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    基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)

    2015-02-13 03:41:30任亮崔曉蕾姜濤賈子光夏夢(mèng)影程祥
    石油工程建設(shè) 2015年3期
    關(guān)鍵詞:環(huán)向光柵鋼管

    任亮,崔曉蕾,姜濤,賈子光,夏夢(mèng)影,程祥

    大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部,遼寧大連116024

    基于光纖光柵應(yīng)變傳感器的油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)

    任亮,崔曉蕾,姜濤,賈子光,夏夢(mèng)影,程祥

    大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部,遼寧大連116024

    基于光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)良特性,提出了一種通過(guò)應(yīng)用光纖光柵傳感器測(cè)量管道環(huán)向應(yīng)變來(lái)探測(cè)管道腐蝕的新方法,該方法采用了一種新型的FBG應(yīng)變傳感器,與傳統(tǒng)的FBG傳感器相比具有測(cè)量整個(gè)環(huán)向應(yīng)變、延長(zhǎng)傳感器使用壽命、與管道外壁貼合緊密、無(wú)需破壞管道、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。介紹了基于新型FBG應(yīng)變傳感器的監(jiān)測(cè)管道腐蝕的原理,將FBG應(yīng)變傳感器分別安裝在PVC管道和鋼管道上進(jìn)行了驗(yàn)證性的試驗(yàn),并用SAP2000進(jìn)行模型的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明FBG應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到管道環(huán)向應(yīng)變的變化,對(duì)由于不同腐蝕程度引起的環(huán)向應(yīng)變非常敏感,F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器在管道腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

    油氣管道;FBG應(yīng)變傳感器;腐蝕監(jiān)測(cè);環(huán)向應(yīng)變;有限元分析

    0 引言

    隨著石油天然氣工業(yè)的發(fā)展和油氣長(zhǎng)輸管道網(wǎng)的日趨完善,管道泄漏已經(jīng)成為危害管道正常運(yùn)營(yíng)的首要問(wèn)題[1]。長(zhǎng)輸管道泄漏事故大多是由管道受到復(fù)雜、不可控制的外界因素造成的嚴(yán)重腐蝕引發(fā)的[2]??刂坪捅O(jiān)測(cè)腐蝕的發(fā)生、發(fā)展是防止管道破裂和泄漏的最有效手段之一,專家和學(xué)者們致力于尋找一種能夠探測(cè)腐蝕發(fā)生并且判斷管道腐蝕程度的監(jiān)測(cè)方法,為結(jié)構(gòu)的可靠度分析和剩余壽命預(yù)測(cè)提供可靠的數(shù)據(jù),以便制訂切實(shí)可行的措施,確保管道的安全運(yùn)行和減少經(jīng)濟(jì)損失。

    管道的腐蝕分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕兩種,分別發(fā)生在管道的內(nèi)表面和外表面[3]。外壁腐蝕的監(jiān)測(cè)方法大多是基于對(duì)管道外壁的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的,這種方法操作簡(jiǎn)單成本較低,但是容易造成誤判,因?yàn)橛械母g發(fā)生在管道內(nèi)部,沒(méi)有造成外部保護(hù)系統(tǒng)的損傷[4]。管道內(nèi)壁的腐蝕可以分為兩類(lèi):一種是由CO2、H2S和石油中夾帶的腐蝕性雜質(zhì)引起的管道內(nèi)壁的化學(xué)腐蝕;另一種是由高速流動(dòng)的石油和天然氣夾帶著砂石對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生的沖刷腐蝕。實(shí)際工程中,在大多數(shù)情況下這兩種腐蝕同時(shí)發(fā)生[5]。管道內(nèi)壁腐蝕的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有漏磁通法和超聲波法[6]。20世紀(jì)80年代提出了漏磁通法,90年代超聲波這一概念也被引入了管道監(jiān)測(cè)[7]。目前,雖然無(wú)纜監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟并且得到廣泛的應(yīng)用,但這種技術(shù)不適合應(yīng)用于監(jiān)測(cè)重油輸送管道[8]。因此一種不受輸送物質(zhì)影響的安全可靠的管道腐蝕監(jiān)測(cè)方法亟待提出。

