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實驗室，遼寧大連 116023

隨著我國經(jīng)濟持續(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)域以及城市的燃氣、供熱系統(tǒng)。管道由于輸送距離長并且大多經(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烈的隱蔽性，對公共安全的威脅更嚴重，因此對管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和損傷病害進行實時監(jiān)測就顯得尤為重要[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)測方法，采用分布式光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)管道沿途任意位置應(yīng)變和溫度的分布式測量，相比傳統(tǒng)管道定點監(jiān)測方法顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢[4-7]。但正是因為采用分布式測量方法，實時在線監(jiān)測會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的后期處理過程十分繁瑣，耗費大量時間，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、計算和圖形繪制方面，主要還是通過傳統(tǒng)的辦公軟件Excel來實現(xiàn)，該方法簡單直接、容易上手，已經(jīng)被普遍接受[9]。但是，管道監(jiān)測數(shù)據(jù)則具有實時采集的特征，人工處理無法滿足管道實時監(jiān)測與結(jié)構(gòu)評價的要求，因此需要考慮編制數(shù)據(jù)分析軟件實現(xiàn)大規(guī)模監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時獲取與自動處理。傳統(tǒng)的編程軟件如Fortran、SAS在編程操作、數(shù)據(jù)計算方面功能強大，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)計算方面又有所欠缺。而Matlab則是集數(shù)據(jù)分析、矩陣計算、圖形繪制和可視化功能于一體的計算軟件，已經(jīng)在圖像處理、信號檢測和控制設(shè)計等方面得到廣泛應(yīng)用，但是在管道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析方面應(yīng)用較少[10]。

為了方便高效地處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高實際工程中埋地管道監(jiān)測數(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、儲存，到計算結(jié)果和圖像輸出的一套完整流程，使用者只需將測量獲得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，進行界面操作，就可以得到最終所需要的計算結(jié)果和分析圖像，進而實現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評價及預(yù)警。

1 埋地管道分布式光纖監(jiān)測方法

1.1 監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)獲取

基于Brillouin散射的分布式光纖傳感技術(shù)在測量應(yīng)變方面有較高的靈敏度，但其對溫度和應(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)，所以在使用時常常需要進行溫度補償，即消除溫度影響得到真實的應(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，對溫度測量精準度較高[11]。因此，在本方法中，管道應(yīng)變的分布式監(jiān)測采用基于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)測儀相連，光纖會與管道產(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)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測方案示意見圖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)測方案示意

1.2 管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法

由Brillouin分布式光纖傳感器的測量原理，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)破壞標準及其所承受的彎曲效應(yīng)，可以采用強度校核公式為：

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

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估需要實時的應(yīng)變、溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，管道的幾何、材料參數(shù)，管道運行的內(nèi)壓數(shù)據(jù)，還需進行當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的計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、按鍵、菜單、文字說明等對象構(gòu)成的一個用戶界面，用戶必須對每一個對象進行界面布局和編程，從而使用戶在激活GUI每個對象時都能夠執(zhí)行相應(yīng)的行為，以此進行基于GUI二次開發(fā)自己的界面程序[13-15]。GUIDE將用戶保存設(shè)計好的GUI界面保存在一個FIG資源文件中，同時生成包含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象，M文件包含GUI設(shè)計、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)，主要用來控制GUI展開時的各種特征。另外，Matlab具有強大的數(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)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要功能是管道監(jiān)測數(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，將會得到大量的BOTDA監(jiān)測儀輸出的STC格式的應(yīng)變數(shù)據(jù)文件以及ROTDR監(jiān)測儀輸出的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)中儲存為變量文件，并且將數(shù)據(jù)的監(jiān)測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。

