王花平，馮思遠(yuǎn)，景 鑫，弓翔舒，李齊明

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)能源需求的增長(zhǎng)，深海資源開(kāi)發(fā)與西氣東輸?shù)戎卮竽茉垂こ掏苿?dòng)了油氣管道的大量建設(shè)。例如，南海油氣資源的開(kāi)發(fā)逐步拓展到3 000 m左右的深海，立管大量投入使用，油氣管道造價(jià)成本極高。海管在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受到海水腐蝕和海沙沖蝕作用[1-2]以及內(nèi)外壓力引起的屈曲影響[3-5]，局部位置易產(chǎn)生裂縫和孔洞損傷，引發(fā)泄漏事故。由于海底管道特殊的地理位置和在石油開(kāi)采中的重要作用，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害[6]。因此，采取有效的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)方法掌握深海輸油氣管的幾何形態(tài)對(duì)于研究海管應(yīng)力分布和損傷狀態(tài)、及時(shí)進(jìn)行損傷診斷和狀態(tài)評(píng)定意義重大[7-8]。

目前廣泛使用的海底管道檢測(cè)方法(如漏磁檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、智能清管球、水下機(jī)器人等)[9-13]對(duì)提高海底管道安全起到了重要作用。然而，這些技術(shù)主要側(cè)重定期損傷診斷且檢測(cè)范圍覆蓋面有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)或連續(xù)監(jiān)測(cè)成本高，難以滿足深幾十至幾百m的海域管道日常檢查和維護(hù)[14]。此外，這些技術(shù)較難預(yù)測(cè)海管的薄弱或缺陷位置，不能結(jié)合定期數(shù)據(jù)對(duì)海管安全狀態(tài)進(jìn)行合理評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)[15]。

光纖傳感技術(shù)因?yàn)槠浣^對(duì)測(cè)量、耐腐蝕、防火防爆、長(zhǎng)期穩(wěn)定、靈敏度高、幾何形狀多方適應(yīng)性、體積小、質(zhì)量輕、精度高、易于集成組網(wǎng)等特點(diǎn)[16-18]被逐步應(yīng)用于海底管道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別[19-23]。X. Feng等[24]通過(guò)利用BOTDA原理的分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)海底管道的橫向應(yīng)變和屈曲的發(fā)生擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)以診斷海管結(jié)構(gòu)的完整性；張曉威等[25]利用分布式光纖監(jiān)測(cè)進(jìn)行泄漏液體與周圍介質(zhì)溫度的研究；R. Bernini等[26]驗(yàn)證了沿軸向反向布置3條120°的分布式光纖傳感器能夠?qū)艿赖穆菪冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)；尉婷[27]研究了一種基于布里淵光時(shí)域分析(Brillouin optical time domain analysis，BOTDA)的光纖漏油傳感器，在1 min內(nèi)發(fā)現(xiàn)小規(guī)模漏油；Z. C. Wang等[28]提出了一種基于FBG固有頻率變化率加權(quán)的強(qiáng)化損傷指標(biāo)，用于檢測(cè)和定位管道中的裂紋。由此可見(jiàn)：隨著監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和泄漏檢測(cè)可視化軟件的不斷完善，許多以檢測(cè)光強(qiáng)、光柵反射波長(zhǎng)變化以及油敏材料為基礎(chǔ)的光纖漏油傳感器[27,29]被研發(fā)，但是這些傳感器的工作前提是管線的破壞泄漏，無(wú)法實(shí)現(xiàn)薄弱位置預(yù)警。此外，這類分布式和準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)均采用外貼式或纏繞式光纖傳感器件，與海管表面的一致性程度不高，易出現(xiàn)界面剝離現(xiàn)象，且對(duì)于光纖傳感器的保護(hù)不夠完善，使得有效的監(jiān)測(cè)時(shí)間縮短。由于二氧化硅材質(zhì)的裸光纖光柵抗彎折能力弱[30]，須采用可靠的封裝保護(hù)措施以確保其在海管結(jié)構(gòu)測(cè)試中的成活率、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性。同時(shí)，封裝保護(hù)帶來(lái)的應(yīng)變傳遞誤差，需要根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)變傳遞理論進(jìn)行修正，以確保測(cè)量的準(zhǔn)確有效性[31-32]。

