CN111043531B - 海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法，属于结构智能健康监测和检测技术领域。在海管结构增设超弹性硅橡胶环皮层，超弹性硅橡胶环皮层上构建环向光栅串和轴向呈U型环分布式光纤，二者呈内外布置，根据应变传递理论设计超弹性硅橡胶环皮层厚度以确保光纤感知元件和环皮胶体之间最优的变形传递效率和最佳的粘结强度，形成内嵌光纤传感网络的智能光纤环皮感知层。本发明发展了海管结构局部损伤在线诊断和整体变形信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，为长距离海管运行过程中损伤在线诊断、维修养护策略的制定和海管结构的反演设计提供有效的技术手段和科学的数据积累，并服务于海管结构的安全运行和损伤预测。

Description

海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测领域，涉及到的是一种海管道结构局部损伤跟踪监测和识别的光纤传感测试方法。

背景技术

随着国内能源需求的增长，深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了油气管道的大量建设。例如：南海油气资源的开发逐步拓展到3000米左右的深海，作为油气输送生命线的深海立管大量投入使用，油气管道造价成本极高。随着新增和超期服役海管数量的增加，海管漏油事故频发，因此，海管***真实的结构抗力、安全状态和剩余寿命等成为关注的重点。海管是具有几何大变形的柔性结构，由于上部平台位置变化、大尺度涡激振动和海床接触等复杂因素的影响，铺管作业等复杂工况下的水下姿态处于不确定状态。在深海高浓度腐蚀作用下，海管管壁局部厚度被削弱，易形成孔洞。其次，原油中夹杂的海砂会对管壁造成连续的冲刷作用，也会侵蚀部分海管结构。在复杂海洋环境荷载(如波浪、海流、浮冰、海床滑移和液化引起的悬跨等)作用下，易发生裂纹。这些累积或突发的穿孔、裂纹、疲劳断裂或其他损伤均会导致巨量的燃气油泄漏，进而引发严重的***和环境污染，造成巨大的经济损失，危害极大。为降低海管局部损伤引发的原油泄漏和停产风险，迫切需要发展有效的监测技术对海管结构性能进行实时状态评定、局部损伤在线诊断及安全评估，从而指导海管的快速维修、经济高效地维持海管正常运行和石油的持续输送。

当前，维护海管安全运行的主要技术手段是采用漏磁检测法、涡流检测法、超声波检测法等对其进行定期检测。这些方法更偏重于海管结构损伤后的检测，无法对损伤发生前过程进行实时跟踪和预判，且较难实现结构损伤时空特征演化的长期连续监测、在线损伤诊断和结构安全状态评定。当面对远海和深海海管时，这些检测方法存在效率低、周期长、成本高等缺点。为此，光纤传感元件，因其电绝缘、本质安全防爆、耐腐蚀、化学成分长期稳定、抗电磁干扰、灵敏度高、绝对测量、体积小、质量轻、几何形状多方适应性、测点多、布设方式灵活、易集成组网等优势，而被国内外学者应用于海管的温度、应变和漏油检测。

目前部分学者将分布式光纤用于测量海管横向屈曲应变，以检测海管结构性能；通过分布式光纤监测泄漏液体和周围介质温度的方式诊断管道是否存在漏油；通过将分布式光纤缠绕在管道外表面的方式监测管道内壁腐蚀情况；采用油敏感材料封装光纤，使光纤传感器遇油膨胀产生拉伸应变信号输出的方式诊断漏油；采用轴向反向呈120℃排列的三条分布式光纤监测管道螺旋变形；通过在管道外壁黏贴光栅串的方式和应变模态算法识别管道结构裂纹。上述分布式和准分布式光纤传感技术，虽然在一定程度上实现了长距离海管结构变形、损伤和漏油信息的测试，但由于其本质上属于采用外贴式光纤传感器件。因此，该种测量方法的有效性将极大地依赖所采用的高强粘结剂质量、接触界面之间的粘结质量和粘结面积。由长期变形或局部大应力集中引发的分布式光纤传感器和海管结构之间的局部界面剥离将极大地缩短有效测量时间，无法实现较长期稳定耐久有效的测试。

