龔士林，馮 新，王子豪，韓 陽，劉 洋

大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116023

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展，管道越來越廣泛地應(yīng)用于石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域以及城市的燃?xì)?、供熱系統(tǒng)。管道由于輸送距離長(zhǎng)并且大多經(jīng)過人口稠密地區(qū)，因此一般采用埋地式。與裸露管道相比，埋地管道承受更復(fù)雜的受力狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)病害和隱患具有更強(qiáng)烈的隱蔽性，對(duì)公共安全的威脅更嚴(yán)重，因此對(duì)管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷病害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要[1-3]。

基于分布式光纖傳感器的埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，采用分布式光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管道沿途任意位置應(yīng)變和溫度的分布式測(cè)量，相比傳統(tǒng)管道定點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)[4-7]。但正是因?yàn)椴捎梅植际綔y(cè)量方法，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的后期處理過程十分繁瑣，耗費(fèi)大量時(shí)間，并且容易出現(xiàn)由于人為疏忽而造成的誤差[8]。目前，在數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和圖形繪制方面，主要還是通過傳統(tǒng)的辦公軟件Excel來實(shí)現(xiàn)，該方法簡(jiǎn)單直接、容易上手，已經(jīng)被普遍接受[9]。但是，管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)則具有實(shí)時(shí)采集的特征，人工處理無法滿足管道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的要求，因此需要考慮編制數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取與自動(dòng)處理。傳統(tǒng)的編程軟件如Fortran、SAS在編程操作、數(shù)據(jù)計(jì)算方面功能強(qiáng)大，但可視化功能較弱；VB、VC語言開發(fā)的可視化界面友好，但是數(shù)據(jù)計(jì)算方面又有所欠缺。而Matlab則是集數(shù)據(jù)分析、矩陣計(jì)算、圖形繪制和可視化功能于一體的計(jì)算軟件，已經(jīng)在圖像處理、信號(hào)檢測(cè)和控制設(shè)計(jì)等方面得到廣泛應(yīng)用，但是在管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面應(yīng)用較少[10]。

為了方便高效地處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高實(shí)際工程中埋地管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的效率，開發(fā)了基于Matlab的GUI（Graphic User Interface，圖形用戶界面）的埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)涵蓋了從原始數(shù)據(jù)輸入、整理、儲(chǔ)存，到計(jì)算結(jié)果和圖像輸出的一套完整流程，使用者只需將測(cè)量獲得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行界面操作，就可以得到最終所需要的計(jì)算結(jié)果和分析圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)價(jià)及預(yù)警。

1 埋地管道分布式光纖監(jiān)測(cè)方法

1.1 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)獲取

基于Brillouin散射的分布式光纖傳感技術(shù)在測(cè)量應(yīng)變方面有較高的靈敏度，但其對(duì)溫度和應(yīng)力變化都很敏感，造成Brillouin散射的頻移不但與光纖受到的應(yīng)變線性相關(guān)，還與光纖所處的環(huán)境溫度變化線性相關(guān)，所以在使用時(shí)常常需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即消除溫度影響得到真實(shí)的應(yīng)變值。而Raman散射在感應(yīng)溫度變化方面比較敏感，并且不容易受到外界環(huán)境的干擾，對(duì)溫度測(cè)量精準(zhǔn)度較高[11]。因此，在本方法中，管道應(yīng)變的分布式監(jiān)測(cè)采用基于Brillouin散射的BOTDA應(yīng)變傳感器和基于Raman散射ROTDR溫度傳感器。兩種類型的光纖傳感器平行布設(shè)在管道頂部，分別與監(jiān)測(cè)儀相連，光纖會(huì)與管道產(chǎn)生一致的應(yīng)變和相同的溫度變化，從而得到管道的應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)方案示意見圖1[12]。