因此，本文提出了一種海管結(jié)構(gòu)變形長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)監(jiān)測(cè)的工程化FBG傳感器，其核心是通過(guò)高彈性硅橡膠材料將FBG封裝形成圓柱體，再利用高彈性硅橡膠材料將內(nèi)嵌FBG的圓柱體沿海管縱向呈半圓型澆筑，通過(guò)二次封裝成型設(shè)計(jì)增加傳感器與海管基體之間的界面接觸面積，從而避免大變形過(guò)程中發(fā)生界面剝離導(dǎo)致的測(cè)量失效。這種封裝材料和工藝能有效通過(guò)減敏方式提升光纖光柵串感知海管結(jié)構(gòu)大變形的能力，同時(shí)自身的超彈性特征也決定其在傳遞變形中不易受損，能將基體變形有效傳遞到光纖光柵感知元件[33]。其中，根據(jù)應(yīng)變傳遞理論對(duì)由封裝保護(hù)引入的應(yīng)變傳遞誤差進(jìn)行修正。然后，通過(guò)管道結(jié)構(gòu)應(yīng)變-曲率之間的定量關(guān)系獲取海管多點(diǎn)曲率信息，輔以曲面重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)海管形態(tài)的輸出。

1 基于FBG測(cè)量應(yīng)變信息的海管形態(tài)重構(gòu)機(jī)理

1.1 FBG測(cè)試原理

FBG是一種將折射率的系統(tǒng)變化通過(guò)周期性的強(qiáng)紫外光模式寫入單模光纖的纖芯中，產(chǎn)生一種反射某些波長(zhǎng)的光并傳輸其他波長(zhǎng)光的光學(xué)傳感元件。當(dāng)光柵周期約為輸入光波長(zhǎng)的一半時(shí)，在每個(gè)周期性折射變化中的所有反射光信號(hào)都相干地合并成一個(gè)反射率高的特定波長(zhǎng)。這種在布拉格條件下產(chǎn)生的波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)。其他相位不匹配的波長(zhǎng)信號(hào)基本全部透射過(guò)去，因此，滿足布拉格條件的波長(zhǎng)會(huì)受到影響并強(qiáng)烈反射。FBG的典型輸出反射光譜如圖1所示[23]。中心布拉格波長(zhǎng)可以表示為

圖1 FBG傳感元件的工作原理

λB=2neff(ε,T)Λ(ε,T)

(1)

式中：λB為FBG的中心波長(zhǎng)；neff為有效折射率；Λ為光柵周期。

FBG的中心波長(zhǎng)變量與應(yīng)變和溫度變化的響應(yīng)關(guān)系可以表示為

(2)

式中：kε和kT分別為應(yīng)變和溫度敏感系數(shù)，且kελB值約為1.2 pm/με。

本文通過(guò)FBG對(duì)應(yīng)變和溫度的響應(yīng)及海管應(yīng)變和曲率的關(guān)系，建立了中心波長(zhǎng)變量與圓曲率半徑的關(guān)系。

1.2 形態(tài)重構(gòu)算法

海管結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)的基本思路是利用FBG測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)變的基本原理及海管結(jié)構(gòu)變形和曲率之間的幾何關(guān)系構(gòu)建波長(zhǎng)變量與海管曲率之間的關(guān)系，再通過(guò)幾何坐標(biāo)換算，由測(cè)量得到的海管曲率重構(gòu)海管結(jié)構(gòu)形態(tài)。其中，一維形態(tài)重構(gòu)算法建立過(guò)程中涉及的主要推導(dǎo)步驟如下：定義海管平直狀態(tài)為初始狀態(tài)，在外界荷載作用下其可能發(fā)生如圖2(a)所示的彎曲狀態(tài)；建立坐標(biāo)系，沿管道軸線方向?yàn)閤軸，管道截面內(nèi)建立yoz直角坐標(biāo)系；在彎曲過(guò)程中海管結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，取微段dx進(jìn)行分析，并將其近似等效為圓弧段。當(dāng)在微圓弧段內(nèi)發(fā)生dθ夾角(即對(duì)應(yīng)微圓弧段切線轉(zhuǎn)角)時(shí)，如圖2(b)所示，由幾何關(guān)系可知海管底部拉應(yīng)變：

(3)

式中：hc為海管直徑；ρ(x)為曲率半徑。

對(duì)于一個(gè)截面而言，在其位置確定后，該處的曲率也就確定了，故ρ只為x的函數(shù)。在確定的截面內(nèi)，應(yīng)變?chǔ)?x)與光纖在海管橫截面布設(shè)的深度有關(guān)，且布設(shè)深度通常為定常數(shù)值。