    近年來(lái)光纖光柵作為一種新型的智能材料被廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域。光纖光柵具有精巧輕柔、抗電磁干擾能力強(qiáng)、多參數(shù)測(cè)量(應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)速等)、無(wú)火花、耐酸堿腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),因此光纖光柵材料能夠在復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)期工作,適合應(yīng)用于輸油氣管道的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9-10]。這種新型的智能材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于管道無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)之中。

    根據(jù)王貴利[11]的研究發(fā)現(xiàn),腐蝕的直觀現(xiàn)象就是管道壁厚變薄,并且在某種程度上環(huán)向應(yīng)變的變化可以直接反映管道壁厚的變化。基于這一理論,本文提出了一種用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)腐蝕的新方法,即通過(guò)FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量管道的環(huán)形應(yīng)變來(lái)判斷管道的腐蝕程度。

    1 理論模型和參數(shù)分析

    1.1 基于環(huán)向應(yīng)變的腐蝕評(píng)估

    假設(shè)管道的內(nèi)壁表面發(fā)生了均勻的化學(xué)和沖刷腐蝕,則在工作壓力下管道均勻地發(fā)生變形。反映環(huán)向應(yīng)變和管道壁厚關(guān)系的基本公式為:

    式中ε——管道的環(huán)向應(yīng)變;

    P——管道內(nèi)部壓力;

    R——管道半徑;

    E——管材彈性模量;

    δ——管道壁厚。

    因?yàn)閷?shí)際工程中油氣管道的輸送壓力通常穩(wěn)定在一個(gè)常量上,管半徑在設(shè)計(jì)油氣管道網(wǎng)時(shí)也已經(jīng)確定,因此環(huán)向應(yīng)變只與管道壁厚成反比,這樣,只要測(cè)量環(huán)向應(yīng)變可以直接反映出管道壁厚的變化?;谶@一理論,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)管道環(huán)向應(yīng)變的變化來(lái)推斷管道發(fā)生均勻腐蝕的程度。

    1.2 FBG應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)和理論基礎(chǔ)

    FBG應(yīng)變傳感器由一根帶有光柵區(qū)的光纖、兩根夾持套管、兩個(gè)夾持塊、一個(gè)保護(hù)管套、一個(gè)滑動(dòng)端、一個(gè)固定端組成,見(jiàn)圖1、圖2。

    圖1 FBG應(yīng)變傳感器原理示意

    圖2 傳感器夾持裝置

    Ls=L1+L2

    ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔLf

    ε=ΔL/L=(ΔLs+ΔLf)/L

    式中Ls——兩個(gè)夾持套管的總長(zhǎng);

    L1、L2——夾持套管的長(zhǎng)度(見(jiàn)圖1);

    Lf——兩個(gè)夾持管之間的距離(見(jiàn)圖1);

    L——固定端之間的夾持距離。

    夾持套管可能會(huì)承擔(dān)一部分應(yīng)力,因此可能造成應(yīng)力損失,這在基本原理的推導(dǎo)過(guò)程中應(yīng)該給予考慮。根據(jù)胡克定律,光纖光柵應(yīng)變?chǔ)舊與管道環(huán)向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系可以用下式表示:

    式中Es、Ef——夾持套管,裸光纖的彈性模量;

    As、Af——夾持套管、裸光纖的截面面積。

    為了簡(jiǎn)化式(2),定義了剛度比例系數(shù)β和長(zhǎng)度比例系數(shù)α:

    則式(2)可以表示為:

    式中K——FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變敏感系數(shù)。

    式(2)、(3)的參數(shù)取值見(jiàn)表1[12]。把表1中的各參數(shù)值代入式(3)中,得到β值為0.019 133。所以FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變敏感系數(shù)K可以表示為:

    表1 FBG應(yīng)變傳感器機(jī)械性能參數(shù)

