基于光纤光栅应变箍传感器的管道腐蚀和泄漏监测研究

近年来，管道事故频发，因此管道健康监测技术对于及时了解管道安全运营状态，确保国民经济和人民生命财产安全具有重要意义。随着新型材料、新型传感器的不断发展，各种管道检测及监测技术应运而生。本课题提出一种利用环向应变进行管道腐蚀监测以及管道泄漏定位的方法，同时，为了测量管道环向平均应变，开发了一种光纤光栅应变箍传感器。围绕上述监测理论及传感技术，主要进行了以下几方面的研究工作： 管道腐蚀引起的壁厚减小和管道泄漏引起的压力突降均会使管道环向应变发生变化。通过有限元软件分析了管道环向平均应变对于局部腐蚀的敏感性，表明环向平均应变测量相比于单点测量对于管道腐蚀评价更有优势。本文通过钢管道模型和PVC管道模型分别进行了腐蚀和泄漏模拟试验，验证了文中提出方法的有效性。而基于环向应变的管道泄漏监测方法中，包括用于常规泄漏量的负压波时间差定位法，以及用于泄漏量较小情况的负压波能量衰减定位法。 为满足管道环向应变监测要求，开发了一种光纤光栅应变箍传感器，可用于监测管道的环向平均应变进而评价管道腐蚀程度，且具有监测泄漏过程所引起的环向应变动态变化的能力。对自行研制封装的光纤光栅应变箍传感器进行了灵敏度、稳定性等方面的测试，测试结果表明这种传感器性能良好，适合用于管道的安全测量。设计中还包括一种应变箍传感器夹持系统，通过这种系统安装固定应变箍传感器，可使其与管道结构保持一致变形，提高测量灵敏度。 利用特征线法，分析了管道泄漏后达到稳定状态时，管道沿线的环向应变分布。结合BP神经网络，提出了一种基于管道沿线稳态环向应变分布的管道泄漏定位方法。分析比较了不同环向应变测点数量、隐含层节点数量时，该定位方法对于管道泄漏位置判断的准确率，获得了最优化的神经网络预测结构。同时，还通过叠加干扰信号证明了该方法对噪声干扰具有较好的抑制能力。 由于环向应变测点布置灵活，通过布设一定数量的环向应变测点，可使管道的目标检测泄漏量的限值大幅降低。本文利用数学模型分析了管道泄漏发生后的负压波能量衰减规律，并提出基于环向应变的管道泄漏定位方法中，使用环向应变可检半径来确定环向应变测点间距的方法，以满足对于不同目标检测泄漏量的要求。 2100433B

研究腐蚀缺陷对埋地管道安全输送的影响和管道泄漏监测和定位已成为埋地管道安全运行所关注的课题之一。本项目首次提出采用光纤光栅应变箍传感器沿管道环向安装在管道外壁，可以监测到由管道内部压力导致的管道外壁环向变形情况。通过长期监测环向应变变化情况可以得到埋地管道的壁厚变化状况和管道内部的压力变化情况，从而获得埋地管道的内外腐蚀程度和管道泄漏信息。本项目将研究光纤光栅应变箍传感器的增敏技术和长期可靠性问题、详细分析管道内部压力、腐蚀程度和环向应变三者的耦合关系、建立埋地管道腐蚀发展和剩余强度的力学模型、研究光纤光栅应变箍传感器所测得压力信号的降噪问题和管道泄露位置定位算法问题。本项目的完成对于提高管道安全性，降低安全隐患和运行风险，提高总体经济效益，将产生积极的推动作用。

