基于光纖傳感油氣管道安全監(jiān)測評價系統(tǒng)探究

1、基于光纖傳感油氣管道安全監(jiān)測評價系統(tǒng)探究摘要：管道腐蝕缺陷一直是困擾著安全生產(chǎn)重要隱 患，因此有必要對管線進行安全監(jiān)測。該研究以實現(xiàn)智能化 評估管線安全狀態(tài)為目的，利用分布式光纖光柵，對由于管 道內(nèi)部腐蝕缺陷引起的表面應(yīng)變進行了監(jiān)測。并結(jié)合管壁應(yīng) 力場分布特性，建立起了一套實時在線的含缺陷管道光纖光 柵監(jiān)測評估系統(tǒng)，結(jié)合開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)軟件可有效地評價含缺 陷管道的實時的受力狀態(tài)和安全運行狀況。關(guān)鍵詞：管道缺陷光纖光柵 實時在線監(jiān)測系統(tǒng) 安全 評估監(jiān)測軟件中圖分類號：tp393文獻標識碼：a文章編號： 1674-098x (2013) 03 (a) -00-02傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)在實際應(yīng)用中常常要對管

2、線進行全線 普查并綜合運用多種技術(shù)手段進行完整性評估，需要耗費大 量的人力、物力及時間成本。限于技術(shù)原因及腐蝕、環(huán)境因 素，管線失效導(dǎo)致的安全責(zé)任事故往往由于不能實時檢測或 監(jiān)測引發(fā)的。而目前的沿線日常巡檢方式過于粗獷，無法對 問題管段的情況精確監(jiān)測，也不可能以人力長期實時監(jiān)測。針對傳統(tǒng)方法中的缺點，本研究建立一種保障油氣運輸 管道安全，且符合實際生產(chǎn)需要的新型監(jiān)測技術(shù)體系，通過 對管道表面微應(yīng)變的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理和安全評估，及時 對管道的使用情況進行評價，進而降低管道事故發(fā)生率，便 于有計劃的對管道進行維修和更換管理，使其成為油氣管道 安全運行的重要保障。此方法具有對目的管道實時在線監(jiān)測，

3、軟件界面操作簡 單，除定期維護外無需人工作業(yè)，軟件對監(jiān)測結(jié)果直接進行 評價，將監(jiān)測與評價有效的結(jié)合在一起。尤其在一些易產(chǎn)生 問題又不方便經(jīng)常進行人工檢測的管線重點部位，有著顯著 的優(yōu)越性，彌補了傳統(tǒng)方法的不足，從而能夠節(jié)省大量人力、 物力和時間，取得更高經(jīng)濟效益。1光纖光柵監(jiān)測適用性研究本研究中采用光纖光柵作為本安型傳感器。光纖光柵傳 感器(fiber bragg grating sensor)屬于光纖傳感器的一 種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對光纖布 拉格(bragg)波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào) 制型光纖傳感器。它可以直接貼裝在被監(jiān)測管線的表面，長 時間持續(xù)不斷對管

4、線表面應(yīng)變進行準確測量。監(jiān)測得到的結(jié) 果可直接評價，得到管道的當(dāng)前受力狀況和剩余強度。1.1傳感器的布設(shè)研究根據(jù)缺陷部位管壁受影響的應(yīng)力場范圍，可以確定內(nèi)部 缺陷對管壁應(yīng)力應(yīng)變影響范圍，約是管道壁厚的6倍；應(yīng)變 極值位置出現(xiàn)在缺陷中心附近；應(yīng)變以周向應(yīng)變?yōu)橹鳌?-21.2傳感器的溫度補償2管道安全監(jiān)測系統(tǒng)研制管道安全監(jiān)測系統(tǒng)是針對管道腐蝕失效的影響，一套適 用于油氣管道的新型實時在線監(jiān)測技術(shù)。具有獨立、自動化 的特點。2. 1監(jiān)測系統(tǒng)框架2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)光纖光柵管道安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件是采用了分布式光纖 光柵傳感技術(shù)研制而成的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于其與光纖光柵 陣列與波分、空分和時分復(fù)用技術(shù)緊

