基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法

油气管道结构状态退化以及损伤缺陷的发生具有显著的时空分布不确定性。为了实时评估埋地管道的结构状态,提出一种基于分布式光纤传感器的埋地管道监测方案,建立了基于分布式监测数据的埋地管道结构状态的定量评估方法,并以某埋地燃气管道为例加以应用。结果表明:基于分布式光纤传感器的监测方案,可与埋地管道施工工艺无缝衔接,便于实际操作;分布式光纤传感器可以准确获得埋地管道弯曲应变与管体温度的时空演化行为,克服了常用点式传感器无法覆盖管道整体的局限;利用管道弯曲应变、管体温度的分布式监测数据,再辅以管道的材料、几何参数以及内压监测数据,可以实时、定量评估埋地管道的结构状态,从而为埋地管道全寿命周期结构状态的评估提供依据。     

光纤光栅传感器在大型储油罐健康监测中的应用

对大型储油罐的损伤机理和光纤光栅传感器的工作原理进行了分析,认为可以利用光纤光栅传感 器对大型储油罐进行在线实时损伤监测。通过识别和监测储油罐累积损伤的位置和发生程度,对整个储 油罐系统进行损伤评估,据此采取防治措施。需要解决的问题有:应变与温度的交叉敏感和光纤光栅传 感器的安装。     

光纤光栅传感器在大型储油罐健康监测中的应用

对大型储油罐的损伤机理和光纤光栅传感器的工作原理进行了分析,认为可以利用光纤光栅传感器对大型储油罐进行在线实时损伤监测.通过识别和监测储油罐累积损伤的位置和发生程度,对整个储油罐系统进行损伤评估,据此采取防治措施.需要解决的问题有:应变与温度的交叉敏感和光纤光栅传感器的安装.     

局部腐蚀管道的承载能力评估

根据管道在各种外载荷作用下的应力分布情况,结合有关标准,评估了局部腐蚀管道在内压、温度应力及两者联合作用下的承载能力,提出了相应的计算表达式。计算表明,当热流处于稳定状态时,局部腐蚀管道所能承受的内、外壁增温差为最小值。因此,在温度应力作用下,如果排除热冲击效应,只需考虑热流稳定状态,而不必考虑热流未稳定的瞬间状态。     

基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法北大核心

油气管道结构状态退化以及损伤缺陷的发生具有显著的时空分布不确定性。为了实时评估埋地管道的结构状态,提出一种基于分布式光纤传感器的埋地管道监测方案,建立了基于分布式监测数据的埋地管道结构状态的定量评估方法,并以某埋地燃气管道为例加以应用。结果表明:基于分布式光纤传感器的监测方案,可与埋地管道施工工艺无缝衔接,便于实际操作;分布式光纤传感器可以准确获得埋地管道弯曲应变与管体温度的时空演化行为,克服了常用点式传感器无法覆盖管道整体的局限;利用管道弯曲应变、管体温度的分布式监测数据,再辅以管道的材料、几何参数以及内压监测数据,可以实时、定量评估埋地管道的结构状态,从而为埋地管道全寿命周期结构状态的评估提供依据。     

管道振弦式应变传感器的使用性能对比

振弦式应变传感器已广泛应用于油气管道本体应力应变监测领域,但受管道运行工况、安装工艺等的影响,不同类型振弦式传感器的使用性能存在明显差异。为掌握该类传感器在油气管道应变监测中的实际使用寿命,对比监测数据误差,以点焊型和弧焊型振弦式应变传感器为研究对象,对穿越曲阜煤矿采空区的天然气管道应力状态进行连续监测,通过12年监测数据的对比分析表明：弧焊型传感器的存活率随时间线性下降,而监测数据误差呈线性增长趋势,传感器累计测量误差较大,这是由于弧焊型传感器采用防腐层安装,不能直接获取管道真实应力,且易受外界因素影响脱落所致。与弧焊型传感器相比,点焊型传感器测量数据能够真实反映管道应力应变状态,且使用寿命更长,满足持续监测对传感器最低存活率的要求。（图6,表3,参23）     

管道应力应变监测试验规程研究

管道埋设在土体中或每隔一段间距支承在支座上,且充满或部分充满液体时,应力分析因边界条件的不确定而使结果不可靠。以管道单元的状态特性(几何性质、材料性质、载荷属性、应力分析属性等)作为基本出发点,分析了危险区管道单元的轴向、环向及45°方向应力分布状况及最大主应力,并结合弹性破坏理论,对试验区管道安全状况进行了有效的评价,给出了作为试验依据和参考的基于应变测试技术的管道力学监测试验理论。     

