基于環向應變的燃氣管道泄漏監測試驗*

任 亮， 夏夢穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學建設工程學部 大連， 116024)

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基于環向應變的燃氣管道泄漏監測試驗*

任 亮， 夏夢穎， 姜 濤， 賈子光， 崔曉蕾

(大連理工大學建設工程學部 大連， 116024)

燃氣管道由于其功能的特殊以及深埋于地下或海底的環境，如果泄漏將引起災難性的后果。泄漏引起的負壓波會導致管道內壓降低，進而引起管道環向應變減小。提出一種利用光纖光柵應變傳感器測量管道環向應變，對管道泄漏進行無損監測的方法。利用準分布式安裝在燃氣管道模型主線以及支線上的光纖光柵應變傳感器(fiber Bragg grating，簡稱FBG)進行多種泄漏工況模擬試驗，包括不同位置泄漏、支線泄漏和模擬調泵。試驗結果表明，光纖光柵應變傳感器能夠迅速準確地監測到管道的泄漏信號，這種基于環向應變監測的管道泄漏監測方法是可行的，具有很大的發展前景。

管道； 泄漏監測； 光纖光柵； 傳感器； 環向應變

引 言

隨著國民經濟對石油天然氣能源的需求量越來越大，作為石油天然氣產品的主要運輸方式,油氣管道工業的發展日新月異。但是隨著管道使用年限的增長，在服役過程中不可避免地產生各種損傷，腐蝕破壞、人為及自然災害破壞和長期荷載作用下的疲勞破壞等都會導致管道泄漏事故頻繁發生[1]，造成巨大的資源浪費，對土壤及水體產生嚴重污染[2]，甚至釀成火災及爆炸事故，嚴重威脅管線所經之處人民生命財產安全。因此，在石油天然氣管道的運營維護時，對管道進行長期有效地連續實時監測并確定泄漏點位置[3-4]，對于保證管道安全運行、減少經濟損失和保護國家人民生命財產安全有著重大意義。

目前，管道泄漏的檢測方法主要有人工巡視法、機載紅外線法、探測球法、電纜檢測法、超聲檢測法以及基于數學模型和軟件的負壓波法、壓力梯度法、互相關檢測法[5]及應變模態差方法[6]等。這些方法普遍存在無法長期實時監測、耗資大、反應慢和檢測精度不高等問題。超聲檢測法等應用的電類傳感器在長距離(>500 m)傳輸過程中信號的損耗較大，信號中混雜有大量強背景噪聲，影響數據的分析效果，需要對信號進行多種降噪處理[7]。因此，亟需一種能夠克服上述缺點的管道泄漏檢測方法。

近年來，光纖光柵傳感技術在工程監測領域發展迅速[8]。光纖光柵作為一種新型的智能傳感元件，具有精巧輕柔、穩定性好、耐酸堿抗腐蝕[9]、抗電磁干擾和精度高[10]、無火花[11]等優點，還擁有復用能力強和信號為波長調制的優勢[12-14]，十分適合應用于燃氣管道監測。

由于泄漏引起的負壓波會引起管道內壓降低，這直接導致管道環向應變的變化。因此，筆者提出一種基于環向應變的管道泄漏監測方法，利用一種基于夾持式方法封裝的光纖光柵應變傳感器監測得到由管道內部壓力導致的管道外壁環向變形情況。

1 基于光纖光柵傳感器的管道泄漏監測理論

1.1 管道泄漏監測理論

管道在運營期間，需要通過加高壓輸送液態和氣態介質，因此管道內部存在較大的內部壓力，這種壓力會使管道發生膨脹，致使管道外壁產生環向變形，如式(1)所示。

(1)

其中：εy為管道外壁環向應變;ν為管道泊松比;σy為管道外壁環向應力；σz為管道外壁軸向應力；E為管道彈性模量。(徑向應力σx=-p近似為零。)

假定管道為無限長，則管道內部壓力導致的管道外壁軸向應變σz可忽略不計，即σz= 0；同時,σy=pR/h，其中：p為管道內部壓力；R為管道內徑；h為管道壁厚。將σz和σy的值帶入式(2)，得到管道壁厚與管道外壁環向應變的關系式為

