CN117606377A - 一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，属于管道健康监测技术领域，包括以下步骤：步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系。本发明采用上述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。
Description
技术领域
本发明涉及管道健康监测技术领域，尤其是涉及一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法。
背景技术
柔性管道由于其耐腐蚀性强、可弯曲、易铺设和能回收等特点，广泛应用于陆地、浅水以及深水地区，可以实现多方向、超深度和长距离的油气输送。柔性管道在应用过程中常见的失效原因多为管道受力弯曲曲率过大，因此针对柔性管道的健康监测十分重要。光纤传感器因其抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、尺寸小、灵敏度高和可进行长距离健康监测等优势在传感领域中占据了重要位置，在健康监测方面具有显著优势。
目前，针对长输管道的健康监测多采用光纤分布式应变传感，此方案传感器布设方式多采用沿管道轴向方向平直布设，采集管道沿轴向的各点应变数据，最后利用算法重构管道形状。由于传感器平直布设，因此在长输管道绕盘运输及铺设时由于管道的大曲率弯曲会损伤传感器，导致传感器存活率较低。并且由于光纤分布式应变传感机理限制，重建出的形状相对误差较大，且处理过程中数据量较大，难以实时监测。因此，需要一种更适用于长输管道健康监测的方案，能够对管道的动态应变数据实时监测，利用采集的数据更加准确的重构出管道形状，并保持较高的传感器存活率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，包括以下步骤：
步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；
步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；
步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系。
优选的，所述步骤1中当传感器间距确定时，其缠绕螺距表示为：
其中S为缠绕螺距，d为传感器间距，N为相邻两传感器间的缠绕圈数，D为管道直径；
当相邻两传感器之间圈数N确定时，缠绕角度表示为：
优选的，所述步骤2中由几何模型所示的几何关系为：
L2＝C2+H2 (3)
其中，L为该段光纤长度，H为该段光纤对应的管道轴向长度，C为该段光纤对应的管道截面圆周弧长；对公式(3)两端微分后得到:
L·ΔL＝C·ΔC+H·ΔH (4)
其中ΔL为该段光纤长度的变化量，ΔH为该段光纤对应的管道轴向长度的变化量，ΔC为该段光纤对应的管道截面圆周弧长变化量；对公式(4)两端同时除以L2，得到：
由于光纤测量的应变为工程应变，且测量点尺寸较小，因此公式(5)近似表示为：
εL＝cos2θ·εC+sin2θ·εH (6)
其中，εL为测量位置处光纤测量的应变，εC为测量位置处的径向应变，εH为测量位置处轴向应变；
公式(6)转化为：
εL＝-cos2θ·μεH+sin2θ·εH＝(sin2θ-cos2θ·μ)εH (7)
其中，μ为管道材料的泊松比。
优选的，所述步骤3中当管道向上弯曲时，中性层上方结构在管道轴向方向拉伸，下方结构被压缩，位于管道表面的传感器也随之拉伸或收缩，其弯曲曲率表示为：
其中，K为测量位置处的轴向弯曲曲率，d为传感器与中性层间的距离；
至此，推导出光纤感知应变与该位置曲率关系为：
εL＝d(sin2θ-cos2θ·μ)·K (9)。
优选的，所述传感器为刻蚀在传感光缆上的弱反射率光纤光栅，传感器布置于管道截面的4个正交位置。
因此，本发明采用上述一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的管道形状监测***结构示意图；
图2是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的传感器布设示意图；
图3是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的螺旋光纤缠绕几何模型；
图4是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的管道中性层示意图；
图5是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的传感器曲率标定结果；
图6是本发明一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法实施例的管道形状重建对比图。
附图标记
1、上位机；2、弱光栅解调模块；3、待测管道；4、传感光缆；5、传感器。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例一
如图所示，本发明提供了一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其中管道形状监控***如图1所示，包括：待测管道3，待测管道3上缠绕有传感光缆4，传感光缆4上设有传感器5，传感器5为刻蚀在传感光缆上的弱反射率光纤光栅，传感器5应布置于管道截面的4个正交位置，传感光缆4与弱光栅解调模块2连接，弱光栅解调模块2与上位机1连接。
弱光栅解调模块2内部集成了宽谱光源，波长范围1528-1560nm，光源将不同波长的脉冲光注入进传感光缆4，传感光缆4上刻蚀的光栅(即：传感器5)可将不同中心波长的光脉冲反射回来，被弱光栅解调模块2内部的探测器接收，并利用解调算法计算出各个传感器5的波长漂移量，最后将解调出的数据通过以太网接口传送至上位机1可视化界面并存储。
海洋柔性管道曲率监测方法包括如下步骤：
