CN106764463A - 一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及方法，包括分光系统、解调系统、控制系统和固定在长直管道外壁上和弯管处外壁上的光纤光栅传感器，固定在长直管道外壁上的光纤光栅传感器均只有一个光纤光栅并且沿轴向等距排布、通过测得管道环向应变的变化情况来判断长直管道是否泄漏、找到泄漏位置、获取均匀腐蚀情况，固定在弯管处外壁上的光纤光栅传感器上均设有多个光纤光栅并且同一光纤光栅传感器上的光纤光栅沿周向均匀排布、通过测得局部环向应变的变化情况来判断弯管处的非均匀腐蚀情况。该装置结构简单、成本低、安装方便、监测精度高。

Description

一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及 方法

技术领域

本发明属于管道监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及方法。

背景技术

管道广泛应用于油、气、水等的运输和电力电缆等的铺设中，管道的健康状态决定了管道的使用寿命以及故障发生率，为了降低故障发生率，需要对管道进行监测。现有的管道监测方法(漏磁检测法、涡流检测法和超声波检测法等)主要是把智能检测器置于管道内，在输送介质的推动下，完成管道内、外腐蚀缺陷的检测，检测原理均为测量壁厚变化从而得到管道的腐蚀发展状况。现有的管道监测方法对(埋地)管道进行定期检测，虽然能够提高(埋地)管道的安全性，但仍有许多不足之处，最突出的缺陷是不能对(埋地)管道运行状态进行实时检测，管道在两次检测间是否安全只能根据上次检测结果预估，但这种预估常常由于管道运行期间受许多不确定因素影响而出现很大误差，难以完全保证管道安全，这就为(埋地)管道破坏留下了隐患。而且随着长距离(埋地)管道应用越来越多，利用现有这些检测方法检测(埋地)管道，检测一次将花费很长时间，效率很低。

管道发生泄漏时，在泄漏处因流体的损失而引起局部流体密度减小，导致瞬时压力降低。瞬时的压降作用在流体介质上，形成一个负压波。负压波以声速向管道上下游传播，传统方法利用设置在管道两端的压力传感器检测压力波信号，根据信号变化程度和变化的时间差，采用信号相关处理方法，可以进行泄漏判定和泄漏定位。传统的基于压力传感器的负压波检测法有一定的局限性，即须已知负压波的传播速度。而负压波波速受流体密度、管道材料、管道壁厚等多方面参数的影响，导致实际工程中无法获得负压波波速的准确值。

2007年2月刊登在《激光技术》第31卷第1期的文章《应用在油气管线的光纤光栅温度应变传感系统》中，在进站口和出站口各安装一个光纤光栅温度传感器，在站中安装一个压力传感器，获得油气管线中原油压力和温度的变化量，从而根据不同的应变和温度值，在站中采取相应的加温加压或减压等措施，确保原油在输油管线顺利外输；但是这种系统只能发现油气已经大量泄露时的情况，而不能够在泄露初期及时预报；2013年10月刊登在《传感技术学报》第26卷第10期的文章《基于短栅区光纤光栅传感器的油气管线腐蚀在线检测系统研究》中，在油气管线外表面沿周向布设光纤光栅应变传感器，监测油气管线周向应变，从而监测油气管线腐蚀情况，防止原油泄漏。但是这种系统只是对每一个测量点进行单一温度监测或者单一应变监测，监测数据过于单一，误报率较高。授权公告号为ZL03137597.9的中国发明专利“一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试系统”中将光纤光栅传感器及传输光纤埋入油气管线管壁中进行地下管道的监测，但是这种系统当光纤光栅传感器或者传输光纤发生故障时，将无法完成更换，造成油气管线无法重复使用的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及方法，该装置可以实时监测长直管道的泄漏、找到泄漏位置、获取均匀腐蚀情况，可以实时监测弯管处的非均匀腐蚀情况，结构简单、成本低、安装方便、监测精度高。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，包括

