[发明专利]一种简化的圆柱形管线疲劳应变监测方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋油气勘探开发领域，涉及隔水管、海底管线等海洋管线疲劳技术、材料力学、流固耦合振动、传感器技术等相关学科。

背景技术

随着海洋石油开发开采的迅猛发展，各种圆柱形海洋管线（隔水管、海底管线）广泛应用于油气输送、泥浆运输等作业。隔水管是连接海底井口与海面作业平台的唯一构件。海底管线是油气外输的便捷通道。随着海洋石油不断朝深水、超深水进军，上述管线面临极大的安全威胁。首先，对隔水管而言，与大陆架和路上钻探作业相比，深水作业的施工风险高、技术要求高、成本昂贵，其中最直接的风险是极大的施工和安全风险。茫茫大海中，隔水管就像一根头发丝，风，海浪，洋流、潮汐等时时作用于隔水管，同时还受到地震的威胁。在此条件下，隔水管将遭遇以流固耦合为特征的涡激振动，产生交变应力，诱发隔水管疲劳，降低隔水管使用寿命，甚至断裂，给深海石油开发造成重大损失。其次，对于海底管线，无论是位于大陆架还是深水海底，都将受到洋流、地震、海床凹陷、铺管时海底障碍物影响等作用，产生悬跨，即失去支撑的悬空管段。与隔水管类似，悬跨亦遭遇涡激振动的危害，特别是振动频率接近于本征频率时，将发生频率锁定。此种情形下，可能只需要经过几个振动周期就能使海底管线失效。

为确保上述管线服役期间的安全，降低海洋石油勘探开发的风险，相关的科研院所、石油公司对管线的疲劳问题进行广泛而深入的研究，形成以光纤传感器为基础的应力应变监测方法。

Fugro的FBG应变监测设备，采用沿隔水管横截面正交布放4个传感器和一个光纤温度传感器，其缺点是4个光纤传感器串联布放，安全可靠性较差。此种传感器布局在实验室研究试验中已被采用，为了测得最大应变，研究者将其中一个传感器安装于迎流面，但真实的海洋环境中，保证传感器与洋流方向已知是难以完成的任务。Thunder Horse的应力应变监测设备用8个传感器串联。虽然设备因配有坚固的保护外壳弥补了方法在安全可靠性上的缺陷，但很难测到最大应力。SMARTEC、INTEGRIstick等产品基于光纤微位移传感器，存在的缺陷是难以测得TTR的最大应变，更无法监测最大应变的方位。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种鲁棒性更强的简化的应变监测方法,减少一个传感器，简化了计算方法，降低了检测设备的功耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，在监测位置，沿圆柱体管线外壁沿圆周均匀并联布放三个应变传感器，以管线中心为原点，以设定的参考方向及其垂直方向分别为x、y轴构建直角坐标系，将三个应变传感器按逆时针被编号为1、2、3，三个传感器所测应变为ϵ1=ϵA+ϵ1bϵ2=ϵA+ϵ2b,ϵ3=ϵA+ϵ3b]]>式中，ε_A为管线的轴向应变，和分别为三个应变传感器所测弯曲应变，其取值为式中ε_max为圆柱管线最大弯曲应变，i=1，2，3，ε₁、ε₂和ε₃分别为第1、2、3个应变传感器所测应变，为第一个传感器与最大弯曲方向的角度；