CN103453844A - 一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法。本发明属于管道监测技术领域。一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，包括以下具体步骤：1)在柔性管道内植入光纤光栅传感器：首先，在光纤上预制光栅传感器；然后，柔性管道上布设预制光栅传感器的光纤；2)连接信号解调控制***：光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪；3)对柔性管道实施监测：柔性管道发生变形时，光纤光栅的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，从而得到柔性管道的变形情况，实现对管道的监测。本发明具有结构简单，监测准确，操作方便，使用寿命长，可对柔性管道实时在线监测等优点，有效保证海洋柔性管道的工作运行安全。

Description

一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法

技术领域

本发明属于管道监测技术领域，特别是涉及一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法。

背景技术

目前，海洋石油管道主要可以分为钢管和柔性管2类。柔性管具有可设计性、易弯曲、易铺设、可回收，开发更经济，更适应海洋环境等特点。其中，最突出的是弯曲柔性好，可以承受较大的弯曲变形。在边际油田开发中采用柔性管道，由于易铺设、可回收、工期短，可以显著降低工程建设及运营成本。柔性管道己经在陆地以及浅水、深水和超深水区域得到了广泛的应用，可以实现长距离、超水深、多方向的输送油气资源。现有海洋立管约85％为柔性管。

海洋柔性管道在使用的过程中，由于受到海水波动，涡激振动等环境影响，容易产生大幅的非线性振动，再加上其本身的柔性好的特点，在水中呈现大挠度，大变形的状态，所以其抗拉层的金属疲劳问题远远大于一般的钢性管道，抗拉层的金属失效风险也很大。目前，由于柔性管道越来越多的运用于深海之中，对其安全状况的监测和评估手段十分有限，进而造成柔性管道在生产运行过程中的安全状态监控等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法。

本发明的目的是提供一种具有结构简单，监测准确，操作方便，使用寿命长，可对柔性管道实时在线监测等特点的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法。

本发明针对海洋柔性管道在正常的生产过程中，具有的大挠度、大变形、非线性振动很强等特点，提出了一种基于光纤光栅应变监测的海洋柔性管道变形在线监测方法，可以将光纤光栅传感器在柔性管道的生产过程中直接安装于管道的抗拉层中，对柔性管道的受力情况进行实时在线的监测，保证海洋柔性管道的工作运行安全。

本发明一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，实施的具体步骤如下：

1)针对目标柔性管道的建立有限元结构模型

利用有限元软件，依据目标柔性管道的结构建立三维模型，进行柔性管道各层的力学响应分析，所有的外界条件都应与实际工作情况下的环境条件保持一致，保证计算得到的柔性管道受力变形的结果的准确性。

2)建立计算结果与设计数据的关系

将计算得到的实际响应情况与柔性管道设计时考虑的数据进行对比，建立两者之间的对比关系，得到在任何真实环境数据下的柔性管道结构疲劳曲线。

3)植入光纤光栅传感器

首先，在光纤上预制光栅，每根光纤上的预制光栅的数量可以根据用户的需求进行定制，同时，可以根据用户的需要，针对一根柔性管道布设一根或几根光纤进行管道的变形监测。柔性管道抗拉层的制作工艺类似于将预制好的型钢以一定角度缠绕而成的，本发明的方法是将光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部，保证刻有光栅的部分与型钢钢性连接，即在完成抗拉层的生产过程之后，光纤也完成了布设。

4)连接信号解调控制机构

监测数据经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读，运用连续激光扫描技术来测量绝对的布拉格波长值，并通过A/D转变将光信号转换为可读取的应变数字信号，并将这些应变值与柔性管道结构疲劳曲线相结合，通过监测***，自动转换成管道的疲劳情况曲线，实现对柔性管道的安全监控。监测所得到的应变数据存入数据库，可以对柔性管道的设计和使用延寿提供最直观的数据。

5)对柔性管道实施监测。

当柔性管道发生变形时，光纤光栅的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，这种反射光的光信号会通过光纤传输至信号解调***，从而得到柔性管道的变形情况，实现对管道的监测。

本发明基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法所采取的技术方案是：

一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特点是：柔性管道变形在线监测方法包括以下具体步骤：

1)柔性管道植入光纤光栅传感器

首先，在光纤上预制光栅传感器；然后，柔性管道上布设一根或数根预制光栅传感器的光纤；

2)连接信号解调控制机构

光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读，通过A/D转变将光信号转换为可读取的应变数字信号；

3)对柔性管道实施监测

柔性管道发生变形时，光纤光栅的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，这种反射光的光信号会通过光纤传输至信号解调仪，从而得到柔性管道的变形情况，实现对管道的监测。

本发明基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法还可以采用如下技术方案：

所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特点是：柔性管道内有抗拉层，抗拉层采取将预制好的型钢以一定角度缠绕而成，光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部，保证刻有光栅的部分与型钢钢性连接。

所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特点是：光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部时，在型钢中间开一条深度1-3mm的凹槽，将光纤植入槽中，在预制光栅处用粘合剂将其固定。

所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特点是：光纤上预制光栅传感器时，每根光纤上等距离预制多个光栅传感器，传感器数量可根据柔性管道的长度确定。

所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特点是：光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读时，运用连续激光扫描技术来测量绝对的布拉格波长值。