管道是国家重要公共基础设施，其泄漏监测具有重要意义。本项目提出了基于分布式光纤应变测量信号，进行管道泄漏事故判别及泄漏定位的新技术，目前已形成了“泄漏机理→传感技术→监测算法→系统设计”的较为完整的管道泄漏监测理论和技术体系。在泄漏监测原理方面，提出利用特征线法分析管道泄漏稳态压力分布规律，结合机器学习模型计算管道泄漏位置的方法。在传感技术方面，针对前期开发的光纤光栅（FBG）管道泄漏传感器，进行结构及参数优化，提升传感器对管道泄漏监测可检泄漏量的分辨能力。在泄漏监测算法方面，针对管道泄漏事故原始数据不易获取的问题，提出利用适于小样本学习的支持向量回归（SVR）网络模型，分析管道泄漏位置与光纤应变分布的复杂非线性映射关系，并利用多种优化方法获得更高的管道泄漏定位准确率。搭建管道泄漏监测模拟试验平台，对上述相关监测技术及监测系统进行模拟试验测试。经理论和试验验证，本项目所提出的基于分布式光纤应变测量的管道泄漏监测技术，对于管道泄漏事故识别准确率高达97%。通过对真实长输管道的模拟计算，该方法对于管道沿线各泄漏点定位平均误差率低于1%，且系统具有较好的鲁棒性。同时，通过改进光纤传感器泄漏监测灵敏度，可将泄漏检测系统在管道最小可检泄漏率方面检测性能提升超过30%。本项目所研究的管道泄漏监测及定位技术，有望应用于长输油气管道、城市管网、海底管道等各类管道安全监测系统中，具有潜在的实际应用价值。 2100433B

管道泄漏监测技术对于及时了解管道安全运营状态，确保国民经济和人民生命财产安全具有重要意义。随着新型材料、新型传感器的不断发展，各种管道泄漏检测及监测技术应运而生。本项目提出了一种基于准分布式光纤应变测量技术的管道泄漏监测及定位的方法，它以负压波传播规律为基础，通过采集泄漏引起的管道沿线的应变分布信息，对管道泄漏位置进行判断。本项目将从管道泄漏的机理研究出发，给出不同泄漏情况下的泄漏定位方法，包括负压波时间差定位法，负压波能量衰减定位法及稳态应变分布模式识别法等。而高灵敏度光纤光栅传感器的研发也是本项目的重要研究分支，它决定了泄漏监测系统对于微小泄漏量的检测能力。结合本项目拟开发的管道泄漏监测软件系统，上述定位方法及传感技术均将通过管道泄漏模型试验进行验证。利用光纤传感技术开发智能管道结构也将是本项目一个潜在的技术研究工作。

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法专利目的

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》的目的是提供一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法。该方法不仅有效的保护了裸光纤光栅，而且可以改变光纤光栅的应变灵敏度，其增减敏系数可以根据封装材料的尺寸制定，满足实际工程的测量需求。增敏型应变传感器提高了光纤光栅的应变灵敏度，可以应用于应变量程小、测量精度要求高的应变测试中；而减敏型应变传感器相对降低了光纤光栅的应变灵敏度，适合于应变量程大、测量精度相对低的测量需求。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法技术方案

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》所采用的技术方案是这样实现的：传感器由光纤光栅、两个封装部件、两个夹持部件以及两个固定支点组成。其中封装部件与夹持部件均为钢管。采用胶接的方法将光纤光栅两端固定于两个封装部件内，由于胶粘剂没有直接封装光纤光栅区域，消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响；然后将两个封装部件分别置于两个夹持部件内，并使用胶粘剂粘接封装部件和夹持部件；最后使用铆固、焊接或胶接的方式将夹持部件与固定支点连接。

封装部件材料为钢管；设两个固定支点的距离为L，两个封装部件之间的光纤的长度为

其中

钢的弹性模量约为光纤的3倍，当封装钢管的截面积

L定义传感器的增减敏系数，代入式(5)可得

由式(6)可以看出，通过调整增减敏系数K的值，即

一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法有益效果

《一种光纤光栅增减敏应变传感器的封装方法》的效果和益处是，基于这种封装技术的光纤光栅应变传感器具有结构简单、受力明确、造价低廉的优点；由于胶粘剂没有直接接触光纤光栅区域，不仅消除了胶粘剂对光纤光栅应变传递的影响，而且避免了光纤光栅区域粘接不均匀带来的反射波长多峰值的现象；传感器的增减敏系数可以根据实际需要通过改变固定支点的位置来确定；通过一些辅助构件，传感器不仅可以采用铆固、焊接或胶接的方式安装于被测结构的表面，也可以埋入结构内部进行应变测量。基于这种封装方法的光纤光栅应变传感器，为大型工程结构的表面及内部应变测量提供了大应变量程和高测量精度的监测手段。