基于光纤光栅应变箍的管道健康监测

发布时间：2017-05-31 23:02

  本文关键词：基于光纤光栅应变箍的管道健康监测，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：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。本文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,为了满足监测需求,开发了一种用于测量管道环向平均应变的光纤光栅应变箍传感器。围绕上述监测理论及传感技术,本文主要进行了以下几方面的研究工作：(1)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。本文提出了一种利用环向应变评价管道均匀腐蚀及局部腐蚀,以及进行管道泄漏监测和定位的方法。探讨了环向平均应变相比于单点测量对于管道腐蚀评价的优势,利用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。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。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。(2)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。本文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,分析了其在管道健康监测中的有效性和实用性。设计中还包括一种预拉伸夹持装置,可使传感器与管道结构保持一致变形。(3)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。(4)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。本文还分析了不同的管道运营参数,对于环向应变可检半径的影响。
【关键词】：光纤光栅应变箍 管道腐蚀监测 管道泄漏监测 BP神经网络 环向应变可检半径
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE973.6
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• TABLE OF CONTENTS12-15
• 图目录15-17
• 表目录17-18
• 主要符号表18-19
• 1 绪论19-38
• 1.1 管道运输发展状况及安全问题19-22
• 1.1.1 管道运输的发展状况19-20
• 1.1.2 管道运输的安全问题20-22
• 1.2 国内外现有管道检测及监测方法综述22-35
• 1.2.1 管道腐蚀检测方法22-25
• 1.2.2 管道泄漏检测方法25-31
• 1.2.3 管道健康监测技术的研究现状31-35
• 1.3 本文的研究意义及主要研究内容35-38
• 2 基于环向应变的管道腐蚀及泄漏监测理论研究38-59
• 2.1 基本原理38-40
• 2.2 基于环向平均应变的管道腐蚀评价40-51
• 2.2.1 基于环向平均应变的管道均匀腐蚀评价41-45
• 2.2.2 管道环向平均应变对于局部腐蚀的敏感性分析45-51
• 2.3 基于环向应变的管道泄漏监测及定位51-57
• 2.3.1 负压波法基本原理51-54
• 2.3.2 基于环向应变的负压波时间差法54-55
• 2.3.3 基于环向应变的负压波能量衰减法55-57
• 2.4 本章小结57-59
• 3 光纤光栅应变箍传感器的开发及试验研究59-79
• 3.1 光纤光栅传感器的开发及应用59-67
• 3.1.1 光纤光栅传感原理59-61
• 3.1.2 光纤光栅传感器的开发61-65
• 3.1.3 光纤光栅传感器在模型试验中的应用65-67
• 3.2 光纤光栅应变箍传感器的开发67-72
• 3.2.1 光纤光栅应变箍传感器设计原理68-70
• 3.2.2 光纤光栅应变箍传感器的预拉伸装置70-72
• 3.3 光纤光栅应变箍传感器的性能测试72-78
• 3.3.1 PVC管道模型介绍72-74
• 3.3.2 灵敏度系数对比测试74-75
• 3.3.3 稳定性测试75-76
• 3.3.4 动态响应测试76-78
• 3.4 本章小结78-79
• 4 管道腐蚀及泄漏模拟试验研究79-103
• 4.1 钢管道腐蚀模拟试验研究79-86
• 4.1.1 钢管道模型介绍79-82
• 4.1.2 管道均匀腐蚀结果分析82
• 4.1.3 管道局部腐蚀结果分析82-86
• 4.2 PVC管道泄漏模拟试验研究86-97
• 4.2.1 PVC管道模型介绍87-89
• 4.2.2 预备试验结果分析89-93
• 4.2.3 多泄漏点长管道试验结果分析93-97
• 4.3 管道泄漏实时监测系统及信号处理97-101
• 4.3.1 基于LabVIEW的管道泄漏监测系统98-99
• 4.3.2 基于小波分析的泄漏信号处理99-101
• 4.4 本章小结101-103
• 5 基于稳态环向应变分布的管道泄漏定位103-122
• 5.1 管道泄漏过程的数值计算研究103-111
• 5.1.1 管道泄漏瞬变模型103-106
• 5.1.2 管道泄漏方程的特征线法求解106-109
• 5.1.3 泄漏后的环向应变分布109-111
• 5.2 基于BP神经网络的管道泄漏定位111-121
• 5.2.1 BP人工神经网络112-114
• 5.2.2 基于BP神经网络的管道泄漏定位114-118
• 5.2.3 基于BP神经网络的环向应变信号识别118-121
• 5.3 本章小结121-122
• 6 环向应变测点布设间距的研究122-137
• 6.1 负压波衰减规律研究122-128
• 6.1.1 管道的数学模型122
• 6.1.2 泄漏点处的压降计算122-124
• 6.1.3 负压波的能量衰减124-128
• 6.2 环向应变测点布设间距的研究128-135
• 6.2.1 环向应变可检覆盖范围128-131
• 6.2.2 环向应变测点间距的计算131-135
• 6.3 本章小结135-137
• 7 结论与展望137-141
• 7.1 结论137-139
• 7.2 创新点摘要139
• 7.3 展望139-141
• 参考文献141-148
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果148-150
• 致谢150-151
• 作者简介151-152

  本文关键词：基于光纤光栅应变箍的管道健康监测，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：410871