    將式(1)、波長(zhǎng)變化量ΔλFBG與光纖伸長(zhǎng)量的關(guān)系εf=ΔλFBG/1.2代入式(3)中,得到光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化與管道壁厚之間的關(guān)系:

    式中γ——管道系數(shù)。

    將表2中管道各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)代入式(5)進(jìn)行計(jì)算,得到PVC管道系數(shù)γp為1 982.75,鋼管道系數(shù)γs為167.71,從而得到波長(zhǎng)變化與管道壁厚變化之間的反比例關(guān)系式(4)?;谶@一理論,設(shè)計(jì)出夾持式光纖光柵傳感器(FBG應(yīng)變傳感器)。與傳統(tǒng)的FBG傳感器相比較,這種傳感器具有測(cè)量管道整體變形、形狀適應(yīng)性強(qiáng),與管道貼合緊密,測(cè)量精度高,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

    表2 管道力學(xué)性能與傳感器敏感系數(shù)

    2 基于FBG應(yīng)變傳感器的腐蝕監(jiān)測(cè)研究

    2.1 試驗(yàn)裝置

    試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

    圖3 模擬不同腐蝕程度的管道模型及試驗(yàn)裝置

    目前,廣泛應(yīng)用于油氣管道網(wǎng)鋪設(shè)的材料主要有PVC硬塑料和無(wú)縫鋼管。在本次試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)了兩個(gè)管道模型:一個(gè)是PVC管道模型,由長(zhǎng)度為300 mm,直徑為250 mm,壁厚分別為7.8、6.0、5.1、4.4、4.2、3.8、3.4 mm的7段管段組合而成;另一個(gè)是鋼管道模型,由長(zhǎng)度為150 mm,直徑為273 mm,壁厚分別為6.0、5.0、4.6、4.2、3.8、3.4、3.0 mm的7段管段組合而成。將FBG應(yīng)變傳感器安裝在每一管段的中間位置,以防止邊緣效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。如圖3所示,傳感器連接到解調(diào)儀上(微米光學(xué)SM-130),解調(diào)儀通過(guò)以太網(wǎng)將收集到的信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)上,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)全腐蝕的監(jiān)測(cè)。解調(diào)儀采集信號(hào)的頻率為10 Hz。通過(guò)最大泵壓為0.4 MPa的氣泵向管道內(nèi)加氣,以模擬輸油氣管道中的運(yùn)營(yíng)壓力環(huán)境。壓力傳感器(采用cRIO9140進(jìn)行解調(diào))安裝在管道模型的入氣口一端,用于測(cè)量管道內(nèi)部壓力值。試驗(yàn)在26℃的室溫下進(jìn)行。因?yàn)镕BG對(duì)溫度也很敏感,因此FBG應(yīng)變傳感器的測(cè)量結(jié)果均用溫度傳感器測(cè)得值進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

    2.2 腐蝕監(jiān)測(cè)模擬

    上文提出了管道同時(shí)發(fā)生化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕的全腐蝕情況。本試驗(yàn)試圖通過(guò)采用不同的管道殘余壁厚來(lái)表示不同的全腐蝕程度,并基于環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚成反比的理論分析進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn),以證明FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)到的響應(yīng)可以直接反映腐蝕程度。PVC管道模型設(shè)計(jì)了5個(gè)不同程度的全腐蝕缺陷,剩余厚度分別為5.1、4.4、4.2、3.8、3.4 mm;鋼管道模型上設(shè)計(jì)了5個(gè)不同程度的全腐蝕缺陷,剩余厚度分別為5、4.6、4.2、3.8、3.0 mm。由于PVC管道屬于硬塑料,變形大,強(qiáng)度小,所以為了保證試驗(yàn)安全,PVC管道內(nèi)部壓力穩(wěn)定在50 kPa;基于類(lèi)似的考慮,鋼管道模型的內(nèi)部壓力值選取200 kPa。

    如圖4、圖5所示,環(huán)向應(yīng)變與厚度倒數(shù)關(guān)系的標(biāo)定曲線為一條直線,線性回歸系數(shù)R均達(dá)到0.99以上,說(shuō)明管道的環(huán)向應(yīng)變與厚度成反比,證明了FBG應(yīng)變傳感器的封裝工藝沒(méi)有顯著影響環(huán)向應(yīng)變的測(cè)量。