(2)

當管內壓力變化時，管道外壁的環向應變也會隨之變化，兩者成正比例關系。當管道發生泄露時，泄漏點的流體迅速流失，壓力下降，泄漏點兩邊的氣體由于壓差而向泄漏點處補充。這一過程依次向上下游傳遞，相當于泄漏點處產生了以一定速度傳播的負壓波[15]。負壓波在沿管道傳播的過程中將導致管道壓力的瞬間減小，管道泄漏是短時間事件，在泄露發生時刻可認為管道壁厚h保持不變。管道內部的壓力變化將導致管道外壁的環向應變變化。因此，可以通過監測管道的環向應變的變化情況來監測管道是否泄漏。

1.2 光纖光柵應變傳感器基本理論

傳感器主要由光纖光柵、兩個夾持部件以及兩個固定支點組成,如圖 1所示。傳感器實物如圖 2所示，夾持部件為鋼管，直徑為d；設兩端固定支點的距離為L，兩端夾持部件之間的距離為Lf。

圖1 用于環向應變測量的光纖光柵應變傳感器的原理圖Fig.1 The schematic diagram of FBG strain sensor used in hoop strain measurement

圖2 光纖光柵應變傳感器Fig.2 The picture of FBG strain sensor

假設由于內壓改變導致管道產生的環向應變為σ，則管道半徑的改變量ΔR=Rε，兩固定支點沿著管道徑向產生位移；定義α為經過固定支點處的管道軸線與傳感器軸線的夾角，則兩固定支點位移導致光纖光柵應變傳感器發生軸向變形為

(3)

其中：α為兩固定支點處的圓心角

(4)

夾持部件和光纖光柵的變形分別為ΔLS和ΔLf。忽略鋼管內膠層和光纖的影響，由材料力學基本原理可得

(5)

(6)

其中:Es和Ef分別為鋼和光纖的彈性模量；As和Af分別為夾持鋼管和光纖的截面積；Ps和Pf分別為夾持鋼管和光纖光柵所受的內力。

傳感器內部內力處處相等，即Ps=Pf，由此可得

(7)

根據筆者的研究[16-17]，由兩端夾持式光纖光柵應變傳感器工作原理的研究可知，在整個傳感器的結構中，夾持部件的應變可以忽略。固定支點之間的變形量可認為全部加載在光纖光柵上。

ΔL=ΔLf

(8)

得

(9)

對于中心波長處于1 550nm波段的光纖光柵，傳感器應變與中心波長變化關系為

(10)

得到管道環向應變ε

(11)

由式(11)可以看出，通過調整Lf與α值，可以改變傳感器的應變測量靈敏度。

2 基于光纖光柵傳感器管道泄漏監測試驗

2.1 試驗系統介紹

為了對燃氣管道泄漏定位進行試驗研究，搭設了燃氣管道模型。該模型能夠真實地模擬燃氣管道的泄漏情況。管道模型材料選取為鋼材，試驗直管道長為14 m，管徑為DN50，管道壁厚為4 mm，彈性模量為210 GPa。考慮試驗安全，通過空氣壓縮機為管道加壓，系統設計最大壓力為2.0 MPa。

圖 3為試驗系統簡圖。為消除空壓機引起的氣體波動，在管道上游設儲氣罐，將空壓機壓縮得到的高壓空氣存儲在上游儲氣罐E1中，待穩定后繼續其他試驗操作; 在管道下游也設置一儲氣罐E2, 從而形成管道上下游壓差，可實現上下游任意壓差可調。

圖3 試驗系統簡圖及傳感器布置圖Fig.3 Experiment system and sensors arrangement

為模擬真實的泄漏過程，并使泄漏孔大小可調，泄漏量大小可測，試驗臺中采用手動球閥、電磁閥和轉子流量計的組合形式模擬泄漏，其中手動球閥控制泄漏孔徑大小，電磁閥的突然開啟模擬泄漏的突發過程，轉子流量計用來計量泄漏量。