5、密結(jié)合，使得該類系統(tǒng) 測量的傳感點數(shù)大大增加，它是一種光纖光柵傳感復(fù)用解調(diào) 裝置，適用于由多只光纖布拉格光柵組成的傳感陣列的復(fù)用 信號解調(diào)系統(tǒng)，具有較高的調(diào)諧精度和測量精度。工作系統(tǒng) 如圖5所示。硬件除去作為感知元件的光纖光柵傳感器，全部設(shè)計集 成在工控機當(dāng)中，工控機如圖6所示。該部分根據(jù)石油及天 然氣管線運行所需遵守的行業(yè)規(guī)范進行設(shè)計，主要由寬帶光 源、光纖光柵調(diào)諧裝置、光電轉(zhuǎn)換、控制電路、等幾部分組 成。其作用是給傳感器提供光源，傳感器感知管道應(yīng)變影響 將光波衍射為不同波長，經(jīng)過內(nèi)部的解調(diào)儀等裝置，將光信 號轉(zhuǎn)換為電信號。本傳感系統(tǒng)的光纖光柵可以分為8路。每一路可串接的 光纖光柵個數(shù)由系統(tǒng)

6、掃描波長范圍和每一個光纖光柵的工 作范圍決定。當(dāng)取每一個光纖光柵的工作波長范圍為2 nm時，系統(tǒng)最大可測量的點數(shù)為：16 nm/2 nmx8路二64個（最 大可測點數(shù)可根據(jù)實際需要增加分路）。工控機除了提供光 源，控制采集掃描頻率及信號解調(diào)轉(zhuǎn)換，還兼有計算機主機 功能，可以及時對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析或?qū)С觥?監(jiān)測軟件設(shè)計與實現(xiàn)3. 1通訊模塊通訊模塊主要功能是完成計算機與微處理器之間的通訊功能。在本系統(tǒng)中，計算機與微處理器之間是通過串行接 口進行通訊的。系統(tǒng)軟件可以控制步進電機的動作，包括前 進、后退、歸零等。還可以控制光開關(guān)，切換不同的通道。同時，計算機還通過串行口接收來自微處理器的光

7、電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。3.2數(shù)據(jù)分析模塊該模塊對于由微處理器傳送過來的不同波長處的光功率信號（電壓）進行分析，得出對應(yīng)傳感光柵的中心波長, 計算其波長漂移，進而得出對應(yīng)溫度或應(yīng)變的漂移。其中, 最關(guān)鍵的是中心波長的獲取。3.3軟件功能模塊此模塊提供用戶可視化軟件界面，它通過數(shù)據(jù)分析模塊可以獲得核心數(shù)據(jù)信息，即傳感器測量的應(yīng)變值，用戶通過 界面可以得到所有在監(jiān)測點的數(shù)據(jù)和監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，為是觀 測人員直觀的監(jiān)測管線狀態(tài)，系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計了多種數(shù)據(jù)監(jiān)測 控件，控件的運用使軟件不僅僅能顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，還能反應(yīng) 管線應(yīng)力的變化趨勢，滿足用戶的最終需求。圖7為監(jiān)測軟 件的部分界面。4結(jié)語該文介紹了一種智能實時在線管道安全

8、監(jiān)測技術(shù)。提出 了適用于管道體積型缺陷光纖光柵監(jiān)測方案。本課題創(chuàng)新點 如下。(1) 研究了光纖光柵適用于含體積型缺陷管道安全監(jiān) 測的方案，排除環(huán)境溫度的干擾因素是監(jiān)測結(jié)果更加準確。(2) 集成光源、光開關(guān)、解調(diào)設(shè)備等硬件于一體，連 同主機合成一臺工控機，方便移動存放。(3) 開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)軟件，方便進行人機交互，可以 通過不同功能界面實現(xiàn)監(jiān)測者需求，并且系統(tǒng)軟件可以直接 作出管道安全性評估，彌補了傳統(tǒng)評價過程復(fù)雜、耗費過多 的缺點，節(jié)省大量人力物力。參考文獻1 江宏，崔何亮分布式光纖傳感技術(shù)在管線檢測中 應(yīng)用z.歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司.2 王禹欽，王維斌，馮慶善.腐蝕管道的剩余強度評 價j腐蝕與防護，2008, 29 (1)： 28-31.3 黃波，周蔭清，譚立英，等溫度及應(yīng)力變化對光 纖光柵布喇格波長的影響j.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)， 2001, 3 (3)： 23-24.4 asme b31g-2009 manual for determining theremainingstrength of corroded pi