CN111521126B - 海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法，属于结构智能健康监测和检测技术领域。根据海管整体和局部变形测试需求，设计光纤光栅串的间距、十字型构造、嵌入CFRP布的空间布置及CFRP布的层数和厚度。根据海管变形分布特征和应变传递理论设计高强环氧树脂胶将CFRP布封装的十字型光纤光栅串探头固定在海管外壁。经高强环氧树脂胶粘贴固化后的CFRP布封装十字型光纤光栅串则在管壁形成智能CFRP格栅结构，其内嵌的光纤光栅传感网监测海管环向和轴向应变。本发明的监测方法，化历程的准分布式器，为海管结构服役过程中三维形态信息的长期连续监测、结构安全状态评估和损伤演化规律探索提供有效的器件和技术方法。

Description

海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法

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三维形态重构的光纤光栅传感监测方法。

背景技术

随着我国经济高速发展，能源需求也迅速攀升，尤其体现在石油资源方面。然而，我国陆上石油生产增长缓慢，探明的石油储量已出现逐年下降趋势。海洋石油的开发、输油气管道的建设就显得尤为重要。海底管道是油气输送的生命线，其造价极高，在其服役的中后期由于复杂环境影响，海管漏油等事故的频发。例如，1998年东海平湖油田管道渗漏，损失高达1.6亿元。因此，海管系统真实的结构抗力、安全状态和剩余寿命等成为国内外学者和工程师关注的重点和难点。海管在酸性成分(主要是CO₂或H₂S)含量增高的影响下，在混输流体中可能导致分压值增高，从而造成严重腐蚀。其次，管道自身缺陷，主要包括焊缝焊接存在隐患，使得运行期间发生流体渗漏进入双层海管的环空造成腐蚀穿孔；原油中夹杂的海砂对管壁造成连续的冲刷作用，也会侵蚀部分海管结构。海底管道受这些累积损伤的影响，会出现管道泄漏甚至断裂的问题，进而产生难以挽回经济损失，并且对海洋生态环境也会造成巨大的破坏。因此，采用有效手段监测海管结构变形，把握结构整体姿态、评估海管结构安全状况、识别结构损伤、提前预测和及时预警输送原油介质泄漏，具有重要的工程意义。

目前，能够保证海底管道安全运行的重要手段是对其进行定期的安全检测。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都是目前常用的对海底管道进行安全检测的方法。这类方法较侧重于间断性的检测和损伤后诊断，长期连续监测海管结构形态成本高、灵敏度低、受环境影响较大，很难及时诊断损伤和损伤定位及评估安全状态。针对上述问题，光纤传感技术，以灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、防爆防火、耐腐蚀、抗电磁干扰、几何形状多方适应性、可设计、易集成多尺度传感网络等突出优势，而被应用于海管的温度、应变和(裂缝、穿孔、腐蚀)损伤检测。

目前国内外很多学者，如冯新等通过利用BOTDA原理的分布式光纤传感技术对海底管道的横向应变和屈曲的发生扩展进行监测以诊断海管结构的完整性；张晓威等利用分布式光纤监测进行了泄漏液体与周围介质温度的研究；Bernini R等验证了沿轴向反向布置三条120°的分布式光纤传感器能够对管道的螺旋变形进行监测。此类分布式和准分布式光纤传感技术均采用外贴式或缠绕式光纤传感器件，与海管表面的一致性程度不高，易出现界面剥离的现象，且对于光纤传感器的保护不够完善，使得有效的监测时间缩短。由于二氧化硅材质的裸光纤光栅抗弯折能力弱，必须采用可靠的封装形式进行保护以确保其成活率、长期稳定性和测量的准确有效性。

因此，本文提出了一种兼顾海管结构整体和局部变形监测的十字型光纤光栅串传感探头及其重构海管三维形态的方法，其核心是设计高强度、轻量化的CFRP布碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer，简称CFRP)布封装光纤光栅串形成十字型光纤光栅串传感探头，利用高强环氧树脂胶将探头粘贴在海管结构周围形成闭环格栅结构，从而构建覆盖海管环向和轴向变形监测的光纤传感网络。在海管变形测试过程中，该内嵌光纤光栅串的CFRP布格栅将与海管结构协同变形，通过监测光纤光栅波长数据的变化获取结构应变，然后辅以曲面重构算法，实现海管三维形态的输出，并服务于海管结构的安全评定和剩余寿命预测。

发明内容

本发明目的是提供一种兼顾海管结构整体和局部三维形态重构的光纤光栅传感器监测方法，解决海管结构安全运营过程中，海管整体和局部三维形态不易连续监测、长期稳定耐久测试技术差、局部外贴式光纤传感器件界面剥离引发的测试失效、海管变形全历程信息不易获取等工程应用问题。

本发明的技术方案是：

一种海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法，其实现步骤：根据海管结构形态重构测试需求，设计覆盖海管三维测点的十字型CFRP布封装光纤光栅串，并确定CFRP布的层数和厚度，并通过基础试验检测CFRP布封装光纤光栅串的感知性能和封装质量，确保探头的长期耐久稳定性；根据海管变形分布特征和应变传递理论设计高强环氧树脂胶的粘贴层，使其能将CFRP布封装光纤光栅串较紧密的固定在海管外壁，并将海管变形传递到光纤光栅感知元件；经高强环氧树脂胶粘贴固化后的十字型CFRP布封装光纤光栅串则在管壁形成智能CFRP格栅，内嵌的光纤光栅传感网监测海管环向和轴向应变；根据材料性能试验测试安装后的智能CFRP格栅在海管不同变形阶段的力学性能，采集每个光纤光栅的波长变量，并通过波长-应变-曲率之间的定量关系获取全尺度范围内的动态曲率，辅以曲面重构算法，实现海管三维形态的输出。

