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(大連理工大學 a. 海岸與近海工程國家重點試驗室， 遼寧 大連 116023； b. 大連理工大學 土木工程學院， 遼寧 大連 116023)

0 引 言

作為油氣運輸?shù)纳€，管道在石油和天然氣工業(yè)中扮演著越來越重要的角色。海底管道通常埋入海底1.0～1.5 m。由于管道經(jīng)常受到水流、風暴、海床移動等復雜海底環(huán)境的影響，沖刷不可避免。沖刷開始于流水帶走管道周圍的覆蓋物使管道裸露。隨著沖刷的發(fā)展，管道逐漸失去支撐而發(fā)生懸空，懸空部分經(jīng)受海浪沖擊作用，一旦自由懸空長度超出設計允許長度，管道將遭受很大的局部應力。當渦流脫落頻率與管道自振頻率相近時會產(chǎn)生渦激共振，使管道發(fā)生高峰應力破壞或疲勞破壞，引起管道破裂，甚至整個管道系統(tǒng)的失效。2004年，對埕島油田61條海底管線調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅有5條管線未被沖刷懸空，其他管線都發(fā)生了不同程度的懸空，懸空率高達約92%[1]。管道系統(tǒng)的破壞不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，還會嚴重污染環(huán)境。因此，對海底管道狀態(tài)的科學監(jiān)測是一個重要的問題，一個實時、可靠的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)可以為管道系統(tǒng)的安全運營提供極大的幫助。

近些年，就海底管道沖刷監(jiān)測問題，許多學者進行了廣泛的研究并提出了幾種解決沖刷監(jiān)測問題的方法。金偉良等[2]提出一個具有診斷和報警功能的海底管道實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用基于布里淵時域反射理論的分布式光纖傳感器進行沿管線方向的應變和溫度的測量，并為該系統(tǒng)開發(fā)了采用自動平均模型作為統(tǒng)計工具的數(shù)據(jù)分析實用算法[3]。JOB等[4]通過加速度計測得的實際動力響應，討論自由懸空段的相關(guān)問題。YAN等[5]介紹一種基于振型曲率的海底管道懸空損傷識別和定位的方法，數(shù)值模擬結(jié)果表明這種方法具有簡便、無需基線數(shù)據(jù)的優(yōu)點。以上這些方法雖然取得了較大的進展，但學者們都是從間接測量懸空管道振動頻率的角度出發(fā)監(jiān)測懸空管道的狀態(tài)，很少有學者從直接測量的角度研究懸空長度的監(jiān)測方法。這些方法具有一定的局限性，只有當渦流引起的振動頻率與管道自振頻率相近時，才具有可行性。再者，由于傳感器需要嵌入管段，管道鋪設過程中成功連接傳感器是一件十分困難的事情。與傳統(tǒng)檢測法方法不同，本文提出基于主動加熱和分布式拉曼光纖傳感器的海底管道沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，具有直接測量和安裝方便的優(yōu)點。先前的研究[6-7]顯示：主動加熱測溫法與光纖溫度傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有巨大的潛能。

圖1 主動加熱沖刷監(jiān)測系統(tǒng)的有限元模型

為提供一種適用于管道全長的實用監(jiān)測方法，采用近年來在許多領域廣泛應用的分布式光纖傳感技術(shù)。作為分布式光纖傳感器和信息傳輸通道，全分布式光纖拉曼傳感器利用光時域反射技術(shù)測量沿管道長度方向的溫度，與其他技術(shù)相比，該技術(shù)耗費相對較低。本文的海底管道沖刷監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成：熱纜、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元。熱纜由加熱帶、分布式光纖溫度傳感器和封裝單元組成。既然自由懸空是慢性沖刷的結(jié)果，監(jiān)測沖刷就是探測自由懸空，也就是確定自由懸空的長度，即識別沙-水分界面的位置。當進行沖刷監(jiān)測時，熱纜和管道處于相同的周圍介質(zhì)環(huán)境中，泥沙和海水的傳熱方式不同，因此，通過分析加熱和冷卻過程中的溫度信息可以區(qū)分出周圍介質(zhì)是泥沙還是海水，一旦周圍介質(zhì)確定，就可以區(qū)分沙-水分界面，同時可以測得沖刷引起的裸露和懸空。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型建立

海底管道的有限元模型采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立，為方便計算，將其轉(zhuǎn)化為二維模型。懸空部分長6 m，建立于模型的中間，兩邊為泥沙覆蓋部分。水位保持0.7 m的深度，設置為靜態(tài)。該系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示。

對于瞬態(tài)熱分析，選擇4節(jié)點、二維溫度單元Plane 55建立。在復雜的海流和海底地形環(huán)境中，準確獲取沿海底管道介質(zhì)的全部熱力學參數(shù)是不現(xiàn)實的，參數(shù)的測量也不在本研究的范疇之內(nèi)，所以采用這些參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值建立模型。水、泥沙及銅質(zhì)材料參數(shù)見表1。泥沙和銅分別代表海底沉積物和主動加熱傳感帶。

