應用光纖光柵應變箍傳感器的管道腐蝕監測試驗

王濤　姜濤　夏夢穎　任亮　程祥

摘要：為了驗證通過光纖光柵應變箍傳感器對管道進行腐蝕監測的方法的可行性，在均勻腐蝕管道模型和局部腐蝕管道模型上分別進行了試驗，試驗所使用的應變箍傳感器能夠測量管道截面的環向應變，通過環向應變能夠反應管道壁厚的變化情況。試驗表明，這種光纖光柵應變箍傳感器性能優良，可以應用于測量腐蝕引起的環向應變，在管道的腐蝕監測中具有很好的應用前景。

關鍵詞：光纖光柵；管道腐蝕；應變箍傳感器；環向應變

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0171-05

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，輸送能源的管道運輸業的安全問題也顯得越發重要（王占山等，2003）。但是隨著管線服役時間的增長（馮耀榮等，1999），管道里程的不斷增加，長輸管道的泄漏、火災、爆炸等惡性事故也不斷增多，而油氣管道一旦發生泄漏、爆炸等事故，不僅會造成巨大的資源浪費，還會對人民的生命財產安全造成巨大威脅（張恩勇等，2004）。因此，對管道安全運營問題的研究具有十分重要的意義。

由于受輸送介質和外界腐蝕環境影響，管道常常會發生腐蝕，腐蝕缺陷造成的失效是既有埋地管道最主要的損壞方式之一（林新宇等，2011）?，F有的管道腐蝕檢測法主要是把智能檢測器置于管道內，在輸送介質的推動下，完成管道內、外腐蝕缺陷的檢測。檢測技術主要有漏磁檢測法、渦流檢測法和超聲波檢測法等。檢測原理均為測量管道壁厚變化，從而得到管道的腐蝕發展狀況（劉慧芳等，2008）。但是由于石油、天然氣均為易燃易爆物質，應用電類傳感器對管道的安全狀況進行測量的同時，也給管道的安全運營埋下隱患。

近年來，光纖光柵（Fiber Bragg Guting，簡稱FBG）作為一種新型的智能材料被廣泛地應用于工程領域（任亮等，2013；Li et al，2004；賈子光等，2010）。光纖光柵具有精巧輕柔、抗電磁干擾能力強、多參數測量（應變、溫度、轉速等）、無火花、耐酸堿腐蝕、穩定性好等優點，因此光纖光柵材料能夠在復雜環境下進行長期工作，適用于輸油輸氣管道的長期實時監測。這種新型智能材料已經廣泛應用于管道無損監測技術之中（Ren et al，2006；孫麗等，2012）。本文基于自行研制的光纖光柵應變箍傳感器，提出一種通過測量管道環向應變來實現管道腐蝕監測的方法。

1 基于FBG應變箍傳感器的管道腐蝕監測原理

假設在化學腐蝕和沖刷腐蝕的共同作用下，管道的內壁表面上發生了均勻腐蝕，在工作壓力下管道均勻變形。反映環向應變和管道壁厚關系的基本公式為其中，△ε_h表示管道的環向應變，R表示管道外徑，△P表示管道內壓變化量，d表示管道壁厚，E表示管道材料的彈性模量。

由式（1）可知，當R、△p、E為定值時，管道的環向應變與壁厚成反比。管道在正常運營過程中，內壓基本保持恒定，管道外徑保持不變，因此通過長期監測管道環向應變△ε_h的變化情況，就能夠得到管道壁厚d的變化情況，從而隨時掌握被監測管道的腐蝕程度。通過這種方法進行管道的腐蝕監測，首先要能夠有效地測量管道環向應變，因此筆者研制了一種FBG應變箍傳感器。

