基于多参量数据融合的长距离埋地管道分布式光纤整体监测研究

Long distance buried pipeline is an important energy infrastructure, its damage includes structural large deformation under multi-loading coupling effect, damage of pipeline’s foundation, and pipeline leakage suffer from the corrosion of pipe wall and external damage(illegal excavation etc.), which has the characteristics of strong concealment, long-term accumulation and unexpectedness. Present safety monitoring methods mainly focus on the monitoring for single parameter (strain, temperature or vibration), which cannot figure out the whole character of the pipeline in the term of service. In this project, multi-parameter monitoring optical fiber sensor with the measurement capability of distribute strain, temperature and vibration is developed, and signal processing method for pipeline strain measurement is studied at first. Then, based on the model test of buried pipeline and finite element method, pipeline load identification based on vibration and damage monitoring of pipeline foundation based on multi-parameter are studied, and the pipeline’s mechanical properties effected by the corresponding load identified and the damage of pipeline foundation are also investigated. Finally, complex experiments with multi load are carried out, the integrate monitoring method and multi damage analysis are studied based on the multi-parameter monitoring information, all which provide identifiable ground for the pipeline safety evaluation.

长距离埋地管道是我国重要能源基础设施，其损伤主要包括多荷载耦合作用下管道结构大变形、管道地基损伤引起上覆穿越管道大变形以及外界破坏和管壁腐蚀穿孔等引起的管道泄漏，具有隐蔽性强、长期累积性和突发性特点。当前埋地管道安全监测主要是对管道损伤的单一特征量（应变、温度或振动）进行监测，难以把握管道服役期的整体性状。鉴于此，本项目首先研制集分布式振动、应变和温度测试的多参量监测光纤传感器以及研究管道变形测量信号处理方法。其次，结合埋地管道模型试验和有限元仿真分析，研究埋地管道作用荷载振动识别方法、管道地基损伤多参量监测方法及管道作用荷载和管道地基损伤对管道力学性能的影响；最后，基于上述研究成果，开展多荷载复杂工况试验，研究基于多参量监测信息融合的埋地管道整体监测和多损伤分析方法，为管道安全评价提供依据。

本项目针对长输埋地管道在诸如车辆荷载、落石、采空区坍塌以及第三方开挖等不利荷载作用下导致的管道变形和泄漏灾害，结合分布式光纤振动、温度和应变传感技术研究并研发用于管道工程化监测的多参量光纤传感器以及通过模型试验开展管道振动荷载识别、管道变形、泄漏监测方法等研究并建立了管道安全监测示范工程。.首先为了解决管道变形和泄漏损伤同时监测难题，采用FRP封装和FRP筋加强方式研发了可同时测量振动、变形、泄漏的多参量光纤传感器；针对寒区保温层管道传感器布设困难的问题，提出了可同时实现管道变形全尺度监测和局部泄漏j监测技术；为了能够直观反应管道变形程度，提出了基于共轭梁原理和分布式应变信息的管道变形重构方法。.其次研究了分布式光纤振动传感器在不同应力状态下的振动特性；针对分布式光纤振动传感技术振动定位精度差的问题，结合分布式光纤振动传感器和局部加速度传感器提出了埋地管道振动荷载多尺度监测方法，并构建交通荷载、落石、钻孔、行人振动荷载试验，建立了相应的振动样本。.然后基于不同方向应变信息研究了复杂受力作用下的管道变形监测；集成ROTDR和FBG系统，构建了管道全尺度与局部泄漏监测系统 （ROTDR-FBG）；针对管道地基损伤导致管道损伤的问题，构建了管道足尺模型，开展了管道在路基填筑过程和坍塌过程中的变形和振动监测；基于BIM全过程可视化优点，建立了基于BIM-SHM的管道健康监测可视化系统。.最后基于线性累计损伤模型建立了振动荷载作用下的损伤评价方法并通过有限元模拟了埋地管道在落石冲击作用下的受力特征；在城市埋地污水管道上建立了基于分布式光纤振动、应变和温度监测的管道整体安全监测系统，监测管道服役期间变形、泄漏和周边异常振动；基于研制开发的BIM-SHM管道健康监测可视化系统对建立某输水管道BIM-SHM监测系统，实现了管道变形、泄漏可视化监测及灾害预警。