圖1 基于分布式光纖傳感器的埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案示意

1.2 管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法

由Brillouin分布式光纖傳感器的測(cè)量原理，將Brillouin頻移公式變形為：

管道截面的環(huán)向應(yīng)力由內(nèi)壓以及管道截面幾何參數(shù)確定：

式中：p為管道承受的內(nèi)壓，MPa；D為管道的直徑，mm；t為管道壁厚，mm。

管道的軸向正應(yīng)力σa（x）與管道的彎曲正應(yīng)力σb（x）分別為：

式中：Ep為管材的彈性模量，MPa；αp為線膨脹系數(shù)，℃-1；νp為管材的泊松比。

管道的縱向正應(yīng)力σL（x） 為：

考慮管道結(jié)構(gòu)破壞標(biāo)準(zhǔn)及其所承受的彎曲效應(yīng)，可以采用強(qiáng)度校核公式為：

式中：σc（x）為管道的當(dāng)量應(yīng)力，MPa；σs為管道的屈服強(qiáng)度，MPa。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評(píng)估需要實(shí)時(shí)的應(yīng)變、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，管道的幾何、材料參數(shù)，管道運(yùn)行的內(nèi)壓數(shù)據(jù)，還需進(jìn)行當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的計(jì)算分析和可視化顯示；因此需要開發(fā)一套埋地管道分布式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析系統(tǒng)。

2 Matlab的GUI開發(fā)環(huán)境及軟件系統(tǒng)介紹

2.1 Matlab的GUI開發(fā)環(huán)境

Matlab的GUI是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對(duì)象構(gòu)成的一個(gè)用戶界面，用戶必須對(duì)每一個(gè)對(duì)象進(jìn)行界面布局和編程，從而使用戶在激活GUI每個(gè)對(duì)象時(shí)都能夠執(zhí)行相應(yīng)的行為，以此進(jìn)行基于GUI二次開發(fā)自己的界面程序[13-15]。GUIDE將用戶保存設(shè)計(jì)好的GUI界面保存在一個(gè)FIG資源文件中，同時(shí)生成包含GUI初始化和組件界面布局控制代碼的M文件[16]。FIG文件包含系列化的圖形窗口對(duì)象，M文件包含GUI設(shè)計(jì)、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)，主要用來控制GUI展開時(shí)的各種特征。另外，Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖像繪制功能，并且可以很方便地導(dǎo)入和輸出各種類型的數(shù)據(jù)文件，這也就保證了軟件可以快速打開并處理埋地管道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 軟件系統(tǒng)介紹

管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要功能是管道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、處理以及結(jié)果輸出和圖形繪制，包含數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)清除、BOTDA應(yīng)變處理、ROTDR溫度處理、結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估五大模塊，系統(tǒng)的主界面如圖2所示。

圖2 埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主界面

2.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊

通過分布式光纖傳感器的監(jiān)測(cè)，將會(huì)得到大量的BOTDA監(jiān)測(cè)儀輸出的STC格式的應(yīng)變數(shù)據(jù)文件以及ROTDR監(jiān)測(cè)儀輸出的TXT格式的溫度數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊即是將這兩種格式文件批量導(dǎo)入系統(tǒng)中儲(chǔ)存為變量文件，并且將數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)日期作為變量名賦給變量文件，最后將這些變量文件保存在特定的MAT文件中備用。

具體實(shí)現(xiàn)方法是，通過使用uigetfile函數(shù)調(diào)用Matlab的“文件打開對(duì)話框”，用來選擇所需要的數(shù)據(jù)文件并且將其文件名保存，然后采用textread函數(shù)將數(shù)據(jù)文件讀取到系統(tǒng)中并且作為變量進(jìn)行儲(chǔ)存。為了方便查找系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)文件，從之前存儲(chǔ)的變量名中提取出數(shù)據(jù)文件的監(jiān)測(cè)日期字段并且使用eval函數(shù)將其強(qiáng)制賦給相應(yīng)的變量作為變量名，最后使用save函數(shù)將這些變量?jī)?chǔ)存在特定的MAT文件中。

2.2.2 數(shù)據(jù)清除模塊

數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)之后會(huì)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，以后使用時(shí)無需再次導(dǎo)入，從數(shù)據(jù)庫直接調(diào)用即可。在管道安全監(jiān)測(cè)過程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些因受外界環(huán)境干擾而與事實(shí)不符的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)后期的管道狀態(tài)評(píng)估產(chǎn)生較大影響，可以使用數(shù)據(jù)清除模塊將這些干擾數(shù)據(jù)刪除。

