第35卷第5期 2O15年1O月 振动、测试与诊断 Journal of Vibration.Measurement&Diagnosis Vo1.35 No.5 0ct.2O15 基于环向应变的燃气管道泄漏监测试验 任 亮, 夏梦颖, 姜 涛, 贾子光, 崔晓蕾 (大连理工大学建设工程学部 大连,116024) 摘要燃气管道由于其功能的特殊以及深埋于地下或海底的环境,如果泄漏将引起灾难性的后果。泄漏引起的负 压波会导致管道内压降低,进而引起管道环向应变减小。提出一种利用光纤光栅应变传感器测量管道环向应变, 对管道泄漏进行无损监测的方法。利用准分布式安装在燃气管道模型主线以及支线上的光纤光栅应变传感器(fi— ber Bragg grating,简称FBG)进行多种泄漏工况模拟试验,包括不同位置泄漏、支线泄漏和模拟调泵。试验结果表 明,光纤光栅应变传感器能够迅速准确地监测到管道的泄漏信号,这种基于环向应变监测的管道泄漏监测方法是 可行的,具有很大的发展前景。 关键词 管道;泄漏监测;光纤光栅;传感器;环向应变 中图分类号TE832;TP212.9 果,需要对信号进行多种降噪处理l_7]。因此,亟需一 引 言 随着国民经济对石油天然气能源的需求量越 种能够克服上述缺点的管道泄漏检测方法。 近年来,光纤光栅传感技术在工程监测领域发 展迅速¨8]。光纤光栅作为一种新型的智能传感元 件,具有精巧轻柔、稳定性好、耐酸碱抗腐蚀 ]、抗电 来越大,作为石油天然气产品的主要运输方式,油 气管道工业的发展日新月异。但是随着管道使用 年限的增长,在服役过程中不可避免地产生各种 损伤,腐蚀破坏、人为及自然灾害破坏和长期荷载 作用下的疲劳破坏等都会导致管道泄漏事故频繁 磁干扰和精度高_】 、无火花_1 等优点,还拥有复用 能力强和信号为波长调制的优势口 。 ,十分适合应 用于燃气管道监测。 由于泄漏引起的负压波会引起管道内压降 低,这直接导致管道环向应变的变化。因此,笔者 提出一种基于环向应变的管道泄漏监测方法,利 发生l1],造成巨大的资源浪费,对土壤及水体产生 严重污染 ],甚至酿成火灾及爆炸事故,严重威胁 管线所经之处人民生命财产安全。因此,在石油天 用一种基于夹持式方法封装的光纤光栅应变传感 器监测得到由管道内部压力导致的管道外壁环向 变形情况。 然气管道的运营维护时,对管道进行长期有效地连 续实时监测并确定泄漏点位置_3 ],对于保证管道安 全运行、减少经济损失和保护国家人民生命财产安 全有着重大意义。 目前,管道泄漏的检测方法主要有人工巡视法、 机载红外线法、探测球法、电缆检测法、超声检测法 1 基于光纤光栅传感器的管道泄漏监 测理论 1.1 管道泄漏监测理论 管道在运营期间,需要通过加高压输送液态和 气态介质,因此管道内部存在较大的内部压力,这种 以及基于数学模型和软件的负压波法、压力梯度法、 互相关检测法_5]及应变模态差方法 等。这些方法 普遍存在无法长期实时监测、耗资大、反应慢和检测 精度不高等问题。超声检测法等应用的电类传感器 在长距离(>500 m)传输过程中信号的损耗较大, 信号中混杂有大量强背景噪声,影响数据的分析效 压力会使管道发生膨胀,致使管道外壁产生环向变 形,如式(1)所示。 * 国家自然科学基金委创新研究群体基金资助项目(51121005);国家自然科学基金面上资助项目(51108059);国家重点 基础研究发展计划(“九七三”计划)资助项目(2011CB013605);高等学校学科创新引智计划资助项目(B08014) 收稿日期:2013—07—26;修回日期:2013—10—14 822 振动、测试与诊断 第35卷 道长为14 m,管径为DN50,管道壁厚为4 mm,弹 2基于光纤光栅传感器管道泄漏监测 试验 2.1试验系统介绍 为了对燃气管道泄漏定位进行试验研究,搭设 性模量为210 GPa。考虑试验安全,通过空气压缩 机为管道加压,系统设计最大压力为2.0 MPa。 图3为试验系统简图。为消除空压机引起的 气体波动,在管道上游设储气罐,将空压机压缩得到 的高压空气存储在上游储气罐E 中,待稳定后继 续其他试验操作;在管道下游也设置一储气罐E。, 从而形成管道上下游压差,可实现上下游任意压差 可调。 了燃气管道模型。该模型能够真实地模拟燃气管道 的泄漏情况。