(a)曲線變形形態(tài) (b)圓曲線微段變形圖2 海管變形與曲率之間的力學(xué)模型

對(duì)于圓弧，曲率與曲率半徑之間存在倒數(shù)關(guān)系，即曲率：

(4)

將其代入式(1)，可以得到應(yīng)變與曲率之間的關(guān)系：

(5)

忽略溫度影響作用，根據(jù)式(2)和式(5)可以建立FBG波長(zhǎng)變量值與海管曲率之間的定量關(guān)系。

由于研發(fā)的FBG傳感器將用于運(yùn)營(yíng)中的海管，需要考慮溫度影響，因此，需要對(duì)FBG傳感器做溫度補(bǔ)償處理。具體方法是附加一根不受力的準(zhǔn)分布式FBG感知元件測(cè)量多點(diǎn)溫度信息，即ΔλBf/λBf=kTΔT，從而可以得出式(2)中kTΔT項(xiàng)引起的波長(zhǎng)增量，去掉該項(xiàng)即可獲得消除溫度影響的測(cè)量結(jié)果。因此，考慮溫度影響的FBG波長(zhǎng)變量值與海管曲率之間的定量關(guān)系為

(6)

式中：λB和ΔλB分別為受力FBG的中心波長(zhǎng)和波長(zhǎng)增量值；λBf和ΔλBf分別為自由FBG的中心波長(zhǎng)和波長(zhǎng)增量值，僅反映溫度影響。

在已知起點(diǎn)和每一段圓弧微段曲率值的情況下，可以根據(jù)幾何坐標(biāo)變換遞推出整個(gè)圓弧段的曲線方程。如圖3所示，將整段圓弧曲線看成是由相等的圓弧微段S以不同的曲率構(gòu)成，則該圓弧曲線的遞推方法如下：

圖3 曲率重構(gòu)曲線的數(shù)學(xué)模型

(7)

θ0在圖示情況(逆時(shí)針為正)為-π/2。θ1=θ0+Δθ=θ0+s/ρ1，可得P1點(diǎn)的坐標(biāo)(P1x，P1y),當(dāng)θ=θ1時(shí)：

(8)

(9)

聯(lián)立式(8)和式(9)可得點(diǎn)O2的坐標(biāo)：

(10)

(11)

(12)

θi=θi-1+Δθ=θi-1+s/ρi。式(12)即為圓弧段方程的遞推公式，利用該公式可以求出圓弧段方程，將海管形態(tài)曲線畫出。

2 適應(yīng)海管結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的光纖傳感器研發(fā)

2.1 FBG傳感器封裝設(shè)計(jì)

海管結(jié)構(gòu)在受到外界流體振動(dòng)、輸送介質(zhì)的沖刷摩擦或腐蝕作用后，易發(fā)生局部開(kāi)裂、大變形或穿孔，因此，需要研發(fā)適應(yīng)長(zhǎng)距離海管大應(yīng)變、曲率和分布式變形監(jiān)測(cè)的系列光纖傳感器?？紤]海管作業(yè)的連續(xù)性和長(zhǎng)期性，在滿足測(cè)量物理量的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)傳感器的耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，在前期工程化光纖傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用應(yīng)變傳遞理論對(duì)面向海管結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的光纖傳感器進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)、測(cè)量標(biāo)定和誤差修正。因此，設(shè)計(jì)了一種硅橡膠封裝FBG傳感器，用來(lái)測(cè)量海管結(jié)構(gòu)應(yīng)變和反演海管曲率。傳感器的設(shè)計(jì)模型如圖4所示。

圖4 光纖傳感器設(shè)計(jì)圖

FBG的封裝材料需要具備超彈性、高黏性、物理化學(xué)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定、耐腐蝕等特征，因此，選用超彈性硅橡膠材料作為封裝層，如圖5(a)所示。該種硅橡膠材料包含催化劑與液體硅膠，并按體積比1∶10配比攪拌，常溫固化24 h后成型。該材料具有透明、常溫固化、黏性強(qiáng)、固化后彈性好等特點(diǎn)，在固化過(guò)程中易于精確定位FBG。準(zhǔn)分布式測(cè)試的FBG串和單點(diǎn)測(cè)量的FBG傳感元件(圖5(b))被選用，用于對(duì)比參照分析。二氧化硅材質(zhì)的FBG傳感元件抗彎剪性能較差，因此，在封裝成型過(guò)程中應(yīng)盡量避免其受彎折。

