CN111504218A - 一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法 - Google Patents

Abstract

一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法，属于结构智能健康监测和检测领域。根据应变传递理论设计超弹性材料封装准分布式光纤光栅串形成圆柱体，初次实现光纤光栅传感元件的保护和减敏处理，从而适应海管结构大变形测试需求。进一步考虑海管大变形的尺度和量程分布特征，根据应变传递理论设计粘贴层材质和几何半圆构型以兼顾圆柱状封装的准分布式光纤光栅串有效感知海管基体变形，同时接触界面之间具备足够的粘结强度以长期稳定耐久地感知大变形发展历程。本发明提供了一种海管结构大变形演化历程长期连续监测的准分布式光纤光栅传感器，为海管结构长期服役过程中结构安全状态和损伤识别的全历程信息监测提供有效的技术方法。

Description

一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的 方法

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测技术领域，涉及到的是一种海管结构大变形跟踪监测的准分布式光纤光栅串测试方法。

背景技术

深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了海洋油气管道的大量建设。海管是具有几何大变形的柔性结构，在长期运营过程中，受到海洋波浪、海水腐蚀、海流和海沙冲蚀等环境荷载的循环作用，局部位置易产生大变形。当变形超出管道材料承受的极限应变时，可能导致管道开裂，引发漏油事故，造成严重的环境污染和巨大的经济损失。因此，为减少海管局部大变形引发的结构裂缝损伤，需要了解服役过程中海管大变形的产生机理、发生位置和时间，从而为海管局部大变形的风险源防控、损伤修复和维护管理提供指导,并经济高效地维持海管正常运行和石油天然气等介质的持续输送。

由于海管服役过程中的环境和荷载因素较复杂，较难通过数值计算或理论分析手段确定海管的力学状态。因此，当前主要通过漏磁检测法、涡流检测法、超声波检测法、声发射和声呐技术等对其进行定期检测，通过判断管道压力和流量等参数诊断海管是否发生大变形或局部破裂。这些检测技术易受输送介质影响，微小损伤难以识别，存在成本高、灵敏度低、响应时间长、分辨率低、不易实时连续监测、原位实时监测较难实现等缺陷。此外，这些方法更侧重海管发生结构型损伤后的诊断，较难实现损伤发生前过程的连续跟踪和损伤预估等功能。由此可知：迫切需要发展有效长期连续的监测技术获取深海输油气管的几何形态、应力分布和损伤演化信息，及时进行损伤识别和状态评定，以确保海管的安全可靠运营和智能化高效经济管理。

为此，考虑基于光源输入输出的光纤传感元件监测海管结构变形。相比压电片和应变片等电式测量器件，光纤类传感器件具有电绝缘、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、布设方式灵活、易集成组网等显著优势。由于裸光纤材料的脆性特征，其抗弯剪能力较弱，应用时需要对其进行封装保护，以确保其能在恶劣服役环境中有效测量海管变形。

当前，部分学者采用多种不同的封装工艺保护光纤，并将封装的光纤用于海管应变的测量：采用塑料套管封装分布式光纤，并将封装的分布式光纤缠绕在管道外表面监测管道内壁腐蚀；采用海管外壁内嵌小钢管注浆封装光纤，使其协同感知管道结构变形；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。这些采用不同材料封装的分布式或准分布式工程化光纤传感器，在短期内实现了长距离海管结构变形和漏油信息的测试，但其长期有效测试的稳定性和准确性将取决于光纤、封装材料和海管之间接触截面的粘结质量及封装材料在长期服役过程中的力学性能。例如：钢管注浆封装的光纤，钢管的屈曲或注浆体的开裂均会影响内嵌光纤的测量有效性。

因此，本文提出了一种海管结构大变形监测的准分布式光纤光栅传感器，其核心是通过高弹性硅橡胶材料将准分布式光纤光栅串封装成圆柱体，再利用高弹性硅橡胶材料将内嵌光纤光栅串的圆柱体沿海管纵向呈半圆型浇筑，通过二次封装成型设计增加传感器与海管基体之间的界面接触面积，从而避免大变形过程中发生界面剥离导致的测量失效。这种封装材料和工艺能有效通过减敏方式提升光纤光栅串感知海管结构大变形的能力，同时自身的超弹性特征也决定其在传递变形中不易受损，能将基体变形有效传递到光纤光栅感知元件，为海管结构大变形的长期连续稳定有效测试提供了可行的技术和器件。其中，封装圆柱体半径和粘贴层半圆型半径均需考虑海管基体材质、几何尺寸和受力特征根据应变传递理论确定。具体的公式见发表的国内外期刊论文(基于应变传递理论的光纤传感器优化设计和Improving the durability of the optical fiber sensor based on straintransfer analysis)。

发明内容

本发明目的是提供一种海管结构大变形特征监测的准分布式光纤光栅传感器件及其测试方法，解决海管结构安全运营过程中大变形监测技术短缺、长期稳定耐久测试效果差、局部界面剥离引发的测试失效、连续变形数据不易获取等工程结构薄弱部位和局部损伤识别问题。

