基于光纖傳感油氣管道安全監(jiān)測評價系統(tǒng)研究

陳雅楠　曹宏遠等

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，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1-2]

1.2 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)掃描波長范圍和每一個光纖光柵的工作范圍決定。當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 nm×8路=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?/p>

3 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。

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