(a)硅橡膠封裝材料 (b)多點(diǎn)和單點(diǎn)測(cè)試用FBG圖5 相關(guān)的光纖傳感元件

2.2 FBG傳感器研制過(guò)程及成品

該種硅橡膠封裝FBG傳感器研制過(guò)程的主要步驟如下：首先，用透明膠將玻璃管模具的一端采用薄橡膠膜密封，并在橡膠膜底部鉆孔，用于定位光纖引出線和固定白套管；其次，將帶有白套管的FBG穿入玻璃管中，白套管穿過(guò)底部薄橡膠膜，調(diào)整光纖位置使FBG在預(yù)設(shè)點(diǎn)，并將光纖兩端固定使其不能在玻璃管內(nèi)滑動(dòng)；然后，將按比例調(diào)配的透明液態(tài)硅橡膠澆筑到玻璃管中，蓋滿玻璃管模具底部，高度約為2 cm，待其在室溫20 ℃左右時(shí)初凝大概4 h后，再將液態(tài)硅橡膠分批次間隔約2 h(避免凝固后的硅橡膠夾雜氣泡，影響測(cè)量)澆筑到玻璃管，直到注滿玻璃管；最后，在頂部光纖引出線處穿入白套管，在硅橡膠柱和光纖之間形成過(guò)渡層以保護(hù)光纖，在晾置48 h后澆筑的硅橡膠全部凝固后可以進(jìn)行脫模，即傳感器研制完成。

當(dāng)室溫較低時(shí)(如冬天)，該硅橡膠凝固時(shí)間會(huì)成倍增長(zhǎng)，因此，建議在室溫不低于15 ℃的環(huán)境下開(kāi)展該傳感器的研制。當(dāng)玻璃管較長(zhǎng)時(shí)(如達(dá)到50 cm)，需要分批次澆筑的同時(shí)還要分段(如一段長(zhǎng)10 cm)，等各段分別凝固后再澆筑下一段，其中間隔時(shí)間最好延長(zhǎng)到1 d(因?yàn)樵撃z水凝固需要氧氣攝入，完全密封時(shí)其不固化)。固化過(guò)程中，需要定期觀察FBG的位置是否發(fā)生移位，并適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，確保其在預(yù)設(shè)位置。

將研制的光纖傳感器與光纖跳線用光纖熔接機(jī)熔接，測(cè)定光損(若光損過(guò)大則應(yīng)重新熔接)，最后在熔接位置外部封上一層塑料保護(hù)套。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不同測(cè)量需求，分別制作了用于單點(diǎn)和多點(diǎn)測(cè)試的FBG傳感器，如圖6所示。

圖6 傳感器試樣成品圖

2.3 封裝的FBG傳感器界面性能測(cè)試

為檢測(cè)硅橡膠封裝FBG傳感器的界面性能和變形傳遞情況，對(duì)其做拉伸和極限變形實(shí)驗(yàn)，如圖7(a)所示。測(cè)試中，內(nèi)嵌FBG元件感知應(yīng)變較硅橡膠柱的實(shí)際變形小，其原因可能是剛性FBG和柔性硅橡膠材質(zhì)不同引發(fā)的應(yīng)變傳遞誤差[33]。由極限變形測(cè)試得到大變形下內(nèi)嵌光纖的硅橡膠柱如圖7(b)所示，硅橡膠變形還未完全恢復(fù)，先恢復(fù)變形的光纖將其周圍的硅橡膠柱拉出鋸齒狀，即光纖和硅橡膠的粘結(jié)界面狀態(tài)穩(wěn)定。因此，采用該種硅橡膠材料能較好地約束光纖，避免了硅橡膠柱和光纖之間界面滑移引發(fā)的測(cè)試失效問(wèn)題。最后，根據(jù)硅橡膠柱的拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到力-位移曲線，如圖8所示。進(jìn)一步根據(jù)材料理論，得到該硅橡膠材料的彈性模量E約為1.32 MPa。

圖8 硅橡膠柱受拉伸作用的力-位移曲線

3 封裝的FBG傳感器感知性能實(shí)驗(yàn)

采用不同圓弧半徑的圓盤對(duì)所研發(fā)的FBG傳感器施加彎曲變形，如圖9(a)、(b)所示，以檢測(cè)該傳感器的感知性能。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用Optical system 200設(shè)備解調(diào)FBG感知信號(hào)，如圖9(c)所示。利用記錄的不同工況下波長(zhǎng)變量，根據(jù)式(2)建立波長(zhǎng)與應(yīng)變之間的關(guān)系。由于測(cè)試時(shí)間較短，且實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，溫度計(jì)測(cè)量顯示溫度場(chǎng)基本不變，因此，忽略溫度影響。然后，根據(jù)式(5)得到曲率變化，結(jié)合式(12)和初始點(diǎn)坐標(biāo)值，可以構(gòu)建波長(zhǎng)-應(yīng)變-曲率-曲線的定量關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)基于FBG監(jiān)測(cè)信息的海管結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)。

