试，测试结果表明这种传感器性能良好，适合用于管道的安全测量。设计中还包括一种应变箍传感器夹持系统，通过这种系统安装固定应变箍传感器，可使其与管道结构保持一致变形，提高测量灵敏度。.利用特征线法，分析了管道泄漏后达到稳定状态时，管道沿线的环向应变分布。结合BP神经网络，提出了一种基于管道沿线稳态环向应变分布的管道泄漏定位方法。分析比较了不同环向应变测点数量、隐含层节点数量时，该定位方法对于管道泄漏位置判断的准确率，获得了最优化的神经网络预测结构。同时，还通过叠加干扰信号证明了该方法对噪声干扰具有较好的抑制能力。.由于环向应变测点布置灵活，通过布设一定数量的环向应变测点，可使管道的目标检测泄漏量的限值大幅降低。本文利用数学模型分析了管道泄漏发生后的负压波能量衰减规律，并提出基于环向应变的管道泄漏定位方法中，使用环向应变可检半径来确定环向应变测点间距的方法，以满足对于不同目标检测泄漏量的要求。