具體實(shí)現(xiàn)方法是：為了解決Matlab中不同工作區(qū)間中調(diào)用困難的問題，首先使用get函數(shù)獲取所選中的要清除的數(shù)據(jù)變量的名稱，并將其保存在新的變量中，再通過save函數(shù)將這個(gè)新的變量保存在之前的MAT文件中，然后使用load函數(shù)將這個(gè)MAT文件中所有變量載入到工作區(qū)中，這樣包括儲(chǔ)存名稱的變量在內(nèi)的所有變量都出現(xiàn)在同一工作區(qū)間中。最后使用evalin和clear函數(shù)清除所選中的變量并將剩余的變量?jī)?chǔ)存在新的MAT文件中，以達(dá)到通過更新MAT文件方式來刪除數(shù)據(jù)的目的。

2.2.3 BOTDA應(yīng)變處理模塊

該模塊的主要功能是對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。將數(shù)據(jù)日期顯示在列表框中，當(dāng)選中列表框中的一個(gè)或者多個(gè)日期選項(xiàng)時(shí)，就會(huì)將所選中日期的數(shù)據(jù)在表格框中顯示，同時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的圖形也會(huì)在圖形框中顯示，所以在此模塊中可以查看、對(duì)比和運(yùn)算任意日期的管道的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

具體實(shí)現(xiàn)方法是，首先通過 whos函數(shù)獲取MAT文件中所有應(yīng)變變量的變量名并使用char函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為字符換格式，然后使用set函數(shù)將以字符串表示的變量名輸出到列表框中，至此列表框中就會(huì)顯示所有應(yīng)變數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)日期。當(dāng)用戶選中列表框中想要查看的某些日期時(shí)，列表框的value值將會(huì)變成所選中日期的序號(hào)，再使用get函數(shù)獲取列表框的value值和string值，就可以得到所選中的日期名。最后evalin函數(shù)依次將所選中日期對(duì)應(yīng)的變量數(shù)據(jù)從工作區(qū)調(diào)用到當(dāng)前工作空間，使用plot函數(shù)和hold on函數(shù)將所選日期的應(yīng)變圖像繪制在gui界面中的圖形框中。

2.2.4 ROTDR溫度處理模塊

主要功能是查看和對(duì)比任意日期的管道的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過程與BOTDA應(yīng)變處理模塊相似，將不再贅述。

2.2.5 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估模塊

該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)輸入和修改管道的材料、幾何參數(shù)以及內(nèi)壓數(shù)據(jù)，并將應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)同時(shí)讀取并按照管道應(yīng)力狀態(tài)評(píng)估方法進(jìn)行計(jì)算，最終得到管道的當(dāng)量應(yīng)力，通過校核公式判斷管道應(yīng)力狀態(tài)是否符合要求。在此模塊中可以查看任意日期的管道彎曲應(yīng)力、管頂和管底的縱向應(yīng)力、當(dāng)量應(yīng)力的數(shù)據(jù)以及圖形，界面如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估模塊界面

具體實(shí)現(xiàn)方法與應(yīng)變處理模塊相似，首先將所有應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的日期輸出到列表框中，當(dāng)用戶選中列表框中想要查看的某些日期時(shí)，使用循環(huán)語句依次獲取每個(gè)日期名，并強(qiáng)制讀取日期名稱所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變量和溫度變量。通過get函數(shù)獲取靜態(tài)文本中所輸入的管道參數(shù)，結(jié)合應(yīng)變和溫度變量進(jìn)行矩陣計(jì)算，得到當(dāng)量應(yīng)力。最后使用判斷語句，若管道應(yīng)力符合要求，則在界面上顯示數(shù)據(jù)和圖形，若不符合要求，則通過msgbox函數(shù)彈出警告框進(jìn)行提示。