若干个采用复合材料封装的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器以一定预紧力固定在长直管道外壁上和弯管处外壁上，固定在长直管道外壁上的光纤光栅传感器均只有一个光纤光栅并且沿轴向等距排布，固定在弯管处外壁上的光纤光栅传感器上均设有多个光纤光栅并且同一光纤光栅传感器上的光纤光栅沿周向均匀排布；

分光系统，包括宽带光源、环形器和光开关，宽带光源发出的光依次经过环形器和光开关后分别到达每个光纤光栅传感器的光纤光栅，光纤光栅反射回来的光依次通过光开关和环形器后到达解调系统；

解调系统，用于将从每个光纤光栅传感器的光纤光栅反射回来的光解调成数字信号；

控制系统，用于控制光开关并对解调系统解调的数字信号进行分析从而判断管道泄漏位置和腐蚀情况。

进一步地，光纤光栅传感器根据管道的工作温度选择相应的封装材料和刻栅工艺。

进一步地，光纤光栅传感器的封装材料为玻璃纤维或碳纤维。

进一步地，光纤光栅传感器通过环氧树脂胶水粘贴固定。

进一步地，只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器的固定点位于两端，设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器的固定点位于每个光纤光栅的两侧。

一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测方法，在长直管道外壁上沿轴向等距固定只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器、在弯管处外壁上固定设有多个光纤光栅的并且光纤光栅沿周向均布的光纤光栅传感器，将每个光纤光栅反射回的信号进行处理得到每个光纤光栅所在处管道环向应变的变化；

通过只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器测得管道环向应变的变化情况来判断长直管道是否泄漏、找到泄漏位置、获取均匀腐蚀情况——只发生泄漏时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合，两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置；只发生均匀腐蚀时，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，通过均匀腐蚀部位的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；泄漏和均匀腐蚀同时发生时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，在非瞬态过程，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合、两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置，通过均匀腐蚀部位在非瞬态过程的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；

通过设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器测得局部环向应变的变化情况来判断弯管处的非均匀腐蚀情况——对同一个光纤光栅传感器测得管道局部环向应变做插补计算得出所在截面的环向应变分布趋势，环向应变大的地方对应的管壁腐蚀严重。

本发明的有益效果是：

1.对于长直管道关键是监测泄漏情况，长直管道受到均匀的冲刷，管道的腐蚀一般为均匀腐蚀(无湍流、紊流、均匀腐蚀)，均匀腐蚀的过程可以认为是一个静态的过程，不会有突变情况的发生，而泄漏是一个瞬态的过程，从信号处理的角度来说完全可以把泄漏和均匀腐蚀区分开，在这种情况下，用只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器测管道的均匀环向应变就可以求出该截面管道的壁厚，从而得到均匀腐蚀情况，而且采用负压波能量衰减法就可以判断管道泄漏位置。对于弯管处关键是监测腐蚀情况，弯管处的不同位置受到的冲刷程度不一样，导致同一个截面内的不同部位腐蚀的情况不一样，管道一般会出现非均匀腐蚀(有湍流、紊流、非均匀腐蚀)，设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器测得管道局部环向应变可以得出所在截面的环向应变分布趋势，环向应变越大的地方对应的管壁腐蚀越严重，该装置针对长直管道和弯管处的特点可以实时监测长直管道的泄漏、找到泄漏位置、获取均匀腐蚀情况，可以实时监测弯管处的非均匀腐蚀情况，整个装置结构简单、成本低、安装方便、监测精度高。

2.假设管道无限长，管道内的压力致使管道外壁产生环向变形存在以下公式，其中h为管道壁厚、p为管道内部压力、r为管道内径、ε_y为管道外壁环向应变、E为管道弹性模量，可知管道压力和壁厚的变化都会引起管道环向应变的变化，泄露引起的管道压力的变化是瞬态、腐蚀引起的管道壁厚的变化十分缓慢接近于静态，从信号处理的角度来说完全可以把泄漏和均匀腐蚀区分开。管道泄漏会导致管道泄漏点压力减小，压力减小的波会以指数形式衰减传递，因此管道环向应变会以泄漏点为中心向管道上下游呈一定的规律分布，越靠近泄漏点环向应变突变越大，相比传统的负压波定位泄漏点方法，采用能量衰减法提高了管道最小可检测泄漏率，既无需管道直径、壁厚、弹性模量以及管道内流体物理性质等有关参数，也不受管道负压波波速准确值的限制，只需通过一系列测点获得泄漏发生时的环向应变值，即可拟合出管道泄漏的位置。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器的安装剖面视图。

