基于光纖傳感油氣管道安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究

陳雅楠　曹宏遠(yuǎn)等

摘 要：管道腐蝕缺陷一直是困擾著安全生產(chǎn)重要隱患，因此有必要對(duì)管線進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。該研究以實(shí)現(xiàn)智能化評(píng)估管線安全狀態(tài)為目的，利用分布式光纖光柵，對(duì)由于管道內(nèi)部腐蝕缺陷引起的表面應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。并結(jié)合管壁應(yīng)力場(chǎng)分布特性，建立起了一套實(shí)時(shí)在線的含缺陷管道光纖光柵監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，結(jié)合開發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件可有效地評(píng)價(jià)含缺陷管道的實(shí)時(shí)的受力狀態(tài)和安全運(yùn)行狀況。

關(guān)鍵詞：管道缺陷 光纖光柵 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 安全評(píng)估 監(jiān)測(cè)軟件

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（a）-00-02

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中常常要對(duì)管線進(jìn)行全線普查并綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段進(jìn)行完整性評(píng)估，需要耗費(fèi)大量的人力、物力及時(shí)間成本。限于技術(shù)原因及腐蝕、環(huán)境因素，管線失效導(dǎo)致的安全責(zé)任事故往往由于不能實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)測(cè)引發(fā)的。而目前的沿線日常巡檢方式過于粗獷，無法對(duì)問題管段的情況精確監(jiān)測(cè)，也不可能以人力長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

針對(duì)傳統(tǒng)方法中的缺點(diǎn)，本研究建立一種保障油氣運(yùn)輸管道安全，且符合實(shí)際生產(chǎn)需要的新型監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，通過對(duì)管道表面微應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理和安全評(píng)估，及時(shí)對(duì)管道的使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而降低管道事故發(fā)生率，便于有計(jì)劃的對(duì)管道進(jìn)行維修和更換管理，使其成為油氣管道安全運(yùn)行的重要保障。

此方法具有對(duì)目的管道實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，軟件界面操作簡(jiǎn)單，除定期維護(hù)外無需人工作業(yè)，軟件對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果直接進(jìn)行評(píng)價(jià)，將監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)有效的結(jié)合在一起。尤其在一些易產(chǎn)生問題又不方便經(jīng)常進(jìn)行人工檢測(cè)的管線重點(diǎn)部位，有著顯著的優(yōu)越性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的不足，從而能夠節(jié)省大量人力、物力和時(shí)間，取得更高經(jīng)濟(jì)效益。

1 光纖光柵監(jiān)測(cè)適用性研究

本研究中采用光纖光柵作為本安型傳感器。光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。它可以直接貼裝在被監(jiān)測(cè)管線的表面，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不斷對(duì)管線表面應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果可直接評(píng)價(jià)，得到管道的當(dāng)前受力狀況和剩余強(qiáng)度。

1.1 傳感器的布設(shè)研究

根據(jù)缺陷部位管壁受影響的應(yīng)力場(chǎng)范圍，可以確定內(nèi)部缺陷對(duì)管壁應(yīng)力應(yīng)變影響范圍，約是管道壁厚的6倍；應(yīng)變極值位置出現(xiàn)在缺陷中心附近；應(yīng)變以周向應(yīng)變?yōu)橹?。[1-2]

1.2 傳感器的溫度補(bǔ)償

2 管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)管道腐蝕失效的影響，一套適用于油氣管道的新型實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。具有獨(dú)立、自動(dòng)化的特點(diǎn)。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光纖光柵管道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件是采用了分布式光纖光柵傳感技術(shù)研制而成的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于其與光纖光柵陣列與波分、空分和時(shí)分復(fù)用技術(shù)緊密結(jié)合，使得該類系統(tǒng)測(cè)量的傳感點(diǎn)數(shù)大大增加，它是一種光纖光柵傳感復(fù)用解調(diào)裝置，適用于由多只光纖布拉格光柵組成的傳感陣列的復(fù)用信號(hào)解調(diào)系統(tǒng)，具有較高的調(diào)諧精度和測(cè)量精度。工作系統(tǒng)如圖5所示。