具體實現(xiàn)方法是，通過使用uigetfile函數(shù)調(diào)用Matlab的“文件打開對話框”，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)中并且作為變量進行儲存。為了方便查找系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)文件，從之前存儲的變量名中提取出數(shù)據(jù)文件的監(jiān)測日期字段并且使用eval函數(shù)將其強制賦給相應(yīng)的變量作為變量名，最后使用save函數(shù)將這些變量儲存在特定的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)之后會儲存在數(shù)據(jù)庫中，以后使用時無需再次導(dǎo)入，從數(shù)據(jù)庫直接調(diào)用即可。在管道安全監(jiān)測過程中，有時會產(chǎn)生一些因受外界環(huán)境干擾而與事實不符的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會對后期的管道狀態(tài)評估產(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MAT文件中所有變量載入到工作區(qū)中，這樣包括儲存名稱的變量在內(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儲存在新的MAT文件中，以達到通過更新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應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理。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或者多個日期選項時，就會將所選中日期的數(shù)據(jù)在表格框中顯示，同時數(shù)據(jù)對應(yīng)的圖形也會在圖形框中顯示，所以在此模塊中可以查看、對比和運算任意日期的管道的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

具體實現(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，至此列表框中就會顯示所有應(yīng)變數(shù)據(jù)的監(jiān)測日期。當(dāng)用戶選中列表框中想要查看的某些日期時，列表框的value值將會變成所選中日期的序號，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比任意日期的管道的溫度數(shù)據(jù)，實現(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)評估模塊

該模塊主要用于實現(xiàn)手動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)同時讀取并按照管道應(yīng)力狀態(tài)評估方法進行計算，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)評估模塊界面

具體實現(xiàn)方法與應(yīng)變處理模塊相似，首先將所有應(yīng)變所對應(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，使用循環(huán)語句依次獲取每個日期名，并強制讀取日期名稱所對應(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)變和溫度變量進行矩陣計算，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)彈出警告框進行提示。

3 應(yīng)用實例

以某埋地燃氣管道為例，采用分布式光纖傳感器監(jiān)測其溫度和應(yīng)變的變化以分析管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。此工程采用型號為DN300的無縫鋼管（即管道外徑D=325 mm，壁厚t=8 mm），鋼材牌號為20#，對應(yīng)的抗拉強度σb=410 MPa，屈服強度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)計壓力p=1.6 MPa。該段管道于2016年6月24日開始投入運行并布設(shè)光纖傳感器進行監(jiān)測，監(jiān)測段長度為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)測數(shù)據(jù)，導(dǎo)入本軟件系統(tǒng)中進行分析評估管道的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.1 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

前文提到，管道監(jiān)測過程中需要使用溫度光纖傳感器測量管道的溫度數(shù)據(jù)，用來對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行溫度補償，進而得到真實的管道的應(yīng)變值，同時也可以對預(yù)測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現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的處理，處理結(jié)果如圖4所示。圖4中，橫坐標是管道在分布式光纖溫度傳感器上所對應(yīng)的位置。從圖4可以看出，每次測量的數(shù)據(jù)基本持平，也就是說在整個測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)測數(shù)據(jù)分析

在使用分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測管道應(yīng)變時，首先需要獲得一個應(yīng)變初值，在以后將每次測量得到的數(shù)據(jù)與初值相減，即可得到在此段時間內(nèi)管道所產(chǎn)生的應(yīng)變。在此實例中，即是將2016年6月24日所測得的應(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)測數(shù)據(jù)，將溫度造成的影響消除，即對應(yīng)變值進行溫度補償。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)評估提供依據(jù)。

3.3 管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估

在進行管道的溫度和應(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)評估方法對管道狀態(tài)進行評估。在本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估模塊中，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)測是貫穿管道全壽命服役周期的長期過程，必將產(chǎn)生海量的監(jiān)測數(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，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)高效的整合以及快速的分析計算和可視化是實際工程中需要解決的關(guān)鍵問題。本文基于Matlab GUI設(shè)計的埋地管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，將Matlab強大的矩陣計算、圖形繪制以及可視化界面功能充分地應(yīng)用到實際工程中，為管道的安全監(jiān)測提供了一個高效的集成環(huán)境和友好的用戶界面，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效整合以及管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的快速評估，為管道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中數(shù)據(jù)處理及分析提供了方便的操作平臺。

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