[发明专利]海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法

说明书

本发明提供了一种海管结构损伤在线诊断的智能光纤环皮监测方法，属于结构智能健康监测和检测技术领域。在海管结构增设超弹性硅橡胶环皮层，超弹性硅橡胶环皮层上构建环向光栅串和轴向呈U型环分布式光纤，二者呈内外布置，根据应变传递理论设计超弹性硅橡胶环皮层厚度以确保光纤感知元件和环皮胶体之间最优的变形传递效率和最佳的粘结强度，形成内嵌光纤传感网络的智能光纤环皮感知层。本发明发展了海管结构局部损伤在线诊断和整体变形信息量化表征的智能光纤环皮监测方法，为长距离海管运行过程中损伤在线诊断、维修养护策略的制定和海管结构的反演设计提供有效的技术手段和科学的数据积累，并服务于海管结构的安全运行和损伤预测。

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测领域，涉及到的是一种海管道结构局部损伤跟踪监测和识别的光纤传感测试方法。

背景技术

随着国内能源需求的增长，深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了油气管道的大量建设。例如：南海油气资源的开发逐步拓展到3000米左右的深海，作为油气输送生命线的深海立管大量投入使用，油气管道造价成本极高。随着新增和超期服役海管数量的增加，海管漏油事故频发，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关注的重点。海管是具有几何大变形的柔性结构，由于上部平台位置变化、大尺度涡激振动和海床接触等复杂因素的影响，铺管作业等复杂工况下的水下姿态处于不确定状态。在深海高浓度腐蚀作用下，海管管壁局部厚度被削弱，易形成孔洞。其次，原油中夹杂的海砂会对管壁造成连续的冲刷作用，也会侵蚀部分海管结构。在复杂海洋环境荷载(如波浪、海流、浮冰、海床滑移和液化引起的悬跨等)作用下，易发生裂纹。这些累积或突发的穿孔、裂纹、疲劳断裂或其他损伤均会导致巨量的燃气油泄漏，进而引发严重的爆炸和环境污染，造成巨大的经济损失，危害极大。为降低海管局部损伤引发的原油泄漏和停产风险，迫切需要发展有效的监测技术对海管结构性能进行实时状态评定、局部损伤在线诊断及安全评估，从而指导海管的快速维修、经济高效地维持海管正常运行和石油的持续输送。

当前，维护海管安全运行的主要技术手段是采用漏磁检测法、涡流检测法、超声波检测法等对其进行定期检测。这些方法更偏重于海管结构损伤后的检测，无法对损伤发生前过程进行实时跟踪和预判，且较难实现结构损伤时空特征演化的长期连续监测、在线损伤诊断和结构安全状态评定。当面对远海和深海海管时，这些检测方法存在效率低、周期长、成本高等缺点。为此，光纤传感元件，因其电绝缘、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、测点多、布设方式灵活、易集成组网等优势，而被国内外学者应用于海管的温度、应变和漏油检测。

目前部分学者将分布式光纤用于测量海管横向屈曲应变，以检测海管结构性能；通过分布式光纤监测泄漏液体和周围介质温度的方式诊断管道是否存在漏油；通过将分布式光纤缠绕在管道外表面的方式监测管道内壁腐蚀情况；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；采用轴向反向呈120℃排列的三条分布式光纤监测管道螺旋变形；通过在管道外壁黏贴光栅串的方式和应变模态算法识别管道结构裂纹。上述分布式和准分布式光纤传感技术，虽然在一定程度上实现了长距离海管结构变形、损伤和漏油信息的测试，但由于其本质上属于采用外贴式光纤传感器件。因此，该种测量方法的有效性将极大地依赖所采用的高强粘结剂质量、接触界面之间的粘结质量和粘结面积。由长期变形或局部大应力集中引发的分布式光纤传感器和海管结构之间的局部界面剥离将极大地缩短有效测量时间，无法实现较长期稳定耐久有效的测试。