图3是本发明实施例中设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器的安装剖面视图。

图4是本发明实施例中采用能量衰减法判断管道泄漏位置的原理图。

图中：1-解调系统；2-控制系统；3-环形器；4-宽带光源；5-光开关；6-光纤光栅传感器A1；7-光纤光栅传感器A2；8-光纤光栅传感器A3；9光纤光栅传感器A4；10-光纤光栅传感器A5；11-光纤光栅传感器A6；12-光纤光栅传感器A7；13-光纤光栅传感器R1；14-光纤光栅传感器B2；15-光纤光栅传感器B3；16-光纤光栅传感器B4；17-光纤光栅传感器B5；18-光纤光栅传感器B6；19-光纤光栅传感器B7；20-光纤光栅传感器C1；21-光纤光栅传感器C2；22-光纤光栅传感器C3；23-光纤光栅传感器C4；24-光纤光栅传感器C5；25-光纤光栅传感器C6；26-光纤光栅传感器C7；27-光纤光栅传感器D1；28-光纤光栅传感器D2；29-光纤光栅传感器D3；30-光纤光栅传感器D4；31-光纤光栅传感器D5；32-光纤光栅传感器D6；33-光纤光栅传感器D7；34-弯管处；35-长直管道；36-环氧树脂胶水；37-光纤；38-封装材料；39-光纤光栅；40-光纤光栅所在处；41-泄漏位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，包括若干个采用复合材料封装的光纤光栅传感器、分光系统、解调系统1和控制系统2。

光纤光栅传感器以一定预紧力(拉伸量为2nm)固定在长直管道35外壁上和弯管处34外壁上，固定在长直管道35外壁上的光纤光栅传感器(光纤光栅传感器A1至A6、光纤光栅传感器R1至B6、光纤光栅传感器C1至C6、光纤光栅传感器D1至D6)均只有一个光纤光栅39并且沿轴向等距排布，固定在弯管处34外壁上的光纤光栅传感器(光纤光栅传感器A7、光纤光栅传感器B7、光纤光栅传感器C7、光纤光栅传感器D7)上均设有多个光纤光栅39(在本实施例中为6个光纤光栅39)并且同一光纤光栅传感器上的光纤光栅39沿周向均匀排布；分光系统，包括宽带光源4、环形器3和光开关5，宽带光源4发出的光依次经过环形器3和光开关5后分别到达每个光纤光栅传感器的光纤光栅39，光纤光栅39反射回来的光依次通过光开关5和环形器3后到达解调系统1；解调系统1，用于将从每个光纤光栅传感器的光纤光栅39反射回来的光解调成数字信号；控制系统2，用于控制光开关5并对解调系统1解调的数字信号进行分析从而判断管道泄漏位置41和腐蚀情况。

在本实施例中，宽带光源4的输出尾纤与环形器3的输入尾纤熔接，解调系统1的输入尾纤与环形器3的输输出尾纤熔接，环形器3的另一个输出尾纤与光开关5的输入尾纤熔接，光开关5为1×4光开关5，分出的四路光纤分别与光纤光栅传感器A1、光纤光栅传感器R1、光纤光栅传感器C1、光纤光栅传感器D1熔接，光纤光栅传感器A1至A7串接、光纤光栅传感器R1至B7串接、光纤光栅传感器C1至C7串接、光纤光栅传感器D1至D7串接，光开关5与控制系统2通过RS232数据线连接，解调系统1与控制系统2通过RS232数据线连接，宽带光源4为ASE宽带光源4，工作波长范围为1520nm至1570nm、8小时的输出功率稳定度≤±0.01dB、输出光波的偏振度≤0.01、输出光波的光谱平坦度≤0.5dB、输出光功率≥20mW；环形器3的的中心波长为1550nm，其输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28；解调系统1的输入功率范围为-70dBm至-30dBm、波长范围为1520nm至1570nm、波长分辨率为1pm、波长精度为±40pm、功率分辨率为0.1dBm，具有RS232通信接口，输入尾纤采用单模光纤SMF-28；光开关5的波长范围为1260nm至1650nm，相邻光通道的切换时间≤1ms，插入损耗≤0.5dB，具有RS232通信接口，输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28，光开关5的耦合比为25∶25∶25∶25，其输入尾纤和输出尾纤均采用单模光纤SMF-28。