圖9 硅橡膠封裝FBG傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)多次測(cè)量獲得圓曲率半徑分別為6、8、12、16 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的FBG傳感器中心波長(zhǎng)變量，并對(duì)其取平均值，分別得到對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)增量，如圖10所示。由于測(cè)量時(shí)間較短且在室內(nèi)進(jìn)行，可以近似認(rèn)為測(cè)量過(guò)程中溫度場(chǎng)恒定，忽略溫度因素影響。實(shí)際工程測(cè)試中，則需要考慮溫度補(bǔ)償措施，以提升測(cè)量的準(zhǔn)確性。由圖10可知，曲率半徑越小，硅橡膠圓柱體變形越大，引起的中心波長(zhǎng)增量也越大，符合力學(xué)規(guī)律。即該FBG傳感器可用于曲率測(cè)量。

圖10 多次測(cè)量平均的中心波長(zhǎng)增量與圓曲率半徑的關(guān)系

4 工程化應(yīng)用的圓曲率半徑反演計(jì)算和曲線重構(gòu)

根據(jù)前期試驗(yàn)，采用較薄的封裝層，彎曲變形中FBG極易與管壁結(jié)構(gòu)發(fā)生剝離，導(dǎo)致測(cè)試失效。因此，在研發(fā)用于海管工程測(cè)試的FBG傳感器時(shí)，封裝層需具備一定厚度，由此引入應(yīng)變傳遞誤差。即在確保傳感器有效測(cè)量的前提下，通過(guò)應(yīng)變傳遞理論修正誤差提升測(cè)量精度，是工程化光纖傳感器的最優(yōu)平衡措施。該現(xiàn)象等效于柔性材料封裝帶來(lái)的減敏效應(yīng)。實(shí)際工程中，這種封裝減敏措施可以有效提升FBG傳感器的測(cè)量范圍和使用壽命。根據(jù)應(yīng)變傳遞理論[23,33-34]可知：當(dāng)封裝的硅橡膠材料越厚、剛度越小時(shí)，應(yīng)變傳遞效率越低。在設(shè)計(jì)的傳感器中，柔性硅橡膠的彎曲變形僅有部分傳遞到FBG，使得FBG感知變形較小，因此，需要對(duì)這種由工程化應(yīng)用封裝設(shè)計(jì)引入的應(yīng)變傳遞誤差進(jìn)行修正。

根據(jù)課題組前期基礎(chǔ)應(yīng)用研究[34]可知：對(duì)于該傳感器的應(yīng)變傳遞誤差修正，可以采用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取修正系數(shù)或通過(guò)應(yīng)變傳遞理論分析建立修正系數(shù)表達(dá)式。根據(jù)已有的埋入式應(yīng)變傳遞理論模型分析結(jié)論，引入應(yīng)變傳遞關(guān)系式：

(13)

式中：Gp為硅橡膠的剪切模量，由測(cè)量的彈性模量換算，取值為0.51 GPa；Ef和rf分別為光纖的彈性模量和半徑，取值見(jiàn)參考文獻(xiàn)[34]；rp為硅橡膠封裝層的半徑，rp為2 mm；L為粘貼長(zhǎng)度的一半，L為5 cm。

在粘貼長(zhǎng)度范圍內(nèi)取平均值，可以得到平均應(yīng)變傳遞系數(shù)：

(14)

將傳感模型的相關(guān)參數(shù)代入式(13)、式(14)，可得平均應(yīng)變傳遞系數(shù)約為0.05。因此，根據(jù)修正后的測(cè)量值，分別計(jì)算出圓曲率半徑為5.95、9.42、11.34、20.76 cm。修正后的測(cè)量圓曲率半徑和實(shí)際圓曲率半徑對(duì)比如圖11所示。曲率半徑較小、變形較大時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確性較高。測(cè)量誤差可能是以下因素綜合影響的結(jié)果：傳感器研發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)BG傳感器沿圓柱體軸向位置的精確固定；硅橡膠柱固化成型過(guò)程中環(huán)境溫度的恒定，環(huán)境溫度的改變會(huì)影響成型后硅橡膠柱的模量參數(shù)，分段等時(shí)間間隔成型可能引起封裝柱材料性能的不完全均勻，直接反映在測(cè)量過(guò)程中局部測(cè)點(diǎn)的偏離。因此，在改進(jìn)應(yīng)用研究過(guò)程中，需要對(duì)這2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行較完善的調(diào)控，以期消除或減小后期測(cè)量誤差。