2.2 采集系統及傳感器布置

光纖光柵中心波長的測量采用美國Micron optics公司的四通道解調系統SM-130，該設備集成了掃頻激光光源和可調光纖濾波器解調模塊，儀器的掃描頻率為1 000 Hz，波長分辨率為1 pm，工作波長范圍為1 510～1 590 nm。

為了監測管道在泄漏以及沖擊荷載作用工況下的響應，在管道的關鍵部位安裝光纖光柵應變傳感器。傳感器布設位置和中心波長如圖3和表1所示。其中,主線上安裝了5個光纖光柵應變傳感器，在支線及其附近安裝了3個光纖光柵應變傳感器。使用環氧樹脂將支座粘到管道上，支座與管道接觸面的弧半徑等于管道外徑， 使其能夠與管道緊密接觸。待環氧樹脂完全固化后將傳感器安裝到支座上，將傳感器通過螺栓和壓片進行固定，這種方式使得FBG傳感器可方便地拆卸，可重復利用。

假定管道無限長，而試驗室條件不允許管道無限長，所以首先對傳感器進行了標定試驗，傳感器對14 m試驗管道的壓力反應為直線，線性良好，直線擬合度達0.997 7(見圖4)，可認為符合無限長管道所具備的條件。

表1 光纖光柵應變傳感器編號及波長

圖4 L1傳感器的應變與壓力標定Fig.4 Relationship of relative strain change and pressure of sensor L1

光纖光柵作為應變傳感器應用時，其應變-溫度耦合作用必須考慮[16]，筆者采用的解決辦法是在光纖光柵應變傳感器相同的溫度場內布設光纖光柵溫度傳感器，用該溫度傳感器來對應變傳感器進行溫度補償。

3 試驗數據分析

為了使試驗工況更接近于實際工程，進行各工況試驗時，打開空氣壓縮機向管道內加壓，管道末端的出氣閥打開，管道內的氣體流到儲氣罐，短時間內氣體在管道內形成了相對穩定的流動狀態，這樣就模擬了實際管道正常運營時的狀態。

3.1 主線泄漏監測

主線泄漏試驗時，研究1號泄漏點全泄漏工況，每次泄漏時，管道的初始壓力均加載到490 kPa。試驗時通過電磁閥的突然開啟，模擬管道的突然泄漏。為了模擬實際運營管道內的情況，點泄露引起的壓力損失會被管內流體迅速補充，所以采用短時泄露，泄露持續5 s。

如圖5所示，泄漏發生時，傳感器L4測得應變突然減小，這是由于泄漏使得管道內壓降低，導致管道環向應變的減小。當閥門關閉時，管內壓力恢復原值，傳感器的應變也恢復到初始水平。結果表明，光纖光柵應變傳感器能夠檢測到泄漏發生所引起的環向變形。

圖5 1號點泄漏時L1, L4的時程曲線Fig.5 The reflection of sensors L1 and L4 to the situation of leakage point 1 full leakage

L2傳感器距離1號泄漏點最近，泄漏發生時，L2響應最大，如圖6所示。這是由于泄露突然發生時產生了沖擊響應，導致管道局部環向應變發生較大突變；管道系統上其它傳感器也相應地監測到應變降低，泄漏點上游的L1傳感器與下游的L4傳感器也出現應變減小的情況，說明泄漏產生的負壓波是沿管道上下游兩個方向傳播的。因此，使用準分布式布置的光纖光柵應變傳感器對管道泄漏進行監測，相鄰傳感器之間的距離不可以過大。從圖 5中1號點泄漏時L1,L4傳感器的時程曲線，也可看出傳感器測得應變的變化為同時減小。

圖6 1號泄漏點全泄漏時的各傳感器應變變化Fig.6 The reflection of each sensors to the situation of leakage point 1 full leakage

以上試驗說明，光纖光柵應變傳感器可以有效地捕捉到泄漏信號，對管道的安全狀況進行實時有效的監測。

3.2 支線泄漏時管道變形情況

支線泄漏點位于支線上D處，手動打開泄漏點閥門，模擬泄漏，觀測支線泄露對管道系統上各個傳感器的影響，如圖7所示。

圖7 支線泄漏時傳感器應變變化Fig.7 The reflection of FBG strain sensors to branch pipeline leak

