基于分布式光纤监测的管道结构状态识别方法研究

发布时间：2020-06-20 01:44

【摘要】：随着经济的快速增长与人民的生产生活需求日益增多,管道结构被广泛应用于液态、气态物资的长距离运输工程,在我国基础建设以及经济发展中发挥了重要作用。然而,管道在施工及服役阶段承受的建筑荷载、超载车辆、海底涡流、地震、撞击等复杂荷载将严重影响管道的使用寿命,引起管道失效。管道的突然失效将严重危害人民的生命财产安全,因此,需要建立有效的管道结构状态识别方法揭示管道在复杂荷载情况下的实时结构响应。以管道的实时结构响应为依据,实现管道失效形式的有效识别,并以此为依据评价管道结构状态,实现管道失效预警及剩余承载力的评估,便于管道运行维护与灾害预防工作的开展。本文采用有限元模型与模型试验相结合的验证方法,基于分布式传感监测技术系统研究管道变形及局部裂纹失效情况下管道的结构响应,提出一种管道结构状态识别方法。具体研究工作如下:绪论部分首先阐述了管道结构分布式监测和结构状态识别的研究意义,着重介绍了管道变形及局部裂纹的产生原因及其引起的管道失效形式。回顾并总结了近几十年来管道结构检测技术的国内外研究情况,详细介绍了管道结构状态监测与识别方法的使用条件和优缺点。根据国内外基于分布式光纤传感技术的管道结构状态监测研究,针对管道变形及局部裂纹失效问题给出了本文的主要研究内容和研究思路。在管道的运行阶段,管道内部温度及压力变化将引起管道整体屈曲失效,造成石油、天然气等运输物资的泄露。因此,第二章基于连续式管道整体屈曲机理,提出了管道整体屈曲失效模式的监测识别方法,用于定量识别管道整体屈曲的产生及发展过程。基于分布式光纤监测方法提取管道弯曲应变,识别屈曲形状并建立管道屈曲变形重构算法,实现管道前、后屈曲行为的定量识别。采用数值模型和模拟试验验证提出的管道整体屈曲失效形式的监测识别方法的可行性。管道位移的重构曲线与数值模拟结果及试验监测结果的对比表明:提出的方法可定量识别管道整体屈曲的产生及发展过程。在管道的铺设及运行过程中,地面超载及土体沉降等情况导致分段式管道产生管口拉脱及过大转角等失效问题,对国家经济建设及人民的生产生活造成严重影响。由于分段式管道的结构特殊性,无法采用提出的连续型管道整体屈曲的监测方法进行分布式监测识别。因此第三章针对分段式管道弯曲变形引起的管口结构响应,提出了一种分段式管道弯曲失效结构状态监测识别方法。通过分段式管道结构状态的参数敏感性分析确认修正项,采用管道弯曲应变监测值作为响应目标函数,结合有限元参数识别方法反演管口结构状态,进而在无需监测管口变形的情况下实现管身与管口结构状态的定量识别。在管道整体屈曲失效监测方法基础上,建立了分段式管道在位状态的分布式应变监测方法。通过全尺寸管道加载试验验证该方法监测上部荷载或地基沉降作用下分段式管道结构响应的可行性。由于荷载、老化和疲劳等因素,管道易出现局部微小裂纹。在交变应变及时间的影响下微小裂纹扩展将造成管道断裂失效。管道的局部裂纹通常表现为局部应变异常及结构的非线性振动特性,第四章基于该特点提出了一种基于分布式光纤传感系统的管道局部裂纹识别方法。针对静态管道裂纹定位识别问题,首先通过应变异常位置识别管道的局部裂纹,随后结合应变传递原理实现静态下管道裂纹的定量分析。针对动态管道裂纹定位识别问题,结合“呼吸”裂纹的弱非线性振动特性定位动态管道的微小裂纹,并根据谐波分量的变化定量识别裂纹的开展过程,实现动态下管道裂纹位置及程度的识别,为实际工程中管道的局部裂纹监测问题的研究奠定基础。最后,对本文的研究工作进行总结和归纳,并对今后的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE973
【图文】：

管道,人员伤亡,环境污染,事故

重大经济损失。因此，需要深入研究管道的失效行为，便于提出针对性的管道结构健逡逑康监测系统实现管道结构失效预警。管道的主要失效行为可概括为整体弯曲变形与局逡逑部裂纹泄露。对于连续性管道，管道弯曲变形将引起管道整体屈曲失效（图１．２（ａ））。逡逑在运输管道的运行期间管道内部温度及压力远高于管道外部环境最终导致管道承受轴逡逑向压力。当轴压超过临界荷载时，管道将会突然发生弯曲变形形成整体屈曲形态。随逡逑着管道整体屈曲变形的发展终将引起管道断裂失效。对于分段式管道结构，管道的弯逡逑曲变形将会诱发管身及接口失效问题（图１．２（ｂ））。在管道的服役过程中，交通超载、逡逑新建建筑及地下结构施工均会引起管道地基的不均匀沉降，地基土体刚度的变化会直逡逑接转化成管道的弯曲变形。当管道最大挠度变形发生在管道接口位置时，接口两端会逡逑－２－逡逑

形式,管道,对管,裂纹失效

管身变形过大可能会出现连续管道的屈曲变形，也可能会出现由于管身变形引逡逑起的相邻接口处的错位破坏。在管道的实际运行阶段，腐蚀、疲劳、老化及各种突发逡逑冲击荷载等不利因素的相互影响下产生局部裂纹失效（图１．２（ｃ）），若不能及时发现裂逡逑纹的产生并对管道进行有效维护，微小的裂纹将在交变应力和时间效应的作用下进一逡逑步累加并扩展，直至管道发生泄露，严重时运输管道会突然发生爆裂。逡逑（ａ）管道整体屈曲破坏逦（ｂ）管道承插口破坏逡逑（Ｃ）管道局部裂纹破坏逡逑图１．２三种主要的管道失效形式逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｔｈｒｅｅ邋ｍａｊｏｒ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ｄａｍａｇｅ逡逑因此，为保证管道的安全运行，需掌握复杂荷载下管道的结构状态。结合管道失逡逑效机理，采用新型监测技术对管道进行定期监测，实现管道的结构可靠性评估。先进逡逑科学的管道健康监测系统可以帮助人们及早发现并准确掌握管道的变形、微裂纹等情逡逑况，对早期管道结构的异常应变响应进行预警，从而修复管道破损位置，保护人民财逡逑产和生命安全，避免造成重大经济损失，具有重要的现实意义和应用价值。逡逑－３－逡逑

【参考文献】