圖11 測(cè)量數(shù)據(jù)擬合的圓曲率半徑與實(shí)際圓曲率半徑

綜合可知：該傳感器的應(yīng)變感知性能正常，測(cè)量值較符合力學(xué)規(guī)律；較真實(shí)的圓曲率半徑反演計(jì)算需要考慮應(yīng)變傳遞誤差，通過(guò)修正方式獲取。

該傳感器監(jiān)測(cè)海管形態(tài)的安裝布置見(jiàn)圖12，F(xiàn)BG以等間距2L布置在管道外壁。結(jié)合FBG的應(yīng)變感知原理，并考慮海管變形多層傳遞特征和柔性硅橡膠封裝圓柱體的力學(xué)特性，F(xiàn)BG的安裝位置易在遠(yuǎn)離管道壁一側(cè)，如圖12(a)所示，使得大部分FBG測(cè)點(diǎn)處于受拉狀態(tài)感知海管變形。考慮海管運(yùn)營(yíng)中溫度場(chǎng)隨日夜交替和季節(jié)變換的變化，需要在硅橡膠封裝的FBG傳感器中設(shè)置一根不受力FBG串用于感知溫度信息。如圖12(b)所示，將內(nèi)嵌FBG串的白套管澆筑在圓柱體中心位置處，在白套管內(nèi)的自由FBG串將僅感知溫度變化。同時(shí)，根據(jù)式(6)可以計(jì)算出考慮溫度影響的海管曲率。根據(jù)該準(zhǔn)分布式FBG傳感器測(cè)量的每段圓弧s的曲率半徑，結(jié)合初始點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)式(12)重構(gòu)出海管形態(tài)。

圖12 準(zhǔn)分布式FBG傳感器測(cè)量海管形態(tài)示意圖

準(zhǔn)分布式FBG傳感器的探頭長(zhǎng)度及單根光柵串上FBG的個(gè)數(shù)與被測(cè)海管結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(如海管長(zhǎng)度)直接相關(guān)。考慮到單個(gè)FBG失效易引發(fā)整根光柵串所覆蓋的全局測(cè)試失效問(wèn)題，單根光柵串上的FBG數(shù)量不易太多，建議在20以下。當(dāng)單根光柵串上FBG數(shù)量有限、不能覆蓋海管被測(cè)區(qū)域時(shí)，可以考慮采用2根或多根光柵串，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)試。根據(jù)布設(shè)在海管外壁的準(zhǔn)分布式FBG傳感器測(cè)量獲得的準(zhǔn)分布式曲率信息，利用重構(gòu)算法輸出海管服役過(guò)程中的實(shí)時(shí)響應(yīng)形態(tài)。結(jié)合設(shè)計(jì)值和服役期海管多維形態(tài)信息的變化，診斷海管是否發(fā)生局部塑性變形或屈曲等損傷，并評(píng)估海管損傷程度和制訂修復(fù)建議，以維護(hù)海管結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)。

5 結(jié)論

本文利用光纖傳感器技術(shù)，根據(jù)波長(zhǎng)-應(yīng)變-曲率-曲線的關(guān)系建立海管結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)的算法，通過(guò)硅橡膠材料封裝FBG構(gòu)建減敏型FBG傳感器，以適應(yīng)海管結(jié)構(gòu)變形的長(zhǎng)期穩(wěn)定耐久測(cè)試。其中，由封裝保護(hù)帶來(lái)的應(yīng)變傳遞誤差通過(guò)相關(guān)前期研究理論公式進(jìn)行修正。由基礎(chǔ)拉伸破壞試驗(yàn)和曲率感知性能試驗(yàn)分析結(jié)果可知：研發(fā)的傳感器具備符合海管變形監(jiān)測(cè)需求的感知性能和界面粘結(jié)性能，可用于海管服役過(guò)程中變形監(jiān)測(cè)和形態(tài)重構(gòu)。該基礎(chǔ)應(yīng)用研究為海管的服役性能評(píng)定、局部損傷維護(hù)和大變形屈曲損傷引發(fā)的海管更換提供了關(guān)鍵性的技術(shù)和器件支持，可以間接延長(zhǎng)其安全服役壽命。