應(yīng)用光纖光柵應(yīng)變箍傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

王濤　姜濤　夏夢(mèng)穎　任亮　程祥

摘要：為了驗(yàn)證通過(guò)光纖光柵應(yīng)變箍傳感器對(duì)管道進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)的方法的可行性，在均勻腐蝕管道模型和局部腐蝕管道模型上分別進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所使用的應(yīng)變箍傳感器能夠測(cè)量管道截面的環(huán)向應(yīng)變，通過(guò)環(huán)向應(yīng)變能夠反應(yīng)管道壁厚的變化情況。試驗(yàn)表明，這種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器性能優(yōu)良，可以應(yīng)用于測(cè)量腐蝕引起的環(huán)向應(yīng)變，在管道的腐蝕監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；管道腐蝕；應(yīng)變箍傳感器；環(huán)向應(yīng)變

中圖分類號(hào)：TE832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0171-05

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，輸送能源的管道運(yùn)輸業(yè)的安全問(wèn)題也顯得越發(fā)重要（王占山等，2003）。但是隨著管線服役時(shí)間的增長(zhǎng)（馮耀榮等，1999），管道里程的不斷增加，長(zhǎng)輸管道的泄漏、火災(zāi)、爆炸等惡性事故也不斷增多，而油氣管道一旦發(fā)生泄漏、爆炸等事故，不僅會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅（張恩勇等，2004）。因此，對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)問(wèn)題的研究具有十分重要的意義。

由于受輸送介質(zhì)和外界腐蝕環(huán)境影響，管道常常會(huì)發(fā)生腐蝕，腐蝕缺陷造成的失效是既有埋地管道最主要的損壞方式之一（林新宇等，2011）?，F(xiàn)有的管道腐蝕檢測(cè)法主要是把智能檢測(cè)器置于管道內(nèi)，在輸送介質(zhì)的推動(dòng)下，完成管道內(nèi)、外腐蝕缺陷的檢測(cè)。檢測(cè)技術(shù)主要有漏磁檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法等。檢測(cè)原理均為測(cè)量管道壁厚變化，從而得到管道的腐蝕發(fā)展?fàn)顩r（劉慧芳等，2008）。但是由于石油、天然氣均為易燃易爆物質(zhì)，應(yīng)用電類傳感器對(duì)管道的安全狀況進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)，也給管道的安全運(yùn)營(yíng)埋下隱患。

近年來(lái)，光纖光柵（Fiber Bragg Guting，簡(jiǎn)稱FBG）作為一種新型的智能材料被廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域（任亮等，2013；Li et al，2004；賈子光等，2010）。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)境下進(jìn)行長(zhǎng)期工作，適用于輸油輸氣管道的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種新型智能材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)之中（Ren et al，2006；孫麗等，2012）。本文基于自行研制的光纖光柵應(yīng)變箍傳感器，提出一種通過(guò)測(cè)量管道環(huán)向應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)管道腐蝕監(jiān)測(cè)的方法。

1 基于FBG應(yīng)變箍傳感器的管道腐蝕監(jiān)測(cè)原理

假設(shè)在化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕的共同作用下，管道的內(nèi)壁表面上發(fā)生了均勻腐蝕，在工作壓力下管道均勻變形。反映環(huán)向應(yīng)變和管道壁厚關(guān)系的基本公式為其中，△ε_h表示管道的環(huán)向應(yīng)變，R表示管道外徑，△P表示管道內(nèi)壓變化量，d表示管道壁厚，E表示管道材料的彈性模量。

由式（1）可知，當(dāng)R、△p、E為定值時(shí)，管道的環(huán)向應(yīng)變與壁厚成反比。管道在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，內(nèi)壓基本保持恒定，管道外徑保持不變，因此通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)管道環(huán)向應(yīng)變△ε_h的變化情況，就能夠得到管道壁厚d的變化情況，從而隨時(shí)掌握被監(jiān)測(cè)管道的腐蝕程度。通過(guò)這種方法進(jìn)行管道的腐蝕監(jiān)測(cè)，首先要能夠有效地測(cè)量管道環(huán)向應(yīng)變，因此筆者研制了一種FBG應(yīng)變箍傳感器。