对于长直管道35关键是监测泄漏情况，长直管道35受到均匀的冲刷，管道的腐蚀一般为均匀腐蚀(无湍流、紊流、均匀腐蚀)，均匀腐蚀的过程可以认为是一个静态的过程，不会有突变情况的发生，而泄漏是一个瞬态的过程，从信号处理的角度来说完全可以把泄漏和均匀腐蚀区分开，在这种情况下，用只有一个光纤光栅39的光纤光栅传感器测管道的均匀环向应变就可以求出该截面管道的壁厚，从而得到均匀腐蚀情况，而且采用负压波能量衰减法就可以判断管道泄漏位置41。对于弯管处34关键是监测腐蚀情况，弯管处34的不同位置受到的冲刷程度不一样，导致同一个截面内的不同部位腐蚀的情况不一样，管道一般会出现非均匀腐蚀(有湍流、紊流、非均匀腐蚀)，设有多个光纤光栅39的光纤光栅传感器测得管道局部环向应变可以得出所在截面的环向应变分布趋势，环向应变越大的地方对应的管壁腐蚀越严重，该装置针对长直管道35和弯管处34的特点可以实时监测长直管道35的泄漏、找到泄漏位置41、获取均匀腐蚀情况，可以实时监测弯管处34的非均匀腐蚀情况，整个装置结构简单、成本低、安装方便、监测精度高。

在本发明中，光纤光栅传感器根据管道的工作温度选择相应的封装材料38和刻栅工艺。以满足光纤光栅传感器在不同的温度工作的稳定性。

在本实施例中，光纤光栅传感器的封装材料38为玻璃纤维或碳纤维。

如图2和图3所示，在本实施例中，光纤光栅传感器通过环氧树脂胶水36粘贴固定。只有一个光纤光栅39的光纤光栅传感器的固定点位于两端，设有多个光纤光栅39的光纤光栅传感器的固定点位于每个光纤光栅39的两侧。

一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测方法，在长直管道35外壁上沿轴向等距固定只有一个光纤光栅39的光纤光栅传感器、在弯管处34外壁上固定设有多个光纤光栅39的并且光纤光栅39沿周向均布的光纤光栅传感器，将每个光纤光栅39反射回的信号进行处理得到每个光纤光栅所在处40管道环向应变的变化(光纤光栅39反射回来的光解调成数字信号，将数字信号转化为波长，波长的变化即为管道环向应变的变化)，通过只有一个光纤光栅39的光纤光栅传感器测得管道环向应变的变化情况来判断长直管道35是否泄漏、找到泄漏位置41、获取均匀腐蚀情况——只发生泄漏时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合，两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置41(参见图4)；只发生均匀腐蚀时，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，通过均匀腐蚀部位的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；泄漏和均匀腐蚀同时发生时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，在非瞬态过程，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合、两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置41(参见图4)，通过均匀腐蚀部位在非瞬态过程的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；通过设有多个光纤光栅39的光纤光栅传感器测得局部环向应变的变化情况来判断弯管处34的非均匀腐蚀情况——对同一个光纤光栅传感器测得管道局部环向应变做插补计算(光纤光栅传感器上的光纤光栅39越多，插补运算越精确，反映管壁的非均匀腐蚀情况越真实)得出所在截面的环向应变分布趋势，环向应变大的地方对应的管壁腐蚀严重。