管道模型材料选取为钢材,试验直管 可控开度的电动阀 II FBG传感器 空气压缩机 e压力变送器 ◇调压阀 电磁阀 手动球阀 ∞ 棚 域 图3试验系统简图及传感器布置图 Fig.3 Experiment system and sensors arrangement 为模拟真实的泄漏过程,并使泄漏孔大小可调, 泄漏量大小可测,试验台中采用手动球阀、电磁阀和 拟合度达0.997 7(见图4),可认为符合无限长管道 所具备的条件。 表1 光纤光栅应变传感器编号及波长 Tab.1 The numbers and central wavelength of FBG sensors 转子流量计的组合形式模拟泄漏,其中手动球阀控 制泄漏孔径大小,电磁阀的突然开启模拟泄漏的突 发过程,转子流量计用来计量泄漏量。 2.2采集系统及传感器布置 传感器编号 L1 L2 L3 L L5 z1 z2 z3 中心波长/m 1 542 1 535 1 512 1 547 1 525 1 547 1 566 1 584 光纤光栅中心波长的测量采用美国Micron op— tics公司的四通道解调系统SM一130,该设备集成了 扫频激光光源和可调光纤滤波器解调模块,仪器的 扫描频率为1 000 Hz,波长分辨率为1 pm,工作波 长范围为1 510~1 590 nm。 为了监测管道在泄漏以及冲击荷载作用工况下 的响应,在管道的关键部位安装光纤光栅应变传感 器。传感器布设位置和中心波长如图3和表1所 示。其中,主线上安装了5个光纤光栅应变传感器, 在支线及其附近安装了3个光纤光栅应变传感器。 使用环氧树脂将支座粘到管道上,支座与管道接触 面的弧半径等于管道外径,使其能够与管道紧密接 触。待环氧树脂完全固化后将传感器安装到支座 上,将传感器通过螺栓和压片进行固定,这种方式使 得FBG传感器可方便地拆卸,可重复利用。 压力/kPa 图4 L 传感器的应变与压力标定 Fig.4 Relationship of relative strain change and pres sure of sensor Ll 光纤光栅作为应变传感器应用时,其应变一温度 耦合作用必须考虑 ,笔者采用的解决办法是在光 纤光栅应变传感器相同的温度场内布设光纤光栅温 假定管道无限长,而试验室条件不允许管道无 限长,所以首先对传感器进行了标定试验,传感器对 14 m试验管道的压力反应为直线,线性良好,直线 度传感器,用该温度传感器来对应变传感器进行温 度补偿。 第5期 任亮,等:基于环向应变的燃气管道泄漏监测试验 823 3试验数据分析 为了使试验工况更接近于实际工程,进行各工 况试验时,打开空气压缩机向管道内加压,管道末端 的出气阀打开,管道内的气体流到储气罐,短时间内 气体在管道内形成了相对稳定的流动状态,这样就 模拟了实际管道正常运营时的状态。 3.1主线泄漏监测 主线泄漏试验时,研究1号泄漏点全泄漏工况, 每次泄漏时,管道的初始压力均加载到490 kPa。 试验时通过电磁阀的突然开启,模拟管道的突然泄 漏。为了模拟实际运营管道内的情况,点泄露引起 的压力损失会被管内流体迅速补充,所以采用短时 泄露,泄露持续5 S。 如图5所示,泄漏发生时,传感器L 测得应变 蛐 1 O 突然减小,这是由于泄漏使得管道内压降低,导致管 道环向应变的减小。当阀门关闭时,管内压力恢复 原值,传感器的应变也恢复到初始水平。结果表明, 光纤光栅应变传感器能够检测到泄漏发生所引起的 环向变形。 捌 {争c 趟 图5 1号点泄漏时L ,L 的时程曲线 Fig.5 The reflection of sensors L1 and L4 tO the situa tion of leakage point 1 full leakage L 传感器距离1号泄漏点最近,泄漏发生时, L。响应最大,如图6所示。这是由于泄露突然发生 时产生了冲击响应,导致管道局部环向应变发生较 大突变;管道系统上其它传感器也相应地监测到应 变降低,泄漏点上游的L 传感器与下游的L 传感 器也出现应变减小的情况,说明泄漏产生的负压波 是沿管道上下游两个方向传播的。因此,使用准分 布式布置的光纤光栅应变传感器对管道泄漏进行监 测,相邻传感器之间的距离不可以过大。