任亮，崔曉蕾，姜濤，賈子光，夏夢影，程祥

大連理工大學建設(shè)工程學部，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

任亮，崔曉蕾，姜濤，賈子光，夏夢影，程祥

大連理工大學建設(shè)工程學部，遼寧大連116024

基于光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)良特性，提出了一種通過應(yīng)用光纖光柵傳感器測量管道環(huán)向應(yīng)變來探測管道腐蝕的新方法，該方法采用了一種新型的FBG應(yīng)變傳感器，與傳統(tǒng)的FBG傳感器相比具有測量整個環(huán)向應(yīng)變、延長傳感器使用壽命、與管道外壁貼合緊密、無需破壞管道、可重復使用等優(yōu)點。介紹了基于新型FBG應(yīng)變傳感器的監(jiān)測管道腐蝕的原理，將FBG應(yīng)變傳感器分別安裝在PVC管道和鋼管道上進行了驗證性的試驗，并用SAP2000進行模型的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明FBG應(yīng)變傳感器可以準確地監(jiān)測到管道環(huán)向應(yīng)變的變化，對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；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營的首要問題[1]。長輸管道泄漏事故大多是由管道受到復雜、不可控制的外界因素造成的嚴重腐蝕引發(fā)的[2]?？刂坪捅O(jiān)測腐蝕的發(fā)生、發(fā)展是防止管道破裂和泄漏的最有效手段之一，專家和學者們致力于尋找一種能夠探測腐蝕發(fā)生并且判斷管道腐蝕程度的監(jiān)測方法，為結(jié)構(gòu)的可靠度分析和剩余壽命預(yù)測提供可靠的數(shù)據(jù)，以便制訂切實可行的措施，確保管道的安全運行和減少經(jīng)濟損失。

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)測方法大多是基于對管道外壁的陰極保護系統(tǒng)進行監(jiān)測的，這種方法操作簡單成本較低，但是容易造成誤判，因為有的腐蝕發(fā)生在管道內(nèi)部，沒有造成外部保護系統(tǒng)的損傷[4]。管道內(nèi)壁的腐蝕可以分為兩類：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)壁的化學腐蝕；另一種是由高速流動的石油和天然氣夾帶著砂石對管道內(nèi)壁產(chǎn)生的沖刷腐蝕。實際工程中，在大多數(shù)情況下這兩種腐蝕同時發(fā)生[5]。管道內(nèi)壁腐蝕的監(jiān)測技術(shù)主要有漏磁通法和超聲波法[6]。20世紀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[7]。目前，雖然無纜監(jiān)測技術(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)測方法亟待提出。

近年來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、多參數(shù)測量（應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)速等）、無火花、耐酸堿腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此光纖光柵材料能夠在復雜環(huán)境下長期工作，適合應(yīng)用于輸油氣管道的長期實時監(jiān)測[9-10]。這種新型的智能材料已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于管道無損監(jiān)測技術(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?；谶@一理論，本文提出了一種用光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測腐蝕的新方法，即通過FBG應(yīng)變傳感器測量管道的環(huán)形應(yīng)變來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)變的腐蝕評估

假設(shè)管道的內(nèi)壁表面發(fā)生了均勻的化學和沖刷腐蝕，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。

因為實際工程中油氣管道的輸送壓力通常穩(wěn)定在一個常量上，管半徑在設(shè)計油氣管道網(wǎng)時也已經(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，可以通過監(jiān)測管道環(huán)向應(yīng)變的變化來推斷管道發(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、兩個夾持塊、一個保護管套、一個滑動端、一個固定端組成，見圖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——兩個夾持套管的總長；

L1、L2——夾持套管的長度（見圖1）；

Lf——兩個夾持管之間的距離（見圖1）；

L——固定端之間的夾持距離。

夾持套管可能會承擔一部分應(yīng)力，因此可能造成應(yīng)力損失，這在基本原理的推導過程中應(yīng)該給予考慮。根據(jù)胡克定律，光纖光柵應(yīng)變εf與管道環(huán)向應(yīng)變ε的關(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。

為了簡化式（2），定義了剛度比例系數(shù)β和長度比例系數(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)變傳感器機械性能參數(shù)

將式（1）、波長變化量ΔλFBG與光纖伸長量的關(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中管道各項力學性能參數(shù)代入式（5）進行計算，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，這種傳感器具有測量管道整體變形、形狀適應(yīng)性強，與管道貼合緊密，測量精度高，可實現(xiàn)長期監(jiān)測的優(yōu)點。

表2 管道力學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)測研究

2.1 試驗裝置

試驗裝置見圖3。

圖3 模擬不同腐蝕程度的管道模型及試驗裝置

目前，廣泛應(yīng)用于油氣管道網(wǎng)鋪設(shè)的材料主要有PVC硬塑料和無縫鋼管。在本次試驗中，設(shè)計了兩個管道模型：一個是PVC管道模型，由長度為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；另一個是鋼管道模型，由長度為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)對試驗結(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SM-130），解調(diào)儀通過以太網(wǎng)將收集到的信號傳輸?shù)絇C機上，以此實現(xiàn)對全腐蝕的監(jiān)測。解調(diào)儀采集信號的頻率為10 Hz。通過最大泵壓為0.4 MPa的氣泵向管道內(nèi)加氣，以模擬輸油氣管道中的運營壓力環(huán)境。壓力傳感器（采用cRIO9140進行解調(diào)）安裝在管道模型的入氣口一端，用于測量管道內(nèi)部壓力值。試驗在26℃的室溫下進行。因為FBG對溫度也很敏感，因此FBG應(yīng)變傳感器的測量結(jié)果均用溫度傳感器測得值進行補償和修正。