假设管道无限长，管道内的压力致使管道外壁产生环向变形存在以下公式，其中h为管道壁厚、p为管道内部压力、r为管道内径、ε_y为管道外壁环向应变、E为管道弹性模量，可知管道压力和壁厚的变化都会引起管道环向应变的变化，泄露引起的管道压力的变化是瞬态、腐蚀引起的管道壁厚的变化十分缓慢接近于静态，从信号处理的角度来说完全可以把泄漏和均匀腐蚀区分开。管道泄漏会导致管道泄漏点压力减小，压力减小的波会以指数形式衰减传递，因此管道环向应变会以泄漏点为中心向管道上下游呈一定的规律分布，越靠近泄漏点环向应变突变越大，相比传统的负压波定位泄漏点方法，采用能量衰减法提高了管道最小可检测泄漏率，既无需管道直径、壁厚、弹性模量以及管道内流体物理性质等有关参数，也不受管道负压波波速准确值的限制，只需通过一系列测点获得泄漏发生时的环向应变值，即可拟合出管道泄漏的位置。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，其特征在于：包括

若干个采用复合材料封装的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器以一定预紧力固定在长直管道外壁上和弯管处外壁上，固定在长直管道外壁上的光纤光栅传感器均只有一个光纤光栅并且沿轴向等距排布，固定在弯管处外壁上的光纤光栅传感器上均设有多个光纤光栅并且同一光纤光栅传感器上的光纤光栅沿周向均匀排布；

分光系统，包括宽带光源、环形器和光开关，宽带光源发出的光依次经过环形器和光开关后分别到达每个光纤光栅传感器的光纤光栅，光纤光栅反射回来的光依次通过光开关和环形器后到达解调系统；

解调系统，用于将从每个光纤光栅传感器的光纤光栅反射回来的光解调成数字信号；

控制系统，用于控制光开关并对解调系统解调的数字信号进行分析从而判断管道泄漏位置和腐蚀情况。

2.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，其特征在于：光纤光栅传感器根据管道的工作温度选择相应的封装材料和刻栅工艺。

3.如权利要求1或2所述的基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，其特征在于：光纤光栅传感器的封装材料为玻璃纤维或碳纤维。

4.如权利要求1所述的基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，其特征在于：光纤光栅传感器通过环氧树脂胶水粘贴固定。

5.如权利要求1或4所述的基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置，其特征在于：只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器的固定点位于两端，设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器的固定点位于每个光纤光栅的两侧。

6.一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测方法，其特征在于：在长直管道外壁上沿轴向等距固定只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器、在弯管处外壁上固定设有多个光纤光栅的并且光纤光栅沿周向均布的光纤光栅传感器，将每个光纤光栅反射回的信号进行处理得到每个光纤光栅所在处管道环向应变的变化；

通过只有一个光纤光栅的光纤光栅传感器测得管道环向应变的变化情况来判断长直管道是否泄漏、找到泄漏位置、获取均匀腐蚀情况——只发生泄漏时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合，两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置；只发生均匀腐蚀时，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，通过均匀腐蚀部位的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；泄漏和均匀腐蚀同时发生时，以泄漏点为中心上下游的管道环向应变会出现一个依次逐渐减弱的突变并且这个突变是一个瞬态过程，在非瞬态过程，均匀腐蚀部位的管道环向应变会增大但是周围的管道环向应变不变，对各管道环向应变的突变值取对数并进行直线拟合、两条拟合直线的交点为管道环向应变突变值最大位置即泄漏位置，通过均匀腐蚀部位在非瞬态过程的管道环向应变求出均匀腐蚀部位的壁厚从而获取均匀腐蚀情况；

通过设有多个光纤光栅的光纤光栅传感器测得局部环向应变的变化情况来判断弯管处的非均匀腐蚀情况——对同一个光纤光栅传感器测得管道局部环向应变做插补计算得出所在截面的环向应变分布趋势，环向应变大的地方对应的管壁腐蚀严重。