[发明专利]海管三维形态重构的光纤光栅传感监测方法

说明书

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。

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