2 FBG應變箍傳感器測量原理

FBG應變箍傳感器由一根帶有柵區的光纖，兩個夾持套管，兩個夾持塊，一個保護管套，一個滑動端，一個固定端組成，其結構如圖1所示。

將FBG應變箍傳感器安裝在管道外壁，當管道發生變形時，產生的形變傳遞給內層鋼管以及光纖，內層鋼管與光纖受到的力相等，所以光纖的變形為式中，L_s表示兩段內層鋼管的長度之和，L_s=L₁+L₂；p表示內層鋼管與光纖受到的拉力，‘表示光纖的長度。由式（2）和（3）以及表1各材料特性可得：對于FBG應變箍傳感器，L_s與L_f的比值大于1，所以應該考慮內層鋼管的變形。由于FBG應變箍傳感器緊箍在管道外壁，理想狀態下，管道的環向變形將全部傳遞到內層鋼管和光纖上，因此管道環向平均應變可以通過內層鋼管和光纖的應變表示為式中，ε_h表示管道的環向平均應變，所以光纖應變與管道環向平均應變之比為其中，ε_f表示光纖的應變。定義ζ為FBG應變箍傳感器靈敏度系數：其中，φ=L_s/L_f為增敏系數影響因子，所以對于管道環向平均應變有對于波長為1550nm附近的FBG應變傳感器，其應變與中心波長的關系為其中，K_f=1.2pm/με，因此對于FBG應變箍傳感器，由式（8）與（9）可得管道環向平均應變與FBG應變箍傳感器中心波長關系為從式（7）可以看出，FBG應變箍傳感器的靈敏度可以通過調整增敏系數影響因子φ來實現，因此可以針對不同的測量要求，調整FBG應變箍傳感器的測量靈敏度。

3 管道腐蝕模擬實驗介紹

在本次試驗中，設計了兩個管道模型：一個是均勻腐蝕管道模型，由長為150mm，直徑為273mm，不同管道壁厚度（6.0mm、5.0mm、4.6mm、4.2mm、3.8mm、3.4mm、3.0mm）的7部分組成，如圖2所示；另一個是局部腐蝕管道模型，由長為150mm、直徑273mm，局部腐蝕區管道壁厚度均為3mm，不同腐蝕區角度（30°、60°、90°、120°、180°、270°）的6部分組成，如圖3所示。將FBG應變箍傳感器安裝在每一部分的中間位置，防止邊緣效應對試驗結果造成影響。傳感器連接到解調儀上，解調儀通過以太網將收集到的信號傳輸到PC機上，以此來實現對全腐蝕的監測，解調儀采集信號的頻率為10Hz。通過最大泵壓為0.4MPa的氣泵向管道內打氣提供壓力環境，模擬實際工程中的輸油輸氣管道運營環境。壓力傳感器（采用cRIO9140進行解調）安裝在管道模型入氣口一端，測量管道內部壓力值。試驗在26°的室溫下進行，因為FBG對于溫度也很敏感，FBG應變箍傳感器的測量結果均用溫度傳感器測得的值進行補償和修正。

4 實驗結果及分析

4.1 均勻腐蝕試驗結果分析

由式（1）可以得到，管道的環向應變與管道壁厚的倒數成正比。通過均勻腐蝕模型試驗，將管道壁厚倒數與環向應變擬合成曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，管道壁厚的倒數與環向應變的相關系數達到0.99，證明管道壁厚的倒數與環向應變存在正比例關系，并且通過環向應變能夠準確反映均勻腐蝕管道壁厚的變化情況。通過試驗也說明這種傳感器具有較好的靈敏度以及較高的精確性，適合用于管道均勻腐蝕狀況的監測。

4.2 局部腐蝕試驗結果分析

為了研究這種FBG應變箍傳感器是否適用于管道局部腐蝕的測量，進行了局部腐蝕管道模型試驗。圖5所示為不同腐蝕角度與管道環向應變的擬合曲線，從圖中可以看出，隨著腐蝕角度的增長，管道的環向應變呈線性變化，并且試驗結果與數值模擬結果一致。因此可以證明，在管道的腐蝕厚度相同的情況下，隨著腐蝕面積的增加，環向應變將線性增長；也表明這種FBG應變箍傳感器能夠有效地測量由局部腐蝕面積變化引起的環向應變的改變。

5 結論

本文提出了一種應用FBG應變箍傳感器進行管道腐蝕監測的方法，并通過實驗測試這種方法的可行性，結果表明：（1）FBG應變箍傳感器對管道環向應變非常敏感；（2）通過FBG應變箍傳感器可以準確地測量管道腐蝕的發生和發展。綜上所述，FBG應變箍傳感器適用于油氣管道腐蝕監測，并且具有可以測量整個管道截面環向應變、對管道的腐蝕進行實時監測、無需破壞管道就可以探測到腐蝕的發生和發展情況等優點。