基于光纤应变测量技术的管道泄漏监测及定位研究

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。

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。

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

蒙皮应变监测是临近空间巨型柔性浮空器健康监测的重要组成部分，对临近空间浮空平台的安全运行起到预警作用，而国内外尚无成熟的在线监测方法。已有的蒙皮在线监测系统大多采用电阻应变片或者压电材料等电测法，在实际应用中还存在一定不足。本项目以临近空间巨型柔性浮空器蒙皮作为研究对象，通过表面粘贴式光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，对蒙皮应变监测的理论方法进行研究。具体内容包括：建立粘贴式FBG普适结构应变传递理论模型；在普适模型的基础上分别建立蒙皮轴向大应变、平面应变及弯曲应变下粘贴式FBG应变传递理论模型；综合三种理论模型建立蒙皮组合应变下粘贴式FBG传感器应变传递理论模型；通过蒙皮应变监测试验验证所获得的应变传递理论模型。本项目旨在揭示用于蒙皮应变监测的粘贴式FBG应变传递机制，为临近空间巨型柔性浮空器蒙皮健康监测系统的设计奠定理论和技术基础。