某海底混输管道局部腐蚀原因

为了分析某海底混输管道外壁严重腐蚀的原因,采用宏观形貌观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、能谱分析及X射线衍射等手段对切割的2.2 km外壁严重腐蚀管段进行深入研究。结果表明:海底管道外壁呈现不均匀局部腐蚀形态,腐蚀方式以点蚀为主,局部伴有较深蚀坑;海底管道局部腐蚀原因是防水帽失效,使海水进入保温层,海水沿防腐层破损处渗入后与钢管表面直接接触,而钢基体中的硫化物夹杂为点蚀诱发源,由海水中的Cl-诱发并加速点蚀,部分点蚀向钢基体内部及周围扩展形成较深的蚀坑;海底管道局部腐蚀发生与发展的机理为自催化效应和氧浓差腐蚀电池,防水帽内侧盐分的浓缩进一步加剧了腐蚀进程,而防水帽对阴极保护电流有屏蔽作用,形成了封闭的腐蚀环境,使局部腐蚀难以控制。研究结果对于加强海底管道运行管理,保障海上油气田安全生产及提高开发效率具有重要意义。     

局部腐蚀油气管道失效压力的计算方法

针对管道局部腐蚀导致的失效事故越来越多,而国际上尚无适用于局部腐蚀油气管道失效压力分析评价方法的问题,验证了非线性有限元法评价局部腐蚀的可靠性,运用该方法分析了局部腐蚀半径及局部腐蚀深度对管道失效压力的影响。借鉴平板加强筋强化理论,以数值模拟数据为基础,建立了一种局部腐蚀油气管道失效压力计算方法,与B31G(修订版)、DNV-RP-F101以及新近开发的PCORRC为代表的评价规范计算结果的对比表明:拟合得到的局部腐蚀油气管道失效压力计算方法误差小,且误差分布均匀,可以满足局部腐蚀油气管道失效压力的预测要求。     

压电超声管道腐蚀检测传感器的支撑结构设计

传感器支撑结构在检测过程中的稳定性决定了检测数据的准确性,是压电超声管道腐蚀检测器结构设计的核心。针对长输管道对压电超声腐蚀检测技术的迫切需求,提出一种适用于在役管道腐蚀内检测的压电超声传感器支撑结构设计方案,并设计了三维虚拟样机。通过运动学仿真分析,该支撑结构在不同条件下均能与管壁保持良好的贴合效果。通过将传感器支撑结构在旋转试验平台的试验测试,进一步验证了结构的稳定性和设计方案的可行性。该结构设计对于压电超声管道腐蚀检测技术及装备国产化的实现具有重要意义。(图4,参21)     

滑坡多发区管道应变监测应变计安装方法

对滑坡地质灾害多发区埋地管道进行应力应变监测,是确保管道安全运行的有效手段。应变计可用于管道应力应变监测,主要包括电阻式应变片、振弦式应变计和光栅光纤式应变计,它们各自拥有不同的特点和适用条件。根据监测目的和要求,基于应用力学理论,分析管道的测点布置以及应变计在每个测点的安装位置和方向:对于只需要确定滑坡对管道是否存在影响的情况,可以在测点安装1支应变计;若只考虑管道弯曲变形,可以在90°夹角方向安装2支应变计;为了完整说明沿管道横截面的纵向应变,至少需要安装3支应变计;安装4支应变计可以得到4个独立的应变数据,从而更精确地了解管道的应变和变形情况。以国内某输气管道为例,基于其结构构造、工作条件、受力方式及现场工况,结合ANSYS有限元分析,确定了适用应变计的监测方案,并给出了监测结果。     

随钻测量井下光纤光栅传感器随机信号处理方法研究

作为一种新型传感器,光纤光栅传感器因不受电磁干扰、信号传输可靠等优点在随钻测量中得到广泛应用。由于井下参数复杂且相互耦合,FBG传感器不可避免地会受其他参数的干扰,因此需要分析各种随机信号的特征,对所测参数进行正确的估计。在分析了井下温度、压力随机信号的特征后,建立了信号估计的模型。采用有限单元分析方法对检测的温度和压力二元关系进行相互影响分析;利用小波分析和Winner参数估计等方法对钻柱振动以及各种随机噪声干扰信号进行去噪平滑处理。在仿真模拟分析基础上,获得随钻测量井下光纤光栅传感器信号处理方法。应用结果表明,这些方法能够在复杂的井下环境条件下准确获取温度压力真实值。     

分布式光纤传感器监测堤坝隐患试验研究

分布式光纤传感器以温差和应变识别为基础,依靠长距离和连续监测在堤坝形变、渗漏监测上有优势。采用水平方向分层布设的光纤,研究堤坝轴线方向不同深度的变形情况;采用竖直方向的绕曲布设和水平方向的平铺布设方式,从两个方向进行堤坝温度的监测,有效地反映出堤坝内部温度场的分布和异常变化。通过室内局部模拟测试和室外堤坝模型试验表明,分布式光纤传感器用于堤坝隐患监测方面具有良好的效果和应用前景,埋设了分布式光纤传感器的堤坝模型为进一步的堤坝隐患预警判据研究提供了试验平台。     