表1 數(shù)值模擬所使用的材料參數(shù)

有限元模型的初始溫度設置為室溫20 ℃。模型的左邊界和右邊界認為是絕熱的，不加任何熱荷載。環(huán)境溫度與室溫相等，加載在模型的上邊界和下邊界。對流發(fā)生在泥沙和主動加熱傳感帶與水接觸的部位，對流系數(shù)從20 W/(m2·℃)到100 W/(m2·℃)不等，本研究設為20 W/(m2·℃)。為模擬加熱帶生熱的過程，生熱率加載于主動加熱傳感帶上。由于加熱帶的功率為15 W/m，除以橫截面面積(0.009 m×0.006 m)，得到生熱率為277 778 W/m3。當所有荷載都加載于有限元模型之后，模擬5 h的運行過程，其中3 h為加熱過程，剩下2 h為冷卻過程。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

為模擬系統(tǒng)的加熱過程，生熱率真加載于主動加熱傳感帶，并模擬運行3 h。圖2為系統(tǒng)部分溫度等值線分布圖。在t=10 800 s時刻，系統(tǒng)的最高溫度為89.112 ℃，分布在泥沙介質(zhì)里。水里的溫度為47.491 ℃，比泥沙低很多，分布在主動加熱傳感帶與水的交界面。沿管線方向，從水到泥沙，溫度從較低迅速升高，使得沙與水的交界面可被識別出來。值得注意的是，熱量在沙的影響范圍比水的大，原因在于對流傳熱使得熱量在水中迅速消散，而在泥沙中傳導散熱使得熱量傳遞過程較為緩慢。為模擬冷卻2 h的過程，將生熱率設置為0 W/m3，其他荷載保持不變，模型繼續(xù)運行2 h。系統(tǒng)冷卻2 h后的溫度分布如圖2 b)所示。溫度等值線形狀與加熱3 h大致相同，略有下降。沿管線方向，沙里溫度高，最高可達52.097 ℃；水里溫度低，接近初始室溫，大致為23.060 ℃。

圖2 系統(tǒng)部分溫度等值線分布圖

圖3 溫度沿管線方向的變化

加熱3 h和冷卻2 h的溫度沿管線方向的變化如圖3所示，可以看出：泥沙與水之間的溫度值具有明顯的差別，并且各自都保持比較恒定的數(shù)值。泥沙里溫度高，水里溫度低。在泥沙與水的交界面附近，溫度變化很大，足以把交界面區(qū)分出來。它們之間的溫度差可用于管道懸空識別。沿管線方向7 ～13 m部分設置為懸空段，懸空長度為6 m。在圖3中，沙與水的第1個交界面位于6 ～8 m的位置，第2個交界面位于12～14 m的位置。為安全起見，數(shù)值模擬預測的懸空位于6 ～14 m的位置，包含了7～ 13 m的實際懸空部分?？紤]安全因素，預測的懸空長度存在1 m的誤差。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在加熱和冷卻過程中，水中的溫度與沙中的溫度不同?；诰€熱源在固體和液體介質(zhì)傳熱特性方面的區(qū)別，對線熱源表面溫度變化趨勢進行分析，可以辨別出線熱源是處于固體介質(zhì)中還是處于液體介質(zhì)中，這是該沖刷監(jiān)測系統(tǒng)設計的基本原理。數(shù)值模擬驗證了基于主動加熱式的海底管道沖刷監(jiān)測技術(shù)是一項可行的沖刷監(jiān)測技術(shù)。

2 試驗研究

2.1 試驗設備及參數(shù)

為進一步驗證該技術(shù)在實際應用中的可行性，在大連理工大學結(jié)構(gòu)智能實驗室進行了該試驗。在本次研究中，工業(yè)光纜作為系統(tǒng)中的熱纜，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，光纜的參數(shù)見表2。

圖4 光纜結(jié)構(gòu)示例

表2 光纜參數(shù)

由于拉曼分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)由3部分組成：熱纜、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元，因此監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在試驗中，鎧裝光纜作為主動加熱傳感單元，光纜內(nèi)部的鋼絲作為加熱帶，施加恒定電壓使鋼絲釋放熱量。該試驗在一個大型水桶中進行。用飽和泥沙填充水桶至600 mm高，用于模擬管道被海底沉積物覆蓋的環(huán)境，然后加水至1 200 mm高，用于模擬管道懸空，將光纜螺旋布設在泥沙和水中，如圖6所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)

圖6 光纜螺旋布設

設置了3組試驗，在每組試驗中，布設在泥沙中的光纜長度均為6 m且不改變其位置，在水中的光纜長度分別為4 m、6 m、8 m，每組試驗做3個循環(huán)，每個循環(huán)先常溫采集數(shù)據(jù)5 min，然后加熱30 min，冷卻15 min。在加熱過程中，電壓保持15 V不變，通過電流計測得電流為6.92 A，加熱功率為2.595 W/m，除以鋼絲橫截面面積，得到生熱率為1 652 028 W/m3。試驗室搭建如圖7所示。