3 應(yīng)用實(shí)例

以某埋地燃?xì)夤艿罏槔?，采用分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)其溫度和應(yīng)變的變化以分析管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此工程采用型號(hào)為DN300的無縫鋼管（即管道外徑D=325 mm，壁厚t=8 mm），鋼材牌號(hào)為20#，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度σb=410 MPa，屈服強(qiáng)度σs=245 MPa，彈性模量Ep=206 GPa，泊松比νp=0.3，線膨脹系數(shù)αp=1.1×10-5℃-1，管道的設(shè)計(jì)壓力p=1.6 MPa。該段管道于2016年6月24日開始投入運(yùn)行并布設(shè)光纖傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)段長(zhǎng)度為61.3 m，本文選取2016年6月24日至2016年10月27日期間的共17次代表性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)入本軟件系統(tǒng)中進(jìn)行分析評(píng)估管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.1 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

前文提到，管道監(jiān)測(cè)過程中需要使用溫度光纖傳感器測(cè)量管道的溫度數(shù)據(jù)，用來對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，進(jìn)而得到真實(shí)的管道的應(yīng)變值，同時(shí)也可以對(duì)預(yù)測(cè)壓力管道泄漏提供參考依據(jù)。在本系統(tǒng)中ROTDR溫度處理模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度數(shù)據(jù)的處理，處理結(jié)果如圖4所示。圖4中，橫坐標(biāo)是管道在分布式光纖溫度傳感器上所對(duì)應(yīng)的位置。從圖4可以看出，每次測(cè)量的數(shù)據(jù)基本持平，也就是說在整個(gè)測(cè)量段管道的溫度是均勻的，表明管道沒有發(fā)生泄漏。

圖4 ROTDR溫度處理模塊中溫度數(shù)據(jù)曲線

3.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在使用分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)管道應(yīng)變時(shí)，首先需要獲得一個(gè)應(yīng)變初值，在以后將每次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與初值相減，即可得到在此段時(shí)間內(nèi)管道所產(chǎn)生的應(yīng)變。在此實(shí)例中，即是將2016年6月24日所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)作為初值。另外，由Brillouin頻移公式可知，由應(yīng)變傳感器測(cè)得的應(yīng)變值包括受溫度影響的光熱效應(yīng)部分，因此需要借助溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將溫度造成的影響消除，即對(duì)應(yīng)變值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。從本系統(tǒng)中的BOTDA應(yīng)變處理模塊可以查看BOTDA應(yīng)變傳感儀所輸出的原始應(yīng)變曲線和溫度補(bǔ)償后的應(yīng)變曲線，如圖5所示。其中，圖5（b） 中管頂彎曲拉應(yīng)變的最大值約為250 μ ε，彎曲壓應(yīng)變的最大值約為 -350 μ ε，相應(yīng)的，管底彎曲拉應(yīng)變的最大值約為350 μ ε，彎曲壓應(yīng)變的最大值約為-250 μ ε。這些結(jié)果為后續(xù)的管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供依據(jù)。

3.3 管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估

在進(jìn)行管道的溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)處理之后，就可以根據(jù)管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)管道狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。在本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估模塊中，可以方便地輸入管道的材料、幾何參數(shù)以及內(nèi)壓數(shù)據(jù)，然后借助溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算出管道的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力以及當(dāng)量應(yīng)力，進(jìn)而確定管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)是否符合要求。管頂當(dāng)量應(yīng)力曲線如圖6所示，圖6中管頂?shù)淖畲螽?dāng)量應(yīng)力約為78 MPa，因而，表明管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)處于安全范圍。

圖5 BOTDA應(yīng)變處理模塊中的應(yīng)變曲線

圖6 管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估模塊中當(dāng)量應(yīng)力曲線

4 結(jié)束語

管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的安全監(jiān)測(cè)是貫穿管道全壽命服役周期的長(zhǎng)期過程，必將產(chǎn)生海量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如何擺脫繁瑣的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和圖形繪制過程，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高效的整合以及快速的分析計(jì)算和可視化是實(shí)際工程中需要解決的關(guān)鍵問題。本文基于Matlab GUI設(shè)計(jì)的埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將Matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算、圖形繪制以及可視化界面功能充分地應(yīng)用到實(shí)際工程中，為管道的安全監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)高效的集成環(huán)境和友好的用戶界面，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效整合以及管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的快速評(píng)估，為管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)處理及分析提供了方便的操作平臺(tái)。

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