硬件除去作為感知元件的光纖光柵傳感器，全部設(shè)計(jì)集成在工控機(jī)當(dāng)中，工控機(jī)如圖6所示。該部分根據(jù)石油及天然氣管線運(yùn)行所需遵守的行業(yè)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由寬帶光源、光纖光柵調(diào)諧裝置、光電轉(zhuǎn)換、控制電路、等幾部分組成。其作用是給傳感器提供光源，傳感器感知管道應(yīng)變影響將光波衍射為不同波長(zhǎng)，經(jīng)過內(nèi)部的解調(diào)儀等裝置，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

本傳感系統(tǒng)的光纖光柵可以分為8路。每一路可串接的光纖光柵個(gè)數(shù)由系統(tǒng)掃描波長(zhǎng)范圍和每一個(gè)光纖光柵的工作范圍決定。當(dāng)取每一個(gè)光纖光柵的工作波長(zhǎng)范圍為2 nm時(shí)，系統(tǒng)最大可測(cè)量的點(diǎn)數(shù)為：16 nm/2 nm×8路=64個(gè)（最大可測(cè)點(diǎn)數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要增加分路）。工控機(jī)除了提供光源，控制采集掃描頻率及信號(hào)解調(diào)轉(zhuǎn)換，還兼有計(jì)算機(jī)主機(jī)功能，可以及時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析或?qū)С觥?/p>

3 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 通訊模塊

通訊模塊主要功能是完成計(jì)算機(jī)與微處理器之間的通訊功能。在本系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與微處理器之間是通過串行接口進(jìn)行通訊的。系統(tǒng)軟件可以控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，包括前進(jìn)、后退、歸零等。還可以控制光開關(guān)，切換不同的通道。同時(shí)，計(jì)算機(jī)還通過串行口接收來自微處理器的光電轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)分析模塊

該模塊對(duì)于由微處理器傳送過來的不同波長(zhǎng)處的光功率信號(hào)（電壓）進(jìn)行分析，得出對(duì)應(yīng)傳感光柵的中心波長(zhǎng)，計(jì)算其波長(zhǎng)漂移，進(jìn)而得出對(duì)應(yīng)溫度或應(yīng)變的漂移。其中，最關(guān)鍵的是中心波長(zhǎng)的獲取。

3.3 軟件功能模塊

此模塊提供用戶可視化軟件界面，它通過數(shù)據(jù)分析模塊可以獲得核心數(shù)據(jù)信息，即傳感器測(cè)量的應(yīng)變值，用戶通過界面可以得到所有在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，為是觀測(cè)人員直觀的監(jiān)測(cè)管線狀態(tài)，系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)了多種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控件，控件的運(yùn)用使軟件不僅僅能顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還能反應(yīng)管線應(yīng)力的變化趨勢(shì)，滿足用戶的最終需求。圖7為監(jiān)測(cè)軟件的部分界面。

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了一種智能實(shí)時(shí)在線管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。提出了適用于管道體積型缺陷光纖光柵監(jiān)測(cè)方案。本課題創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）研究了光纖光柵適用于含體積型缺陷管道安全監(jiān)測(cè)的方案，排除環(huán)境溫度的干擾因素是監(jiān)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（2）集成光源、光開關(guān)、解調(diào)設(shè)備等硬件于一體，連同主機(jī)合成一臺(tái)工控機(jī)，方便移動(dòng)存放。

（3）開發(fā)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，方便進(jìn)行人機(jī)交互，可以通過不同功能界面實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)者需求，并且系統(tǒng)軟件可以直接作出管道安全性評(píng)估，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)過程復(fù)雜、耗費(fèi)過多的缺點(diǎn)，節(jié)省大量人力物力。

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