圖7 試驗室搭建

2.2 試驗結(jié)果及討論

由于需要對光纖全長進行掃描，監(jiān)測過程將耗費一定時間，因此采樣時間間隔設定為60 s。另外，對光纖掃描，采集到的數(shù)據(jù)不是連續(xù)的，DTS 8000的采樣間隔為0.2 m，實際采集到的數(shù)據(jù)是沿光纖每隔0.2 m的點的溫度。試驗開始后，采集儀器只能采集到中間38 m范圍內(nèi)的信息，裸露長度4 m時的監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 裸露4 m時監(jiān)測結(jié)果

各區(qū)間的環(huán)境介質(zhì)見表3。

表3 不同區(qū)間的環(huán)境介質(zhì)

由于光纜材質(zhì)的不均勻性，即使處于同一種介質(zhì)中，各測點的溫度也不完全相同，故圖8 a)的曲線呈現(xiàn)波浪式分布，可以看出：在加熱和冷卻過程中，不同介質(zhì)中的測點溫度明顯不同，在空氣中溫度最高，其次在是沙中，在水中溫度最低。在不同介質(zhì)分界面處，溫度變化明顯，可以輕易分辨不同介質(zhì)以及介質(zhì)的分界面位置。18～26 m各測點的溫度時程曲線如8 b)所示，可以看出：在室溫狀態(tài)下，處于泥沙中的各測點溫度高于水中；在加熱過程中，處于水中各測點溫度在升高到一定值后基本保持不變，而處于沙中各點溫度以增長率降低的方式持續(xù)升高，且沙中各點溫度始終高于水中，并具有明顯的分界面?？紤]到不同介質(zhì)中初始溫度不同可能對加熱和冷卻過程中溫度變化曲線帶來差異，影響介質(zhì)識別結(jié)果，以溫度增量ΔT為參考量，懸空4 m時的監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 裸露4 m時溫度增量監(jiān)測結(jié)果

比較圖8和圖9可知：溫度監(jiān)測結(jié)果與溫度增量結(jié)果具有一致性。因此，本文在對不同懸空長度的監(jiān)測結(jié)果進行分析時，以溫度增量為參考量。

從圖8 a)和圖9 a)可以看出：不同介質(zhì)具有清晰的分界面，在分界面處，兩側(cè)溫度變化明顯，能夠快速識別周圍環(huán)境介質(zhì)。懸空長度為6 m或8 m時具有類似的結(jié)果。不同懸空長度時的監(jiān)測結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10 b)和圖11 b)為分界面兩側(cè)不同介質(zhì)中的溫度時程曲線，可以看出：4組試驗的沙-水分界面位置始終在21.37 m處保持不變，該處溫度時程曲線形成明顯的分界線，處于泥沙中的各測點溫度均高于分界線，處于水中各測點的溫度均低于分界線。

圖10 裸露6 m時監(jiān)測結(jié)果

圖11 裸露8 m時監(jiān)測結(jié)果

從圖9 a)、圖10 a)和圖11 a)可以看出：沿光纜長度方向存在3個分界面，分別為空氣與水、水與沙、沙與空氣的分界面。水與沙的分界面始終在21.37 m處保持不變，沙與空氣分界面位置保持27.95 m不變，只有空氣與水分界面的位置逐漸移動，移動距離分別為2.05 m和1.85 m，雖然與試驗設置的2 m間隔存在誤差，但誤差較小，在長距離沖刷懸空監(jiān)測中可忽略。由于分界面兩側(cè)溫度不同，存在軸向溫度傳遞，因此距離分界面最近點的溫度與同介質(zhì)中其他各部分的溫度存在較大差異。不同懸空長度的試驗結(jié)果見表4。

表4 不同懸空長度的試驗結(jié)果

從表4可以看出：在懸空長度不同時，監(jiān)測誤差很小且始終低于0.2 m,即誤差均控制在儀器采樣距離間隔之內(nèi)，水與沙、沙與空氣的分界面始終保持不變，也說明了該監(jiān)測方法的穩(wěn)定性。由此可知：用光纜作為主動加熱傳感單元是可行的，且能取得良好的結(jié)果，證明了光纜用于介質(zhì)識別的可行性，即利用光纜可以實現(xiàn)海底管道的沖刷懸空監(jiān)測。

3 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有研究的基礎上，利用拉曼測溫技術(shù)對海底管道的沖刷監(jiān)測進行了更深入的研究，得到如下結(jié)論：

(1) 拉曼散射測溫技術(shù)可用于海底管道沖刷監(jiān)測。

(2) 鎧裝光纜作為主動加熱傳感單元進行海底管道沖刷懸空監(jiān)測，整體性好，便于實現(xiàn)工程安裝 。

(3) 試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠準確地識別介質(zhì)分界面，且具有良好的穩(wěn)定性，即拉曼散射測溫技術(shù)能夠準確地識別管道的沖刷懸空狀態(tài)。

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