随着国民经济的快速发展,输送能源的管道运输业的安全问题也显得越发重要(王占山等,2003)。但是随着管线服役时间的增长(冯耀荣等,1999),管道里程的不断增加,长输管道的泄漏、火灾、爆炸等恶性事故也不断增多,而油气管道一旦发生泄漏、爆炸等事故,不仅会造成巨大的资源浪费,还会对人民的生命财产安全造成巨大威胁(张恩勇等,2004)。因此,对管道安全运营问题的研究具有十分重要的意义。

由于受输送介质和外界腐蚀环境影响,管道常常会发生腐蚀,腐蚀缺陷造成的失效是既有埋地管道最主要的损坏方式之一(林新宇等,2011)。现有的管道腐蚀检测法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。检测技术主要有漏磁检测法、涡流检测法和超声波检测法等。检测原理均为测量管道壁厚变化,从而得到管道的腐蚀发展状况(刘慧芳等,2008)。但是由于石油、天然气均为易燃易爆物质,应用电类传感器对管道的安全状况进行测量的同时,也给管道的安全运营埋下隐患。

近年来,光纤光栅(Fiber Bragg Guting,简称FBG)作为一种新型的智能材料被广泛地应用于工程领域(任亮等,2013; Li et al,2004; 贾子光等,2010)。光纤光栅具有精巧轻柔、抗电磁干扰能力强、多参数测量(应变、温度、转速等)、无火花、耐酸碱腐蚀、稳定性好等优点,因此光纤光栅材料能够在复杂环境下进行长期工作,适用于输油输气管道的长期实时监测。这种新型智能材料已经广泛应用于管道无损监测技术之中(Ren et al,2006; 孙丽等,2012)。本文基于自行研制的光纤光栅应变箍传感器,提出一种通过测量管道环向应变来实现管道腐蚀监测的方法。

假设在化学腐蚀和冲刷腐蚀的共同作用下,管道的内壁表面上发生了均匀腐蚀,在工作压力下管道均匀变形。反映环向应变和管道壁厚关系的基本公式为

Δε_h=(RΔP)/(dE).(1)

其中,Δε_h表示管道的环向应变,R表示管道外径,ΔP表示管道内压变化量,d表示管道壁厚,E表示管道材料的弹性模量。

由式(1)可知,当R、ΔP、E为定值时,管道的环向应变与壁厚成反比。管道在正常运营过程中,内压基本保持恒定,管道外径保持不变,因此通过长期监测管道环向应变Δε_h的变化情况,就能够得到管道壁厚d的变化情况,从而随时掌握被监测管道的腐蚀程度。通过这种方法进行管道的腐蚀监测,首先要能够有效地测量管道环向应变,因此笔者研制了一种FBG应变箍传感器。

FBG应变箍传感器由一根带有栅区的光纤,两个夹持套管,两个夹持块,一个保护管套,一个滑动端,一个固定端组成,其结构如图1所示。

图1 应变箍传感器实物(a)及内部结构(b)示意图

表1 封装材料以及光纤的物理性质

将FBG应变箍传感器安装在管道外壁,当管道发生变形时,产生的形变传递给内层钢管以及光纤,内层钢管与光纤受到的力相等,所以光纤的变形为

ΔL_f=(pL_f)/(E_fA_f).(2)

内层钢管变形为

ΔL_s=(pL_s)/(E_sA_s).(3)

式中,L_s表示两段内层钢管的长度之和,L_s=L₁+L₂; p表示内层钢管与光纤受到的拉力,L_f表示光纤的长度。由式(2)和(3)以及表1各材料特性可得:

(ΔL_s)/(ΔL_f)=0.019 1×(L_s)/(L_f).(4)

对于FBG应变箍传感器,L_s与L_f的比值大于1,所以应该考虑内层钢管的变形。由于FBG应变箍传感器紧箍在管道外壁,理想状态下,管道的环向变形将全部传递到内层钢管和光纤上,因此管道环向平均应变可以通过内层钢管和光纤的应变表示为

ε_h=(ΔL_s+ΔL_f)/(L_s+L_f).(5)

式中,ε_h表示管道的环向平均应变,所以光纤应变与管道环向平均应变之比为

(ε_f)/(ε_h)=((ΔL_f)/(L_f))/((ΔL_s+ΔL_f)/(L_s+L_f))=((L_s)/(L_f)+1)/(0.019 1×(L_s)/(L_f)+1)(6)

其中,ε_f表示光纤的应变。定义ζ为FBG应变箍传感器灵敏度系数:

ζ=(ε_f)/(ε_h)=((φ+1))/((0.019 1φ+1)).(7)

其中,φ=L_s/L_f为增敏系数影响因子,所以对于管道环向平均应变有

ε_h=(ε_f)/ζ.(8)

对于波长为1 550 nm附近的FBG应变传感器,其应变与中心波长的关系为

ε_f=(Δλ)/(K_f).(9)

其中,K_f =1.2 pm/με,因此对于FBG应变箍传感器,由式(8)与(9)可得管道环向平均应变与FBG应变箍传感器中心波长关系为

ε_h=(Δλ)/(ζK_f).(10)

从式(7)可以看出,FBG应变箍传感器的灵敏度可以通过调整增敏系数影响因子φ来实现,因此可以针对不同的测量要求,调整FBG应变箍传感器的测量灵敏度。

在本次试验中,设计了两个管道模型:一个是均匀腐蚀管道模型,由长为150 mm,直径为273 mm,不同管道壁厚度(6.0 mm、5.0 mm、4.6 mm、4.2 mm、3.8 mm、3.4 mm、3.0 mm)

的7部分组成,如图2所示; 另一个是局部腐蚀管道模型,由长为150 mm、直径273 mm,局部腐蚀区管道壁厚度均为3 mm,不同腐蚀区角度(30°、60°、90°、120°、180°、270°)的6部分组成,如图3所示。将FBG应变箍传感器安装在每一部分的中间位置,防止边缘效应对试验结果造成影响。传感器连接到解调仪上,解调仪通过以太网将收集到的信号传输到PC机上,以此来实现对全腐蚀的监测,解调仪采集信号的频率为10 Hz。通过最大泵压为0.4 MPa的气泵向管道内打气提供压力环境,模拟实际工程中的输油输气管道运营环境。压力传感器(采用cRIO9140进行解调)安装在管道模型入气口一端,测量管道内部压力值。试验在26°的室温下进行,因为FBG对于温度也很敏感,FBG应变箍传感器的测量结果均用温度传感器测得的值进行补偿和修正。

本文提出了一种应用FBG应变箍传感器进行管道腐蚀监测的方法,并通过实验测试这种方法的可行性,结果表明:(1)FBG应变箍传感器对管道环向应变非常敏感;(2)通过FBG应变箍传感器可以准确地测量管道腐蚀的发生和发展。综上所述,FBG应变箍传感器适用于油气管道腐蚀监测,并且具有可以测量整个管道截面环向应变、对管道的腐蚀进行实时监测、无需破坏管道就可以探测到腐蚀的发生和发展情况等优点。