管道腐蚀和屈曲变形微尺度监测方法及泄漏定位机制研究

The research of corrosion failure of pipeline and leakage quantity and location monitoring are major concerns of pipeline safe operation field. This project proposed an original nonintrusive optical fiber strain hoop sensor based in OFDR technology, mounted around the pipeline, to monitor the deformation of pipeline outside wall due to the internal pressure. The detailed thickness variation of pipeline outside wall and the hoop stress deformation of pipeline can be obtained by long-term monitoring the data from optical fiber strain hoop sensor to evaluate.the development degree of pipe corrosion and the information of pipe leakage. This project will focus on the study of the optical fiber strain transfer mechanism based in OFDR principle, the problem of parameters coupling among the pipeline internal negative pressure wave velocity, energy loss and hoop strain which is through different transmission medium and the development of distributed optical fiber shape sensor. Some advances would achieved by the accomplishment of this project such as the improvement of pipeline safety and economic benefit and the reduction of potential safety and operation hazard.

腐蚀、泄漏和屈曲变形是影响埋地管道安全运行的三个重要因素。本项目提出开发一种基于分布式光频域反射原理的带状光纤环向应变箍传感器,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;利用光频域反射技术高精度、分布式的特点,可以实时监测埋地管道的屈曲变形。本项目将重点研究基于光频域反射原理的分布式光纤的应变传递机制以解决管道局部腐蚀的测量难题;通过研究不同传输介质下管道内部负压波波速和能量损耗以及管道环向应变等多参数耦合问题以解决管道泄漏的定位及定量问题;通过建立光纤连续曲率渐变方程,开发基于光频域反射原理的分布式三维光纤形状传感链路以解决管道屈曲变形的监测难题。本项目的研究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。

第三方破坏、地面运动和管道内部腐蚀，共同占据了我国管道事故发生原因的78%。以上三种因素最终都会导致管道泄漏，不同的是，第三方破坏是直接导致管道泄漏的发生；而地面运动致使管道变形，从而导致管道泄漏发生和管道内部腐蚀导致管道泄漏，则均需一个发展过程。因此，研究有效的管道泄漏检测，和变形、腐蚀监测技术，建立一套完整的油气管道健康监测系统，具有重大研究意义。此研究，以管道泄漏检测为主，研发一种新型的光纤光栅管径夹具传感器，并使用基于负压波拐点识别和基于压缩传感的两种管道泄漏定位方法，对多种工况下的管道泄漏定位进行模拟试验研究，将长输管道的泄漏定位误差提高到2m以内，且定位稳定性极高。同时，也使用上述光纤光栅管径夹具传感器，进行了管道内部均匀腐蚀的监测试验，实现测量精度0.1mm的管道壁厚变化测量；并对管道局部腐蚀监测也进行了深入研究，提出基于OFDR的分布式光纤传感网络的管道局部腐蚀有效监测方法。以及，结合基于逆有限元的形状还原算法，进行了管道变形还原的初步研究，成功还原管道受外力作用下的变形状态。