因此，本文提出了一种兼顾海管结构局部损伤在线诊断和整体信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，其核心是在海管结构周围浇筑高弹性轻质的环状薄皮层，并在环皮内嵌入环向的光栅串和轴向的分布式光纤感知元件，从而构建兼顾环向和轴向变形监测的光纤传感网络。在海管变形或损伤测试过程中，该内嵌光纤传感网络的环皮将动态调整自身形态与海管结构协同变形，实现损伤演化信息的快速传递和自适应匹配，从而完成海管结构变形和损伤状态信息的实时响应和输出。该种智能光纤环皮监测方法能够感知海管结构局部屈曲变形及裂纹和穿孔损伤特征的时空规律，为长距离海管结构损伤的在线诊断、维修养护策略的制定和海管结构的反演设计提供有效的技术手段和科学的数据积累，并服务于海管结构的安全运行和损伤预测。

发明内容

本发明目的是提供一种海管结构局部损伤在线诊断和整体信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，解决海管结构安全运营过程中损伤在线诊断技术匮乏、长期稳定耐久测试技术差、外贴式光纤传感器件局部界面剥离引发的测试失效、局部随机损伤无法先知和不易识别、整体变形的全历程监测信息不易获取等工程应用问题。

本发明的技术方案是：

一种海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法，在海管结构增设超弹性硅橡胶环皮层，超弹性硅橡胶环皮层上构建环向光栅串1和轴向呈U型环分布式光纤2，二者呈内外布置，根据应变传递理论设计超弹性硅橡胶环皮层厚度以确保光纤感知元件和环皮胶体之间最优的变形传递效率和最佳的粘结强度，形成内嵌光纤传感网络的智能光纤环皮感知层3；将智能光纤环皮感知层3浇筑在海管结构***形成共同变形体，等效于在海管***配置智能保护层；海管变形或损伤信息通过智能光纤环皮感知层3灵敏和快速地传递到内嵌的环向光栅串1和轴向呈U型环分布式光纤2，根据测量信息及与先验数据的比较诊断损伤的位置和程度，从而实现海管结构整体变形或局部损伤发生和演化的跟踪监测、实时诊断和维护决策响应。

一种兼顾海管结构局部损伤在线诊断和整体变形信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，其实现步骤是：根据应变传递理论设计环皮厚度，以确保内嵌的环向光栅串和轴向U型环分布式光纤及环皮胶体之间最优的变形传递效率和最佳的粘结强度，形成智能光纤环皮感知层；根据海管结构的几何构型确定环皮的内径，从而将内嵌光纤传感网络的环皮浇筑在海管结构***，与海管形成共同变形体；环皮材料选用超弹性硅橡胶材料，并通过基础材料性能试验检测环皮层在温度、输送介质和海流作用下的力学和感知性能及整体稳定性；根据海管结构的受力特征，给配备智能光纤环皮层的海管结构施加荷载，并检验海管变形和损伤通过环皮传递到光纤感知元件的效果，并建立相应的状态评定和损伤识别算法，为构建在线诊断、评定和预警装置积累基础科学数据。当海管结构变形出现突变、不连续且不可恢复时，可以分别根据环向光栅串和轴向U型环分布式光纤测量信息诊断(塑性屈曲、裂纹、穿孔或断裂)损伤发生的位置，并与先验数据比较以识别损伤的程度，从而实现海管结构整体变形或局部损伤发生和演化的在线跟踪监测、实时诊断和维护决策响应。

该智能光纤环皮监测方法等效于在海管***配置智能保护层，在高精度地感知海管变形和识别局部损伤的同时，也对海管的防腐性能起到提升作用。

所述的环向光栅串，是指沿海管环向在环皮内布置多个光栅串阵列，每一个光栅串阵列所包含的测点数由海管直径和监测需求确定。一个环向光栅串应至少包含四个等间距的测点，以提取环向截面的响应特征。

所述的轴向U型环分布式光纤，是指沿海管轴向在环皮内布置多根长距离光纤，以提取海管沿跨度方向的整体变形或局部随机损伤信息。环皮内应至少布置四条等间距的U型环分布光纤，以确定海管屈曲或损伤的形态。