    圖4 PVC管道模型厚度標(biāo)定曲線

    圖5 鋼管道模型厚度標(biāo)定曲線

    FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的PVC、鋼管道模型的環(huán)向應(yīng)變敏感系數(shù)分別為1 972.83和136.32,證明FBG應(yīng)變傳感器對(duì)于由腐蝕引起的管壁變薄非常敏感。由于PVC的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼,所以相比于鋼管道發(fā)生腐蝕,PVC管道更加敏感。同時(shí),由于PVC管道彈性模量的準(zhǔn)確值很難測(cè)得,且材質(zhì)不均勻容易導(dǎo)致不均勻變形,因此PVC管道的理論值與試驗(yàn)值的差別不可避免地要大于鋼管道。試驗(yàn)證明,安裝在PVC管道和鋼管道上的FBG應(yīng)變傳感器均可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出管道腐蝕的發(fā)生和發(fā)展,因此由FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的管道環(huán)向應(yīng)變可以直接準(zhǔn)確地反映腐蝕程度,因而采用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管道腐蝕的無(wú)損監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

    3 基于有限元方法的數(shù)值分析

    試驗(yàn)證明了FBG應(yīng)變傳感器測(cè)得的管道環(huán)向應(yīng)變可以直接反映腐蝕程度。為了說(shuō)明管道環(huán)向應(yīng)變變化與腐蝕程度的關(guān)系,證明忽略邊界效應(yīng)不影響試驗(yàn)結(jié)果和腐蝕監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)的可靠性,本部分將詳細(xì)介紹采用有限元軟件SAP2000建立鋼管道模型,并模擬了在200kPa壓力下管道的環(huán)向應(yīng)變與厚度的反比關(guān)系。工程上將殼厚度h與其寬度L之比(即h/L)<1/10的殼稱為薄殼,薄殼中橫向剪力對(duì)變形的影響較小。鋼管道模型的δ/(2πR)<1/10,所以選用殼單元對(duì)鋼管道進(jìn)行建模并進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析。在建模和數(shù)值模擬的過(guò)程中假設(shè):

    (1)網(wǎng)格剖分得足夠細(xì)致,單元體可以連續(xù)變形。

    (2)厚度不同的各管段的平均半徑相同。

    (3)厚度不同的各管段之間為剛性連接。

    (4)鋼管道兩端與鋼板焊接,在建模的時(shí)候?qū)⑦@種連接簡(jiǎn)化為剛性連接。

    (5)根據(jù)經(jīng)典板層理論,對(duì)鋼管道進(jìn)行線性靜態(tài)分析。

    采用SAP2000模擬生成的變形云圖見(jiàn)圖6(管道的壁厚表示在圖中),從圖中可以看出,鋼管道的變形很小。為了更清楚地說(shuō)明模擬結(jié)果,云圖的放大因子選擇了2 000(圖中紅色圓圈的部分又進(jìn)一步放大了5倍)。圖6中,用紅色圓圈表示的部分顯示出變截面處有一個(gè)變形突變,但每一段中間部分的變形是非常平滑的,這證明將傳感器安裝于每一段的中間部分可以有效地避免邊界效應(yīng),能夠滿足測(cè)量精度和穩(wěn)定性的要求。總之,邊界效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常小,可以忽略。

    圖6 SAP2000模擬生成的管道變形云圖

    數(shù)值模擬分析給出的管道環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚關(guān)系的標(biāo)定曲線為直線(如圖7所示),其線性回歸系數(shù)為0.999 9,說(shuō)明管道的環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚呈嚴(yán)格的反比例關(guān)系。圖7也表明,數(shù)值模擬、理論分析、試驗(yàn)三者給出的結(jié)果基本一致,說(shuō)明鋼管道發(fā)生全腐蝕時(shí),管道環(huán)向變形均勻,環(huán)向應(yīng)變隨著管道壁厚的減小而增加。