从图5中 1号点泄漏时L ,L 传感器的时程曲线,也可看出 传感器测得应变的变化为同时减小。 工2 工3 4 工5 传感器编号 图6 1号泄漏点全泄漏时的各传感器应变变化 Fig.6 The reflection of each sensors tO the situation of leakage point 1 full leakage 以上试验说明,光纤光栅应变传感器可以有效 地捕捉到泄漏信号,对管道的安全状况进行实时有 效的监测。 3.2支线泄漏时管道变形情况 支线泄漏点位于支线上D处,手动打开泄漏点 阀门,模拟泄漏,观测支线泄露对管道系统上各个传 感器的影响,如图7所示。 8 6 4 2 咖 髫。 一2 —4 —6 0 20 40 60 80 10o 120 140 160 f/s 图7支线泄漏时传感器应变变化 Fig.7 The reflection of FBG strain sensors to branch pipeline leak 在支线泄漏发生之前,Z。与L 传感器应变处 于稳定状态,泄漏发生后, 与L 应变均减小,这 说明泄漏形成的负压波不仅在支线传播,而且会从 支线传播到主线上,并且沿主线管道向上下游传播。 可见泄漏产生的负压波对整个管网都会产生影响, 824 振动、测试与诊断 第35卷 因此对于管网系统的泄漏监测,这种方法也是可 行的。 位于支线的 传感器所测得的应变信号出现 了较大的应变波动,而位于支线较远的L 传感器 这种波动比 小,这是因为L 由于距离阀门较 远,扰动能量在沿管道传播过程中不断衰减。Z。传 感器在开启和关闭泄漏点时,出现脉冲,这是由于手 动打开泄漏阀门对管道有扰动,扰动引起管道变形。 3.3调泵时的管道变形监测 管道运营中,会通过泵站调节燃气流量阀门来 满足不同时段用户需求量不同的问题。本次试验模 拟泵站调泵的情况。管道内初始压力为470 kPa, 通过调节管道上游电动阀的开度模拟泵站调泵工 况,阀门开始关闭,然后打开50 ,稳定10 s,继续 打开到90 。 当阀门从关闭到5O 打开时,L 的应变迅速 减小,而L 传感器的应变则迅速增大,如图8所示。 这是因为L 传感器位于阀门的上游,L 传感器位 于阀门下游,阀门打开后阀门上游积聚的气体迅速 流向下游,导致阀门上游的管道内部压强相对减小, 阀门下游的管道内部压强相对增大,这会使管道环 向应变发生相应的变化,可见光纤光栅应变传感器 可以通过管道环向应变的变化准确的测量到管道内 部的压力变化情况。调泵和泄漏同样能引起管道内 压的瞬间变化,但是通过对比图8与图5可以看 出,调泵能够引起泵站上下游的管道环向应变呈趋 势相反的变化,而泄漏只能引起的管道应变减小,只 要在泵站上下游分别安装传感器,就可以通过传感 器应变变化情况辨别是调泵还是泄漏。 i \ 咖{ t 图8调泵时传感器应变变化 Fig.8 The reflection of FBG strain sensors to situation of regulating pump 4 结 论 1)这种基于测量管道环向应变的方法能够即 时监测到泄漏产生的负压波信号,实现对管道安全 运营状况进行实时有效地监测。 2)试验中使用的光纤光栅传感器稳定性好,具 有抗电磁干扰和可重复利用的优势。 3)泄漏会产生负压波,负压波沿管道上下游两 个方向传播,并且支线泄漏也对主管线环向应变产 生了影响。因此,使用准分布式布置的光纤光栅应 变传感器能够用对燃气管道支线泄漏以及管网泄漏 进行监测。 4)调泵与泄漏所产生的管道应变变化趋势不 同,因此可以通过多点布置,同时观测多位置传感器 应变变化情况辨别是调泵还是泄漏。 5)利用光纤光栅应变传感器对燃气管道进行 监测是一项极有潜力的监测方法,其稳定性、良好的 信号传输能力保证了其可以应用于实际工程中。目 前后续试验正在开展中,将深入研究精确定位泄漏 点位置等问题。 参 考 文 献 第5期 任亮,等:基于环向应变的燃气管道泄漏监测试验 825 E5] 刘志宏,崔伟华,梁坤鹏.泄漏管道波速预测理论及其 应用[J].振动、测试与诊断,2011,31(4):405—408. 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