本发明具有的优点和积极效果是：

基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明将光纤光栅测应变技术运用于海洋柔性管道的抗拉层变形监测中，并将光纤的布设工艺与柔性管的生产工艺相结合，在柔性管道的生产阶段就完成了传感器的布设工作。运用本方法可以对柔性管道抗拉层的安全状况进行在线监测，采集的管道变形数据既可以对未来管道的设计提供支持，又可以为管道的延寿提供直接的资料。

附图说明

图1是本发明的植入光纤后的管道结构示意图

图2是本发明的植入光纤后的抗拉层截面结构示意图；

图3是本发明无粘结海洋柔性管道结构示意图。

图中，1-外部聚合物，2-抗拉层，3-防磨层，4-抗压层，5-内压层，6-基础骨架，7-光纤连接装置，8-柔性管道接头，9-柔性管道，10-植入光纤的传输部分，11-布拉格光栅，12-光纤，13-抗拉层金属条。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1。

实施例1

一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，包括以下具体步骤：

1)柔性管道植入光纤光栅传感器

首先，在光纤上预制光栅传感器；然后，柔性管道上布设一根或数根预制光栅传感器的光纤。柔性管道内有抗拉层，抗拉层采取将预制好的型钢以一定角度缠绕而成，光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部，保证刻有光栅的部分与型钢钢性连接。

2)连接信号解调控制***

光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读，通过A/D转变将光信号转换为可读取的应变数字信号；

3)对柔性管道实施监测

柔性管道发生变形时，光纤光栅的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，这种反射光的光信号会通过光纤传输至信号解调仪，从而得到柔性管道的变形情况，实现对管道的监测。

本实施例的具体结构及其工作过程：

海洋柔性管道的结构如图3所示，包括基础骨架6，内压层5，抗压层4，防磨层3，抗拉层2和外部聚合物1。本发明的具体实施步骤如下：

1)针对该柔性管道的建立有限元结构模型

利用ANSYS有限元软件，依据柔性管道的六层结构建立三维模型，进行柔性管道各层的力学响应分析，在设置各层的边界条件时需要注意，层与层之间是无粘结的，所施加的环境载荷选自即将应用的海域的实际环境载荷，包括湍流，波浪等，结合管道在油品传输时可能发生的振动，对管道抗拉层2的受力情况进行详细的分析计算，确定整条柔性管道各位置的抗拉层2的受力情况。

2)建立计算结果与设计数据的关系

将计算得到的实际响应情况与柔性管道9设计时使用的数据进行对比，建立两者之间的对比关系，得到在任何真实环境数据下的柔性管道结构疲劳曲线。

3)植入光纤光栅传感器

首先，在植入光纤12上预制布拉格光栅11，每根植入光纤12上等间距的预制8个布拉格光栅11，整条柔性管道植入1根光纤12；然后，选择制作抗拉层2的金属条13，在中间开一条深度为1mm的凹槽，将光纤12植入槽中，如图2所示，在预制布拉格光栅11处用粘合剂将其固定，完成光纤12的植入工作，随后，将预制好光纤12的金属条13用来制作抗拉层2，管道整体如图1所示。

4)连接信号解调控制***

将预制好的柔性管道9内的光纤12，通过管道接头8上的光纤连接装置7与信号解调设备相连，解调设备运用连续激光扫描技术来测量绝对的布拉格波长值，并通过A/D转变为将光信号转换为可读取的应变数字信号，并将这些应变值与柔性管道结构疲劳曲线相结合，通过监测***，自动转换成被测柔性管道9的疲劳情况曲线，实现对柔性管道9的安全监控。监测所得到的应变数据存入数据库，可以对未来柔性管道的设计和使用延寿提供最直观的数据。

5)开始对管道进行监控

当柔性管道9发生变形时，布拉格光栅11的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，光信号通过传输光纤10传输至信号解调***，即可以得到柔性管道9的变形情况，从而实现对柔性管道9的监测。

本实施例具有所述的结构简单，监测准确，操作方便，使用寿命长，可对柔性管道实时在线监测等积极效果，有效保证海洋柔性管道的工作运行安全。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特征是：柔性管道变形在线监测方法包括以下具体步骤：

1)在柔性管道内植入光纤光栅传感器

首先，在光纤上预制光栅传感器；然后，柔性管道上布设一根或数根预制光栅传感器的光纤；

2)连接信号解调控制***

光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读，通过A/D转变将光信号转换为可读取的应变数字信号；

3)对柔性管道实施监测

柔性管道发生变形时，光纤光栅的栅区长度会发生变化，导致反射光的波长发生变化，这种反射光的光信号会通过光纤传输至信号解调仪，从而得到柔性管道的变形情况，实现对管道的监测。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特征是：柔性管道内有抗拉层，抗拉层采取将预制好的型钢以一定角度缠绕而成，光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部，保证刻有光栅的部分与型钢钢性连接。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特征是：光纤预制于制作柔性管道抗拉层的某一根型钢内部时，在型钢中间开一条深度1-3mm的凹槽，将光纤植入槽中，在预制光栅处用粘合剂将其固定。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特征是：光纤上预制光栅传感器时，每根光纤上等距离预制多个光栅传感器，传感器数量可根据柔性管道的长度确定。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法，其特征是：光纤光栅传感器经信号采集设备连接至光纤光栅解调仪进行解读时，运用连续激光扫描技术来测量绝对的布拉格波长值。

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