    圖7 理論計(jì)算、數(shù)值模擬、試驗(yàn)結(jié)果的厚度標(biāo)定曲線比較

    從圖7的比較還可以看出,理論分析的結(jié)果最大,其次是數(shù)值分析的結(jié)果,試驗(yàn)的結(jié)果最小。在實(shí)際工程項(xiàng)目中,輸油氣管道可以看作是無(wú)限長(zhǎng)的,但在試驗(yàn)室中因受場(chǎng)地的限制管道的長(zhǎng)度是有限的;另外,表示不同腐蝕程度的管道連接處不可避免地產(chǎn)生變截面,因而約束力隨之產(chǎn)生,而這種約束力在理論推導(dǎo)計(jì)算時(shí)并沒(méi)有考慮,這導(dǎo)致了理論分析結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果略大。

    數(shù)值分析的結(jié)果大于試驗(yàn)結(jié)果,這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中會(huì)有一些試驗(yàn)誤差,比如FBG應(yīng)變傳感器內(nèi)部的滑動(dòng)摩擦力會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值減小,另外還有一些不可避免的噪聲和儀器誤差等也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文詳細(xì)地介紹了基于FBG應(yīng)變傳感器的腐蝕監(jiān)測(cè)原理。為研究這種新型的夾持式FBG傳感器的性能及監(jiān)測(cè)輸油氣管道腐蝕的適用性,進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明FBG應(yīng)變傳感器對(duì)于管道的環(huán)向應(yīng)變非常敏感,且管道的環(huán)向應(yīng)變變化與管道腐蝕程度成反比,F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確地探測(cè)到管道腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。數(shù)值模擬分析的結(jié)果證明了試驗(yàn)的合理性,為忽略邊界效應(yīng)不影響試驗(yàn)結(jié)果提供了有力證據(jù)。綜上所述,F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器適用于輸油氣管道的腐蝕監(jiān)測(cè),可高靈敏度地測(cè)量整個(gè)環(huán)向應(yīng)變,可以對(duì)管道的腐蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),因而可在無(wú)需破壞管道的情況下準(zhǔn)確地探測(cè)到腐蝕的發(fā)生和發(fā)展等。當(dāng)然,該項(xiàng)技術(shù)的研究正處于起步階段,仍存在很多尚待解決的問(wèn)題,比如:檢測(cè)已建成的埋地管道需要進(jìn)行挖方,測(cè)試的靈敏度還需進(jìn)一步提高,只能對(duì)傳感器所在位置進(jìn)行腐蝕測(cè)量等,因此此項(xiàng)技術(shù)還需要后續(xù)的更深入的研究。

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    Oil/Gas Pipeline CorrosionDetectionBased onFBG StrainSensor

    RenLiang,CuiXiaolei,J iang Tao,J ia Ziguang,Xia Mengying,Cheng Xiang
    ConstructionEngineering Department of DalianUniversity of Technology,Dalian116024,China

    A new pipeline corrosion detection method using new type FBG sensor to detect pipeline hoop strain is presented,which can detect whole hoop strains,prolong service time of sensor,connect closely with pipeline external wall and has reusability compared with traditional FBG sensor.This paper introduces the pipeline corrosion detection principle based on the new type FBG sensor,the verification tests are conducted by installing the sensors on PVC pipeline and steel pipeline respectively,and numerical simulation analysis is performed by applying SAP2000 software.The results demonstrate that the FBG strain sensor has good performance in the hoop strain measurement;it is sensitive to the variation of the hoop strain in the condition of different corrosion degree.With outstanding quality,it is considered to be a promising device in pipeline corrosionmonitoring.

    oil/gas pipeline;FBG strainsensor;corrosiondetection;hoop strain;FEM analysis

    國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體(51121005);國(guó)家自然科學(xué)基金(51108059)

    10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.002

    任亮(1979-),男,山西孝義人,副教授,2008年畢業(yè)于大連理工大學(xué),博士,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、光纖光柵傳感器的研制與應(yīng)用以及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

    2015-01-23

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