所述的共同变形体，是指海管和光纤环皮层在温度、化学或物理作用下协同变形，且海管变形能通过环皮灵敏和快速地传递到光纤感知元件。

所述的环皮层材料，是指固化前呈液态的胶黏剂材料、固化后具备高粘结性能的超弹性硅橡胶材料。

所述的先验数据，是指针对海管结构不同变形和损伤类型，智能光纤环皮层输出的响应信息数据库，可以事先通过实验建立。

本发明的效果和益处是：为海管结构局部损伤诊断和整体状态信息测试提供了一种实时在线、长期稳定和耐久的智能光纤环皮监测方法；解决了海管运行过程中损伤在线诊断技术匮乏、长期稳定耐久测试技术差、光纤器件与海管基体剥离引发的测试失效、局部随机损伤无法先知和不易识别、整体变形的全历程监测信息不易获取等健康监测和安全运维领域的难题；实现了海管结构变形和损伤(塑性屈曲、裂纹、穿孔或疲劳断裂等)的全历程实时连续监测，对于避免海管破裂造成的重大事故和经济损失及保障平台的安全作业意义显著。

附图说明

图1是用于海管结构损伤在线诊断的环向光栅串。

图2是用于海管结构损伤在线诊断的轴向U型环分布式光纤。

图3是内嵌环向光栅串和轴向U型环分布式光纤的环皮层结构。

图4是装配环皮层的双层海管结构横截面示意图。

图5是装配环皮层的双层海管结构纵断面(以裂纹、穿孔和塑性屈曲为例)的智能光纤环皮监测方法示意图。

图中：1光栅串；2U型环分布式光纤2；外超弹性硅橡胶环皮层；4内超弹性硅橡胶环皮层；5内海管；6保温层；7外海管；8裂纹；9冲蚀穿孔；10塑性屈曲。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

一种海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法，其环皮层中内嵌的环向光栅串和轴向分布式光纤传感探头结构的示意图分别如图1和图2所示；智能光纤环皮结构的示意图如图3；装配智能光纤环皮层的双层海管横截面如图4；装配智能光纤环皮层的双层海管结构纵断面如图5所示。

海管结构损伤在线诊断和整体状态信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，其实施方式如下：

首先根据海管结构的几何构型、材质特征及受力模式，设计光纤环皮层结构，主要根据应变传递理论确定环皮层厚度、根据海管直径和变形方式确定环皮内径、环向光栅串和轴向分布式光纤传感探头的测点数量及组网形式；然后，选用超弹性硅橡胶材料(SYLGARD 184Silicone Elastomer)封装设计的光纤传感网并将其浇筑在海管结构周围，待环皮层固化成型后因其自身的超强粘结性能将其与海管结合成一个整体，类似于在海管周围装配了智能光纤环皮保护层；在海管结构发生变形或(裂纹、穿孔、疲劳断裂或塑性屈曲)损伤时，环皮层将同步感知海管结构的响应或异常突然，并同时使内嵌的光纤传感网络做出相应的输出响应，从而可以确定大变形或损伤位置；进一步通过与先验数据信息做比较可以实现损伤的定量和定型，从而根据配套的预警装置实时在线地做出损伤诊断和维护决策。

Claims (1)

1.一种海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法，其特征在于，在海管结构增设超弹性硅橡胶环皮层，超弹性硅橡胶环皮层上构建环向光栅串(1)和轴向呈U型环分布式光纤(2)，二者呈内外布置，根据应变传递理论设计超弹性硅橡胶环皮层厚度以确保光纤感知元件和环皮胶体之间最优的变形传递效率和最佳的粘结强度，形成内嵌光纤传感网络的智能光纤环皮感知层(3)；将智能光纤环皮感知层(3)浇筑在海管结构***形成共同变形体，等效于在海管***配置智能保护层；海管变形或损伤信息通过智能光纤环皮感知层(3)灵敏和快速地传递到内嵌的环向光栅串(1)和轴向呈U型环分布式光纤(2)，根据测量信息及与先验数据的比较诊断损伤的位置和程度，从而实现海管结构整体变形或局部损伤发生和演化的跟踪监测、实时诊断和维护决策响应；

所述的环向光栅串(1)，是指沿海管环向在硅橡胶环皮层内布置多个光栅串阵列，每一个光栅串阵列所包含的测点数由海管直径和监测需求确定，一个环向光栅串(1)应至少包含四个等间距的测点，以提取环向截面的响应特征；

所述的轴向呈U型环分布式光纤(2)，是指沿海管轴向在硅橡胶环皮层内布置多根长距离光纤，以提取海管沿跨度方向的整体变形或局部随机损伤信息，硅橡胶环皮层内应至少布置四条等间距的轴向呈U型环分布式光纤(2)，以确定海管屈曲或损伤的形态；

所述的共同变形体，是指海管和硅橡胶环皮层在温度、化学或物理作用下协同变形，且海管变形能通过环皮灵敏和快速地传递到光纤感知元件。

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