2.2 腐蝕監(jiān)測模擬

上文提出了管道同時發(fā)生化學腐蝕和沖刷腐蝕的全腐蝕情況。本試驗試圖通過采用不同的管道殘余壁厚來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行腐蝕監(jiān)測模擬試驗，以證明FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測到的響應(yīng)可以直接反映腐蝕程度。PVC管道模型設(shè)計了5個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)計了5個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，強度小，所以為了保證試驗安全，PVC管道內(nèi)部壓力穩(wěn)定在50 kPa；基于類似的考慮，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)系的標定曲線為一條直線，線性回歸系數(shù)R均達到0.99以上，說明管道的環(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有顯著影響環(huán)向應(yīng)變的測量。

圖4 PVC管道模型厚度標定曲線

圖5 鋼管道模型厚度標定曲線

FBG應(yīng)變傳感器測得的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)變傳感器對于由腐蝕引起的管壁變薄非常敏感。由于PVC的彈性模量遠遠小于鋼，所以相比于鋼管道發(fā)生腐蝕，PVC管道更加敏感。同時，由于PVC管道彈性模量的準確值很難測得，且材質(zhì)不均勻容易導致不均勻變形，因此PVC管道的理論值與試驗值的差別不可避免地要大于鋼管道。試驗證明，安裝在PVC管道和鋼管道上的FBG應(yīng)變傳感器均可以準確地監(jiān)測出管道腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，因此由FBG應(yīng)變傳感器測得的管道環(huán)向應(yīng)變可以直接準確地反映腐蝕程度，因而采用該技術(shù)可實現(xiàn)管道腐蝕的無損監(jiān)測和實時監(jiān)測。

3 基于有限元方法的數(shù)值分析

試驗證明了FBG應(yīng)變傳感器測得的管道環(huán)向應(yīng)變可以直接反映腐蝕程度。為了說明管道環(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)不影響試驗結(jié)果和腐蝕監(jiān)測模擬試驗的可靠性，本部分將詳細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，所以選用殼單元對鋼管道進行建模并進行有限元數(shù)值模擬分析。在建模和數(shù)值模擬的過程中假設(shè)：

（1）網(wǎng)格剖分得足夠細致，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，在建模的時候?qū)⑦@種連接簡化為剛性連接。

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

采用SAP2000模擬生成的變形云圖見圖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)，能夠滿足測量精度和穩(wěn)定性的要求。總之，邊界效應(yīng)對測量結(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)系的標定曲線為直線（如圖7所示），其線性回歸系數(shù)為0.999 9，說明管道的環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚呈嚴格的反比例關(guān)系。圖7也表明，數(shù)值模擬、理論分析、試驗三者給出的結(jié)果基本一致，說明鋼管道發(fā)生全腐蝕時，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 理論計算、數(shù)值模擬、試驗結(jié)果的厚度標定曲線比較

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，試驗的結(jié)果最小。在實際工程項目中，輸油氣管道可以看作是無限長的，但在試驗室中因受場地的限制管道的長度是有限的；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計算時并沒有考慮，這導致了理論分析結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果略大。

數(shù)值分析的結(jié)果大于試驗結(jié)果，這是因為在試驗過程中會有一些試驗誤差，比如FBG應(yīng)變傳感器內(nèi)部的滑動摩擦力會導致測量值減小，另外還有一些不可避免的噪聲和儀器誤差等也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

本文詳細地介紹了基于FBG應(yīng)變傳感器的腐蝕監(jiān)測原理。為研究這種新型的夾持式FBG傳感器的性能及監(jiān)測輸油氣管道腐蝕的適用性，進行了腐蝕監(jiān)測模擬試驗。結(jié)果表明FBG應(yīng)變傳感器對于管道的環(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)變傳感器可以準確地探測到管道腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。數(shù)值模擬分析的結(jié)果證明了試驗的合理性，為忽略邊界效應(yīng)不影響試驗結(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，可高靈敏度地測量整個環(huán)向應(yīng)變，可以對管道的腐蝕進行實時監(jiān)測，因而可在無需破壞管道的情況下準確地探測到腐蝕的發(fā)生和發(fā)展等。當然，該項技術(shù)的研究正處于起步階段，仍存在很多尚待解決的問題，比如：檢測已建成的埋地管道需要進行挖方，測試的靈敏度還需進一步提高，只能對傳感器所在位置進行腐蝕測量等，因此此項技術(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

國家自然科學基金創(chuàng)新群體（51121005）；國家自然科學基金（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，博士，主要研究方向為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、光纖光柵傳感器的研制與應(yīng)用以及健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。

2015-01-23