本发明的技术方案是：

一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法，步骤如下：为适应海管结构大变形监测需求，设计超弹性材料封装圆柱状的准分布式等间距光纤光栅串或准分布式多间距光纤光栅串探头，在准分布式光纤光栅串探头外初次设计封装层，封装层兼顾保护准分布式光纤光栅串探头和减敏效应以适应海管大变形测量需求；通过材料拉伸试验检测光纤光栅串探头在温度和力荷载作用下的感知性能和界面粘结状态；根据应变传递理论、海管大变形的尺度和量程分布特征，确定圆柱状光纤光栅串的安装布设工艺及粘贴层的几何半圆构型，以兼顾足够的界面粘结强度和基体变形有效地传递到光纤光栅串探头；根据海管结构测点需求，将经过二次封装设计的准分布式光纤光栅串探头沿纵向呈90°布置四条在海管管壁外围，通过超弹性材料粘结固定与海管协同变形；根据海管结构服役环境对其施加相应的静力或动力荷载，检验海管瞬态和稳态变形传递到光纤光栅串的效果及研发器件的测试质量和界面粘结状态，为海管大变形的连续长期稳定有效监测积累基础技术和科学数据；由二次封装设计带来的减敏效应使得光纤光栅感知测数较海管实际变形小，可以通过应变传递理论或标定试验确定换算系数，从而实现海管大变形的定量表征。当海管结构变形出现不可逆突变时，可以根据多条纵向光纤光栅串的连续测量信息识别大变形损伤发生的位置和程度，从而实现海管结构大变形的全历程监测和状态识别。

该种经过二次封装减敏设计的准分布式光纤光栅传感器能较高精度地识别小变形，且能保证界面粘结质量的条件下高精度地感知海管大变形，为海管变形的全历程监测提供可行的技术方案。

所述的准分布式光纤光栅串，是指根据海管测试需求，设计等间距或多间距的光纤光栅串，提取海管结构纵向断面的多点响应特征，实现准分布式测试。

所述的海管大变形，是指海管发生不可逆的、超出材料极限范围的变形，如局部屈曲和开裂等。

所述的二次封装减敏设计，是指采用超弹性硅橡胶材料初次封装保护光纤光栅串以提升其测量稳定性和量程，二次设计以确保封装的光纤光栅串与海管基体之间的变形传递效果和足够的界面粘结强度。

所述的协同变形，是指海管和封装的准分布式光纤光栅串之间变形较同步，即海管变形能通过粘贴层和封装层快速地传递到光纤光栅感知元件。

所述的超弹性材料，是指固化前呈液态的胶粘剂材料、固化后具备高粘结性能的超弹性硅橡胶材料。

本发明的效果和益处是：为海管结构大变形状态信息测试提供了一种长期稳定、连续耐久和经济有效的准分布式光纤光栅传感器和监测方法；解决了海管运行过程中结构大变形长期连续测试技术匮乏、光纤器件与海管基体剥离引发的测试失效、局部随机损伤不易识别和全历程信息不易获取等安全监测领域的难题；实现了海管结构大变形(如塑性屈曲和裂纹)信息的稳定连续监测和安全状态识别，可以避免海管破裂造成的重大事故和经济损失。

附图说明

图1是适用于大变形监测的准分布式等间距光纤光栅串探头。

图2是适用于大变形监测的准分布式多间距光纤光栅串探头。

图3是布设准分布式光纤光栅串探头的海管大变形纵剖面图。

图4是布设准分布式光纤光栅串探头的海管大变形横剖面图。

图中：1准分布式等间距光纤光栅串；2准分布式多间距光纤光栅串；3封装层；4粘贴层；5海管。

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。

一种海管结构大变形监测的准分布式光纤光栅传感器及其测试方法，其准分布式等间距和多间距的光纤光栅串探头结构分别如图1和图2所示；布设准分布式光纤光栅串探头的海管大变形纵剖面如图3；布设准分布式光纤光栅串探头的海管大变形横剖面如图4。

海管结构大变形监测的准分布式光纤光栅传感器，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，确定海管大变形的分布特点、量级和时间周期；然后，结合裸光纤光栅串测试应变的量程，根据应变传递理论设计光纤光栅串的封装层半径及分布位置，并确定超弹性封装材料型号(SYLGARD 184SiliconeElastomer)；其次，考虑海管结构变形特征，结合应变传递理论二次设计粘贴层的几何和物理参数，以确保封装的圆柱状光纤光栅串能较好地粘贴于海管表面，且在海管大变形传递到光纤光栅感知元件的过程中接触界面具备足够的粘结强度；最后，在海管结构发生大变形时，粘贴层和封装层在同步感知海管结构的响应时自身会消耗部分变形，另一部分变形则被传递到光纤光栅，即通过封装技术对光纤光栅进行减敏和保护处理，实现较小的光纤光栅测数表征海管结构的大变形。其中，光纤光栅测数和海管大变形值之间的定量关系可以通过应变传递理论或标定试验确定。

Claims (3)

1.一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法，其特征在于：根据应变传递理论，设计超弹性材料封装圆柱状的准分布式光纤光栅串探头，在准分布式光纤光栅串探头外初次设计封装层(3)，封装层(3)兼顾保护准分布式光纤光栅串探头和减敏效应以适应海管(5)大变形测量需求；根据应变传递理论、海管(5)大变形的尺度和量程分布特征，采用超弹性材料和半圆构型的粘贴层(4)将圆柱状的准分布式光纤光栅串探头粘贴在海管(5)外表面，以确保粘结界面长期稳定地将海管(5)大变形有效传递到内嵌的光纤光栅串探头；由二次封装带来的减敏效应使得光纤光栅串探头感知测数较海管(5)实际变形小，通过应变传递理论或标定试验确定换算系数，从而实现海管(5)大变形的定量表征。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的准分布式光纤光栅串探头为准分布式等间距光纤光栅串探头(1)或多间距光纤光栅串探头(2)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的超弹性材料，是指固化前呈液态的胶粘剂材料、固化后具备高粘结性能的超弹性硅橡胶材料。

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