在支線泄漏發生之前，Z3與L4傳感器應變處于穩定狀態，泄漏發生后，Z3與L1應變均減小，這說明泄漏形成的負壓波不僅在支線傳播，而且會從支線傳播到主線上，并且沿主線管道向上下游傳播。可見泄漏產生的負壓波對整個管網都會產生影響，因此對于管網系統的泄漏監測，這種方法也是可行的。

位于支線的Z3傳感器所測得的應變信號出現了較大的應變波動，而位于支線較遠的L1傳感器這種波動比Z3小，這是因為L1由于距離閥門較遠，擾動能量在沿管道傳播過程中不斷衰減。Z3傳感器在開啟和關閉泄漏點時，出現脈沖，這是由于手動打開泄漏閥門對管道有擾動，擾動引起管道變形。

3.3 調泵時的管道變形監測

管道運營中，會通過泵站調節燃氣流量閥門來滿足不同時段用戶需求量不同的問題。本次試驗模擬泵站調泵的情況。管道內初始壓力為470 kPa，通過調節管道上游電動閥的開度模擬泵站調泵工況，閥門開始關閉，然后打開50%，穩定10 s，繼續打開到90%。

當閥門從關閉到50%打開時，L1的應變迅速減小，而L4傳感器的應變則迅速增大，如圖8所示。這是因為L1傳感器位于閥門的上游，L4傳感器位于閥門下游，閥門打開后閥門上游積聚的氣體迅速流向下游，導致閥門上游的管道內部壓強相對減小，閥門下游的管道內部壓強相對增大，這會使管道環向應變發生相應的變化，可見光纖光柵應變傳感器可以通過管道環向應變的變化準確的測量到管道內部的壓力變化情況。調泵和泄漏同樣能引起管道內壓的瞬間變化，但是通過對比圖 8與圖 5可以看出，調泵能夠引起泵站上下游的管道環向應變呈趨勢相反的變化，而泄漏只能引起的管道應變減小，只要在泵站上下游分別安裝傳感器，就可以通過傳感器應變變化情況辨別是調泵還是泄漏。

圖8 調泵時傳感器應變變化Fig.8 The reflection of FBG strain sensors to situation of regulating pump

4 結 論

1) 這種基于測量管道環向應變的方法能夠即時監測到泄漏產生的負壓波信號，實現對管道安全運營狀況進行實時有效地監測。

2) 試驗中使用的光纖光柵傳感器穩定性好，具有抗電磁干擾和可重復利用的優勢。

3) 泄漏會產生負壓波，負壓波沿管道上下游兩個方向傳播，并且支線泄漏也對主管線環向應變產生了影響。因此，使用準分布式布置的光纖光柵應變傳感器能夠用對燃氣管道支線泄漏以及管網泄漏進行監測。

4) 調泵與泄漏所產生的管道應變變化趨勢不同，因此可以通過多點布置，同時觀測多位置傳感器應變變化情況辨別是調泵還是泄漏。

5) 利用光纖光柵應變傳感器對燃氣管道進行監測是一項極有潛力的監測方法，其穩定性、良好的信號傳輸能力保證了其可以應用于實際工程中。目前后續試驗正在開展中，將深入研究精確定位泄漏點位置等問題。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.002

*國家自然科學基金委創新研究群體基金資助項目(51121005)；國家自然科學基金面上資助項目(51108059)；國家重點基礎研究發展計劃(“九七三”計劃)資助項目(2011CB013605)；高等學校學科創新引智計劃資助項目(B08014)

2013-07-26；

2013-10-14

TE832; TP212.9

任亮，男，1979年7月生，博士、副教授。主要研究方向為結構健康監測、光纖光柵傳感器的研制與應用以及健康監測系統的開發。曾發表《結構健康監測-光柵傳感技術》(北京：中國建筑工業出版社，2008)等論著。

E-mail: renlaing@dlut.edu.cn