2 FBG應(yīng)變箍傳感器測(cè)量原理

FBG應(yīng)變箍傳感器由一根帶有柵區(qū)的光纖，兩個(gè)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，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將FBG應(yīng)變箍傳感器安裝在管道外壁，當(dāng)管道發(fā)生變形時(shí)，產(chǎn)生的形變傳遞給內(nèi)層鋼管以及光纖，內(nèi)層鋼管與光纖受到的力相等，所以光纖的變形為式中，L_s表示兩段內(nèi)層鋼管的長(zhǎng)度之和，L_s=L₁+L₂；p表示內(nèi)層鋼管與光纖受到的拉力，‘表示光纖的長(zhǎng)度。由式（2）和（3）以及表1各材料特性可得：對(duì)于FBG應(yīng)變箍傳感器，L_s與L_f的比值大于1，所以應(yīng)該考慮內(nèi)層鋼管的變形。由于FBG應(yīng)變箍傳感器緊箍在管道外壁，理想狀態(tài)下，管道的環(huán)向變形將全部傳遞到內(nèi)層鋼管和光纖上，因此管道環(huán)向平均應(yīng)變可以通過(guò)內(nèi)層鋼管和光纖的應(yīng)變表示為式中，ε_h表示管道的環(huán)向平均應(yīng)變，所以光纖應(yīng)變與管道環(huán)向平均應(yīng)變之比為其中，ε_f表示光纖的應(yīng)變。定義ζ為FBG應(yīng)變箍傳感器靈敏度系數(shù)：其中，φ=L_s/L_f為增敏系數(shù)影響因子，所以對(duì)于管道環(huán)向平均應(yīng)變有對(duì)于波長(zhǎng)為1550nm附近的FBG應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變與中心波長(zhǎng)的關(guān)系為其中，K_f=1.2pm/με，因此對(duì)于FBG應(yīng)變箍傳感器，由式（8）與（9）可得管道環(huán)向平均應(yīng)變與FBG應(yīng)變箍傳感器中心波長(zhǎng)關(guān)系為從式（7）可以看出，F(xiàn)BG應(yīng)變箍傳感器的靈敏度可以通過(guò)調(diào)整增敏系數(shù)影響因子φ來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以針對(duì)不同的測(cè)量要求，調(diào)整FBG應(yīng)變箍傳感器的測(cè)量靈敏度。

3 管道腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)介紹

在本次試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了兩個(gè)管道模型：一個(gè)是均勻腐蝕管道模型，由長(zhǎng)為150mm，直徑為273mm，不同管道壁厚度（6.0mm、5.0mm、4.6mm、4.2mm、3.8mm、3.4mm、3.0mm）的7部分組成，如圖2所示；另一個(gè)是局部腐蝕管道模型，由長(zhǎng)為150mm、直徑273mm，局部腐蝕區(qū)管道壁厚度均為3mm，不同腐蝕區(qū)角度（30°、60°、90°、120°、180°、270°）的6部分組成，如圖3所示。將FBG應(yīng)變箍傳感器安裝在每一部分的中間位置，防止邊緣效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。傳感器連接到解調(diào)儀上，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，以此來(lái)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10Hz。通過(guò)最大泵壓為0.4MPa的氣泵向管道內(nèi)打氣提供壓力環(huán)境，模擬實(shí)際工程中的輸油輸氣管道運(yùn)營(yíng)環(huán)境。壓力傳感器（采用cRIO9140進(jìn)行解調(diào)）安裝在管道模型入氣口一端，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)于溫度也很敏感，F(xiàn)BG應(yīng)變箍傳感器的測(cè)量結(jié)果均用溫度傳感器測(cè)得的值進(jìn)行補(bǔ)償和修正。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 均勻腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

由式（1）可以得到，管道的環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚的倒數(shù)成正比。通過(guò)均勻腐蝕模型試驗(yàn)，將管道壁厚倒數(shù)與環(huán)向應(yīng)變擬合成曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，管道壁厚的倒數(shù)與環(huán)向應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，證明管道壁厚的倒數(shù)與環(huán)向應(yīng)變存在正比例關(guān)系，并且通過(guò)環(huán)向應(yīng)變能夠準(zhǔn)確反映均勻腐蝕管道壁厚的變化情況。通過(guò)試驗(yàn)也說(shuō)明這種傳感器具有較好的靈敏度以及較高的精確性，適合用于管道均勻腐蝕狀況的監(jiān)測(cè)。

4.2 局部腐蝕試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究這種FBG應(yīng)變箍傳感器是否適用于管道局部腐蝕的測(cè)量，進(jìn)行了局部腐蝕管道模型試驗(yàn)。圖5所示為不同腐蝕角度與管道環(huán)向應(yīng)變的擬合曲線，從圖中可以看出，隨著腐蝕角度的增長(zhǎng)，管道的環(huán)向應(yīng)變呈線性變化，并且試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。因此可以證明，在管道的腐蝕厚度相同的情況下，隨著腐蝕面積的增加，環(huán)向應(yīng)變將線性增長(zhǎng)；也表明這種FBG應(yīng)變箍傳感器能夠有效地測(cè)量由局部腐蝕面積變化引起的環(huán)向應(yīng)變的改變。

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用FBG應(yīng)變箍傳感器進(jìn)行管道腐蝕監(jiān)測(cè)的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試這種方法的可行性，結(jié)果表明：（1）FBG應(yīng)變箍傳感器對(duì)管道環(huán)向應(yīng)變非常敏感；（2）通過(guò)FBG應(yīng)變箍傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量管道腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。綜上所述，F(xiàn)BG應(yīng)變箍傳感器適用于油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)，并且具有可以測(cè)量整個(gè)管道截面環(huán)向應(yīng)變、對(duì)管道的腐蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)需破壞管道就可以探測(cè)到腐蝕的發(fā)生和發(fā)展情況等優(yōu)點(diǎn)。