该海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法如同在海管外围附加一层智能CFRP格栅结构与海管协同变形，且CFRP格栅内嵌的光纤光栅传感网能连续监测海管结构动态变形信息，辅以曲面重构算法可以较精确地输出海管实时的三维形态模型。

所述的CFRP布封装光纤光栅串是根据海管几何尺寸和三维形态测试需求，设计光纤光栅串的间距、十字型构造及嵌入CFRP布的空间布置。

所述的智能CFRP格栅是利用高强环氧树脂胶将内嵌光纤光栅传感网的CFRP布浇筑在海管外壁，固化成型后即为智能CFRP格栅。

所述的动态曲率是利用外贴于海管的智能CFRP格栅中光纤光栅实时监测的应变信息，通过应变曲率的定量换算关系获取海管结构各时刻的曲率信息。

所述的曲面重构算法是指将曲面离散为多条平面曲线，首先完成曲面上多条曲线的重构，然后通过B样条插值的数值计算方法实现曲面重构。

所述的海管三维形态是指利用分布在海管全尺度上的多测点应变响应信息，辅以曲率曲面重构算法，输出海管动态三维形态模型。

本发明的效果和益处是：为海管结构三维形态重构提供了一种光纤光栅传感监测方法及智能CFRP格栅封装器件；解决了海管结构三维形态不被连续监测、长期稳定耐久测试技术差、局部外贴式光纤传感器件界面剥离引发的测试失效等健康监测领域的难题；实现了海管结构三维形态的全历程监测，为海管的损伤预警与结构安全评估提供有效的技术手段及可靠的数据支持。

附图说明

图1是海管三维形态监测的十字型CFRP布封装光纤光栅传感探头。

图2是布设内嵌光纤光栅传感网的智能CFRP格栅的海管结构横剖面图。

图3是布设内嵌光纤光栅传感网的智能CFRP格栅的海管结构纵断面图。

图中：1光纤；2光纤光栅；3CFRP布封装光纤光栅串；4智能CFRP格栅；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。

一种海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法，其十字型CFRP布封装光纤光栅传感探头如附图1所示；将十字型CFRP布封装光纤光栅传感探头通过高强环氧树脂胶固化形成智能CFRP格栅粘贴于海管外壁的横剖面图和纵断面图分别如附图2和附图3所示。

兼顾海管结构整体和局部三维形态重构的光纤光栅传感监测方法，其实施方式如下：

首先，根据海管结构的几何特性和三维形态测试需求，设计光纤光栅串间距和十字型构造(光纤光栅串的间距原则上越小越好，但是太过密集会增加元器件成本和制作难度，因此，需要同时兼顾经济、可操作、可实现和海管多测点信息获取等因素，从而确定最优的间距和十字型构造)及CFRP布封装层数和厚度等构造形式(通常最少选用16层0.2mm厚的CFRP布，封装成型厚度约为3mm，且呈十字型的光纤光栅串可以分别布置在第6层和第10层)，并研制十字型CFRP布封装光纤光栅传感探头；然后，根据应变传递理论设计高强环氧树脂胶将CFRP布封装光纤光栅传感探头粘贴于海管外壁，形成智能CFRP格栅结构，并通过材料性能试验监测海管和智能CFRP格栅协同变形性能、内嵌的光纤光栅传感网感知环向和轴向应变性能、海管基体和格栅界面粘贴强度等；最后，根据海管结构服役过程中三维变形的长期连续、可靠稳定和有效的全历程监测信息，通过信号解调技术和曲面重构算法将光纤光栅波长信号最终转化为海管三维形态的动态输出。

Claims (1)

1.一种海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法，其特征在于：根据海管(5)整体和局部变形分布特征，将呈一定间距的光纤光栅串(3)嵌入多层CFRP布的不同层内，嵌入多层CFRP布的光纤光栅串(3)沿海管(5)的环向和轴向分别布置，形成包覆在海管(5)外壁的十字型CFRP布封装的光纤光栅传感网；根据变形传递和封装保护需求确定CFRP布的层数和厚度，使得CFRP布封装光纤光栅串(3)传感探头测量长期稳定耐久；根据应变传递理论和海管(5)三维形态重构测试需求，利用高强环氧树脂胶将十字型CFRP布封装的光纤光栅传感网固定在海管(5)外壁，经高强环氧树脂胶粘贴固化后的十字型CFRP布封装的光纤光栅传感网在海管(5)管壁形成智能CFRP格栅(4)，并通过高强环氧树脂将海管变形传递到光纤光栅感知元件；智能CFRP格栅(4)与海管(5)协同变形过程中，其内嵌的光纤光栅传感网连续监测海管(5)动态环向和轴向应变信息，通过波长-应变-曲率之间的定量关系获取全尺度范围内的动态曲率，辅以曲面重构算法输出海管(5)实时的三维形态模型；所述的曲面重构算法是指将曲面离散为多条平面曲线，首先完成曲面上多条曲线的重构，然后通过B样条插值的数值计算方法实现曲面重构。

Images