压电超声管道腐蚀检测传感器支撑结构振动特性

压电超声管道腐蚀检测器是一种利用超声波对长输管道进行在役腐蚀检测的内检测设备,结构合理的压电超声传感器支撑结构是管道腐蚀检测成功的前提。采用基于有限单元法的结构分析软件对支撑结构三维模型进行预应力状态下的模态分析,结果表明:预应力会使传感器支撑结构的固有频率高于自然状态下的固有频率,但更接近于结构的真实固有频率。通过支撑结构振动测试试验,验证了仿真分析的可靠性,同时发现试验结果与仿真结果的误差主要来源于仿真过程中对支撑结构模型的简化。研究结果对于压电超声管道腐蚀检测器的整机研制具有重要的参考价值。(图6,表3,参23)     

基于应变的管道强度设计方法的适用性

对比分析了基于应力和基于应变两种管道强度设计方法的实质内容、设计理念和适用性:来源于传统的材料强度理论的基于应力的管道强度设计方法是一种适用于在内压、温差等以力为控制参量的载荷作用下的弹性设计;来源于极限设计理念的基于应变的设计方法则是一种塑性设计,适用于一旦发生重大地质灾害,作用于管道上的载荷以位移作为控制参量。后者是在前者难以满足管道强度要求时采用的,是对前者的补充。提出了基于应变设计方法的适用条件及其需要注意的问题,对于我国今后在管道设计中采用该方法具有一定的指导作用。     

基于单模光纤偏芯结构的光纤折射率传感器研究

基于迈克尔逊(Michelson)干涉仪(MI)原理,结合光纤传感器的特性,设计和实现了一种单模光纤(SMF)偏芯干涉仪结构光纤折射率传感器,并针对蔗糖溶液进行了折射率的测量。实验结果表明:这种传感器的传感范围在1.33～1.39时,特征波长与外界折射率有单调的递减变化关系,蔗糖折射率每变化0.01时,特征波长平均变化约为0.12nm。这种传感器结构简单,灵敏度较高,能够实现液体折射率与浓度变化的在线检测。     

基于内检测数据的管道凹陷应变计算

针对内检测中发现的凹陷对管道结构强度的影响问题,开展凹陷应变的计算分析,以期有效指导管道凹陷的开挖验证及修复工作。总结了基于内检测数据的凹陷应变计算方法和技术路线,指出了滤波分析的必要性和可行性。依据ASME B31.8-2010的相关规定,结合实际的管道内检测数据,得到了7种典型滤波方法下的应变计算结果。通过对比应变计算结果,分析了不同滤波方法对管道凹陷数据处理及应变计算的影响和适用性。结果表明:基于管道凹陷内检测数据的应变计算技术可行,低通滤波方法对管道凹陷数据的滤波效果较好,可获得较合理的凹陷应变计算结果;低通滤波方法中,选择合适的截止频率参数对凹陷应变的准确计算至关重要,截止频率的取值与内检测信号的噪声大小密切相关。     

湿陷性黄土地区管道基于应变的设计方法

湿陷性黄土在一定条件下发生自重湿陷,将对沿途管道的安全运行产生一定影响。针对我国典型地区黄土湿陷位移计算方法,建立了湿陷性黄土地区基于管土相互作用原理的管道设计应变计算有限元模型,并提出了管道许用应变的确定方法。以新粤浙管道工程中湿陷性黄土地区埋地管道建设为例对基于应变的设计方法进行分析,得出管道应变分布与位移之间关系,为湿陷性黄土地区管道的设计与安全评价提供了依据。     

基于管道应变的应力弱磁检测模型

【目的】金属磁记忆（Metal Magnetic Memory, MMM）应力检测技术支持非接触、在线检测,在以钢制油气管道为代表对象的铁磁性材料应力损伤检测领域具有很好的应用潜力,现有研究缺乏对磁力学关系的全面分析,需要建立一套完整的磁力学关系体系,明确MMM检测信号与弹塑性阶段应力集中的对应关系。【方法】基于J-A理论,建立管道磁化强度与应变关系数值模型,计算分析管道变形过程中MMM检测信号特征,研究了应力影响下的无磁滞磁化曲线形状参数、钉扎系数对MMM信号的影响规律,并对应变与磁信号的关系开展全尺寸水压试验验证。【结果】管道在受力过程中,应变逐渐增大,磁化强度曲线在弹性变形阶段发生第1次翻转,翻转位置位于近屈服处,且随无磁滞磁化曲线形状参数的增大而提前;当管体发生塑性变形时,位错引起材料磁学特性改变,磁化强度曲线出现第2次翻转,翻转位置位于屈服点附近,且受钉扎系数影响较大,随着钉扎系数增大,翻转位置延后,翻转处应变呈2次函数减小趋势,第1次翻转与第2次翻转方向相反。【结论】利用该特征,根据磁记忆信号翻转规律与被检管道相同材料标定试验结果的相位对比分析,可判断钢制油气管道应力集中处...