基于光纤应变传感技术的管道健康监测

发布时间：2020-08-22 15:12

【摘要】：管道是石油以及天然气的主要输送途径,但是由于管道通常埋于地下并且需要穿越地质条件恶劣的地区,在自然因素和人为因素作用下,管道事故常有发生,而油气管道一旦发生事故,将会导致严重的后果。所以实时监测管道的运营状况,对潜在的事故进行预警,对于确保管道的安全具有重大意义。因此本文利用光纤传感技术研究如何对管道进行健康监测,主要进行了以下工作:第一章首先介绍了管道运输业的发展现状,根据发生的管道事故总结了影响管道安全的主要因素分别是腐蚀、泄漏以及较大变形。阐述了国内外专家学者针对存在的问题所提出的管道安全检测和监测方法,总结了现有方法的优势和不足之处,尤其是对于应用光纤传感技术的管道安全监测方法进行了详细的介绍与分析。基于现有方法的不足之处,本文提出基于光频域反射技术和光纤光栅传感技术的管道健康监测的方法。第二章提出通过管道环向应变场测量管道内腐蚀的方法。利用弹性力学原理推导了管道环向应变与壁厚的关系,并应用Abaqus有限元分析软件分析了管道发生均匀腐蚀和局部腐蚀情况下管道的环向应变场分布特性。基于腐蚀后的环向应变场分布特性以及光频域反射技术,本文提出了一种用于监测管道内部腐蚀的应变场传感网,利用应变场传感网获得的应变分布重构应变场,通过重构的应变场可以对腐蚀进行精确、直观的定位,同时结合管道安全性评价准则,提出了利用应变场进行管道安全性评价的方法。第三章对本文提出的管道腐蚀监测方法进行试验验证。利用管道内部不同缺陷角度以及缺陷深度模拟不同类型的管道腐蚀,通过光频域反射技术测量管道截面上的环向应变分布,结果表明通过光频域反射技术能够有效测量单个管道截面上的内腐蚀信息。为了验证应变场传感网能否有效地监测一定范围内的管道腐蚀过程,开展了管道腐蚀过程监测试验,试验证明通过应变场传感网能够有效地定位和评估管道局部腐蚀。第四章对管道泄漏定位问题进行了研究,提出了一种基于光纤光栅传感器阵列的管道泄漏定位方法以及一种基于阈值检测的线性拟合法计算负压波拐点发生时间。基于环向应变与管道内压的关系,提出通过环向应变监测管道的泄漏。结合光纤光栅传感技术的优点,提出基于光纤光栅传感器阵列的管道泄漏定位方法,这种方法不需要已知负压波波速就能进行泄漏定位。为了计算负压波拐点的发生时间,通过试验研究了负压波导致的环向应变变化特点,在此基础上提出了一种基于阈值检测的线性拟合法。为了验证本文的方法是否有效,进行了真实管道泄漏试验,试验证明基于阈值检测的线性拟合法可以准确地计算负压波拐点发生时间,基于光纤光栅传感器阵列的泄漏定位方法能够有效地对管道泄漏进行监测和定位。第五章研究了寒冷地区的管道变形监测方法。针对多年冻土以及季节性冻土地区的管道会产生较大变形从而影响管道安全的问题,本章提出应用光频域反射技术测量冻土中的管道轴向应变,应用连续的轴向应变计算管道的连续曲率,基于切角递推算法实现管道变形的重构。为了检验本文提出的方法是否适用于极寒天气下的管道变形监测,本文开展了模拟试验,试验中利用饱和粉质砂土产生的冻胀力使管道产生一定的变形,基于光频域反射技术测量管道轴向的应变分布,利用应变分布重构管道的形状,结果表明本文的方法能够有效测量管道的应变分布,通过应变分布可以获得管道的应力状态并重构管道的形状,可以对冻土地区的管道变形进行有效监测。第六章为本文的总结以及对未来研究工作的展望。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE973.6
【图文】：

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管道埋于地下，需要穿越沼泽、冻土、滑坡、泥石流等自然环境恶劣的地区，并逡逑且随着管龄的增长，管道内外的腐蚀作用，极易发生管道事故，而一旦发生管道事故，逡逑不仅产生资源浪费，环境污染，更会导致人的生命财产损失［９］。图１．１为２０００年８月１９逡逑日美国新墨西哥州天然气管道爆炸后的现场，该事故造成１２人死亡。通过现场观察发逡逑现，管道底部存在严重的内腐蚀，最大深度达管道原壁厚的７２％，内腐蚀引起的管壁严逡逑重减薄，是造成这次管道事故的直接原因。该内腐蚀是微生物、氯化物、氧气、二氧化逡逑碳、硫化氧等腐蚀性物质综合作用的结果。２００６年３月２日，美国阿拉斯加ＰｒｕｄｈｏｅＢａｙ逡逑油田原油管道由腐蚀造成泄漏事故，发现时管道己经泄漏５天以上，泄漏原油覆盖面积逡逑约一个足球场，污染了此处的冻土和湖泊。逡逑图１．１新墨西哥州天然气管道泄漏爆炸事故［ｉ＜）］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｎｅｗ邋Ｍｅｘｉｃｏ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ｌｅａｋａｇｅ邋ａｎｄ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ１１０１逡逑图１．２为青岛东黄输油管道泄漏爆炸事故现场，２０１３年１１月２２日，位于山东省青逡逑岛市的中国石油化工股份有限公司管道储运分公司东黄输油管道泄漏原油进入市政排逡逑水暗渠

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导致管道破裂，原油泄漏流入排水暗渠，现场处置人员采用液压破碎锤在暗渠盖板打孔逡逑破碎，产生撞击火花，进而引发暗渠内油气爆炸。逡逑■逡逑图１．２青岛东黄输油管道泄漏爆炸事故［１１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｑｉｎｇｄａｏ邋Ｄｏｎｇｈｕａｎｇ邋ｏｉｌ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ｌｅａｋａｇｅ邋ａｎｄ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ＂】］逡逑２０１７年７月２日，中石油天然气输气管道晴隆沙子段，因持续强降雨引发边坡下陷逡逑侧滑，滑坡土体使管道发生较大变形，最终断裂引发泄漏并发生燃爆，图１．３为爆炸后逡逑的现场。事故造成８人死亡、３５人受伤（其中危重４人、重伤８人、轻伤２３人）。逡逑＞：；逡逑ｍＫｉ逡逑图１．３晴隆沙子段天然气管道爆炸事故［１２１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｑｉｎｇｌｏｎｇｓｈａｚｉ邋ｇａｓ邋ｐｉｐｅｌｉｎｅ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ邋ａｃｃｉｄｅｎｔ＾１２１逡逑２０１４年７月１日，大连市一施工单位损坏管道，致使原油溢出流入市政污水管网并逡逑导致明火爆炸。２００３年１２月１９日凌晨，兰成渝输油管道由于犯罪分子打孔盗油发生泄逡逑－４－逡逑

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【参考文献】