步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；
已经刻蚀好传感器的抗拉增强光缆，以一定螺距螺旋缠绕于管道表面，布设方式如图2所示，传感器应布置于管道截面的4个正交位置，当传感器间距确定时，其缠绕螺距可以表示为：
其中S为缠绕螺距，d为传感器间距，N为相邻两传感器间的缠绕圈数(图2所示为0.25圈)，D为管道直径。
当相邻两传感器之间圈数N确定时，缠绕角度可以表示为：
步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；
缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型如图3所示，由几何模型所示的几何关系可以得到：
L2＝C2+H2 (3)
其中，L为该段光纤长度，H为该段光纤对应的管道轴向长度，C为该段光纤对应的管道截面圆周弧长。对公式(3)两端微分后可得到:
L·ΔL＝C·ΔC+H·ΔH (4)
其中ΔL为该段光纤长度的变化量，ΔH为该段光纤对应的管道轴向长度的变化量，ΔC为该段光纤对应的管道截面圆周弧长变化量。对公式(4)两端同时除以L2，可得到：
由于光纤测量的应变为工程应变，且测量点尺寸较小，因此公式(5)可近似表示为：
εL＝cos2θ·εC+sin2θ·εH (6)
其中，εL为测量位置处光纤测量的应变，εC为测量位置处的径向应变，εH为测量位置处轴向应变。
公式(6)可写为：
εL＝-cos2θ·μεH+sin2θ·εH＝(sin2θ-cos2θ·μ)εH (7)
其中，μ为管道材料的泊松比。
由公式(7)可以看出，相较于传统平直铺设传感器直接测量该位置处轴向应变的方式，采用螺旋缠绕的方式，光纤实际测量的应变为该位置处轴向应变乘一个缩放系数，因此相当于缩小了光纤的受力，这可以有效的防止管道在大幅度弯曲时损伤传感器，提高传感器存活率。
步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系；
当管道向上弯曲时，中性层如图4所示，其上方结构在管道轴向方向拉伸，下方结构被压缩，位于管道表面的传感器也随之拉伸或收缩，其弯曲曲率可以表示为：
其中，K为测量位置处的轴向弯曲曲率，d为传感器与中性层间的距离。
至此，可以推导出光纤感知应变与该位置曲率关系为：
εL＝d(sin2θ-cos2θ·μ)·K (9)。
当缠绕方式和管道材料确定后，即d、θ、μ确定，光纤感知应变与曲率呈线性关系，可通过对管道上布置的传感器进行曲率标定，确定两者之间的线性关系。最后通过采集管道上各传感器位置处的数据，利用之前确定的线性关系计算出对应的曲率，利用曲线重构算法对管道形状进行二维还原。
通过试验对上述方法进行测试：
首先对布设在管道表面的传感器进行曲率标定，计算出待测位置处曲率与应变的线性关系。将待测管道以一固定方向弯曲不同曲率，分别记录各个传感器的应变数据和待测位置曲率，最后将得到的数据进行线性拟合，确定应变与曲率的函数关系。在曲率标定完成后，将管道以某一形状弯曲，此时管道上各传感器所在位置曲率未知，记录此时各个传感器的应变数据，并利用之前拟合的函数计算各传感器所在位置的曲率。在得到各点曲率后，代入曲线重构算法，进行管道形状的二维重构。
如图5所示，为其中一个缠绕周期4个传感器的拟合关系，可以看出其应变变化量和曲率之间具备良好的线性关系。图6为管道形状重构结果，数据点为测量的管道形状参考值，曲线为重建后的形状，可以看出还原效果优秀。
因此，本发明采用上述一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；
步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；
步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤1中当传感器间距确定时，其缠绕螺距表示为：
其中S为缠绕螺距，d为传感器间距，N为相邻两传感器间的缠绕圈数，D为管道直径；
当相邻两传感器之间圈数N确定时，缠绕角度表示为：
3.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤2中由几何模型所示的几何关系为：
L2＝C2+H2 (3)
其中，L为该段光纤长度，H为该段光纤对应的管道轴向长度，C为该段光纤对应的管道截面圆周弧长；对公式(3)两端微分后得到：
L·ΔL＝C·ΔC+H·ΔH (4)
其中ΔL为该段光纤长度的变化量，ΔH为该段光纤对应的管道轴向长度的变化量，ΔC为该段光纤对应的管道截面圆周弧长变化量；对公式(4)两端同时除以L2，得到：
由于光纤测量的应变为工程应变，且测量点尺寸较小，因此公式(5)近似表示为：
εL＝cos2θ·εC+sin2θ·εH (6)
其中，εL为测量位置处光纤测量的应变，εC为测量位置处的径向应变，εH为测量位置处轴向应变；
公式(6)转化为：
εL＝-cos2θ·μεH+sin2θ·εH＝(sin2θ-cos2θ·μ)εH (7)
其中，μ为管道材料的泊松比。
4.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤3中当管道向上弯曲时，中性层上方结构在管道轴向方向拉伸，下方结构被压缩，位于管道表面的传感器也随之拉伸或收缩，其弯曲曲率表示为：
其中，K为测量位置处的轴向弯曲曲率，d为传感器与中性层间的距离；
至此，推导出光纤感知应变与该位置曲率关系为：
εL＝d(sin2θ-cos2θ·μ)·K (9)。
5.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述传感器为刻蚀在传感光缆上的弱反射率光纤光栅，传感器布置于管道截面的4个正交位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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