王濤　姜濤　夏夢穎　任亮　程祥

摘要：為了驗證通過光纖光柵應(yīng)變箍傳感器對管道進行腐蝕監(jiān)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(yīng)變箍傳感器能夠測量管道截面的環(huán)向應(yīng)變，通過環(huán)向應(yīng)變能夠反應(yīng)管道壁厚的變化情況。試驗表明，這種光纖光柵應(yīng)變箍傳感器性能優(yōu)良，可以應(yīng)用于測量腐蝕引起的環(huán)向應(yīng)變，在管道的腐蝕監(jiān)測中具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；管道腐蝕；應(yīng)變箍傳感器；環(huán)向應(yīng)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(jīng)濟的快速發(fā)展，輸送能源的管道運輸業(yè)的安全問題也顯得越發(fā)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(zāi)、爆炸等惡性事故也不斷增多，而油氣管道一旦發(fā)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(chǎn)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(zhì)和外界腐蝕環(huán)境影響，管道常常會發(fā)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）。現(xiàn)有的管道腐蝕檢測法主要是把智能檢測器置于管道內(nèi)，在輸送介質(zhì)的推動下，完成管道內(nèi)、外腐蝕缺陷的檢測。檢測技術(shù)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(fā)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(zhì)，應(yīng)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(yīng)用于工程領(lǐng)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(shù)測量（應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)速等）、無火花、耐酸堿腐蝕、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此光纖光柵材料能夠在復(fù)雜環(huán)境下進行長期工作，適用于輸油輸氣管道的長期實時監(jiān)測。這種新型智能材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管道無損監(jiān)測技術(shù)之中（Ren et al，2006；孫麗等，2012）。本文基于自行研制的光纖光柵應(yīng)變箍傳感器，提出一種通過測量管道環(huán)向應(yīng)變來實現(xiàn)管道腐蝕監(jiān)測的方法。

1 基于FBG應(yīng)變箍傳感器的管道腐蝕監(jiān)測原理

假設(shè)在化學腐蝕和沖刷腐蝕的共同作用下，管道的內(nèi)壁表面上發(fā)生了均勻腐蝕，在工作壓力下管道均勻變形。反映環(huán)向應(yīng)變和管道壁厚關(guān)系的基本公式為其中，△ε_h表示管道的環(huán)向應(yīng)變，R表示管道外徑，△P表示管道內(nèi)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(huán)向應(yīng)變與壁厚成反比。管道在正常運營過程中，內(nèi)壓基本保持恒定，管道外徑保持不變，因此通過長期監(jiān)測管道環(huán)向應(yīng)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(jiān)測管道的腐蝕程度。通過這種方法進行管道的腐蝕監(jiān)測，首先要能夠有效地測量管道環(huán)向應(yīng)變，因此筆者研制了一種FBG應(yīng)變箍傳感器。

2 FBG應(yīng)變箍傳感器測量原理

FBG應(yīng)變箍傳感器由一根帶有柵區(qū)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

將FBG應(yīng)變箍傳感器安裝在管道外壁，當管道發(fā)生變形時，產(chǎn)生的形變傳遞給內(nèi)層鋼管以及光纖，內(nèi)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(nèi)層鋼管的長度之和，L_s=L₁+L₂；p表示內(nèi)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(yīng)變箍傳感器，L_s與L_f的比值大于1，所以應(yīng)該考慮內(nèi)層鋼管的變形。由于FBG應(yīng)變箍傳感器緊箍在管道外壁，理想狀態(tài)下，管道的環(huán)向變形將全部傳遞到內(nèi)層鋼管和光纖上，因此管道環(huán)向平均應(yīng)變可以通過內(nèi)層鋼管和光纖的應(yīng)變表示為式中，ε_h表示管道的環(huán)向平均應(yīng)變，所以光纖應(yīng)變與管道環(huán)向平均應(yīng)變之比為其中，ε_f表示光纖的應(yīng)變。定義ζ為FBG應(yīng)變箍傳感器靈敏度系數(shù)：其中，φ=L_s/L_f為增敏系數(shù)影響因子，所以對于管道環(huán)向平均應(yīng)變有對于波長為1550nm附近的FBG應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變與中心波長的關(guān)系為其中，K_f=1.2pm/με，因此對于FBG應(yīng)變箍傳感器，由式（8）與（9）可得管道環(huán)向平均應(yīng)變與FBG應(yīng)變箍傳感器中心波長關(guān)系為從式（7）可以看出，F(xiàn)BG應(yīng)變箍傳感器的靈敏度可以通過調(diào)整增敏系數(shù)影響因子φ來實現(xiàn)，因此可以針對不同的測量要求，調(diào)整FBG應(yīng)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(shè)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(qū)管道壁厚度均為3mm，不同腐蝕區(qū)角度（30°、60°、90°、120°、180°、270°）的6部分組成，如圖3所示。將FBG應(yīng)變箍傳感器安裝在每一部分的中間位置，防止邊緣效應(yīng)對試驗結(jié)果造成影響。傳感器連接到解調(diào)儀上，解調(diào)儀通過以太網(wǎng)將收集到的信號傳輸?shù)絇C機上，以此來實現(xiàn)對全腐蝕的監(jiān)測，解調(diào)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(nèi)打氣提供壓力環(huán)境，模擬實際工程中的輸油輸氣管道運營環(huán)境。壓力傳感器（采用cRIO9140進行解調(diào)）安裝在管道模型入氣口一端，測量管道內(nèi)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，F(xiàn)BG應(yīng)變箍傳感器的測量結(jié)果均用溫度傳感器測得的值進行補償和修正。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 均勻腐蝕試驗結(jié)果分析

由式（1）可以得到，管道的環(huán)向應(yīng)變與管道壁厚的倒數(shù)成正比。通過均勻腐蝕模型試驗，將管道壁厚倒數(shù)與環(huán)向應(yīng)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(shù)與環(huán)向應(yīng)變的相關(guān)系數(shù)達到0.99，證明管道壁厚的倒數(shù)與環(huán)向應(yīng)變存在正比例關(guān)系，并且通過環(huán)向應(yīng)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(jiān)測。

4.2 局部腐蝕試驗結(jié)果分析

為了研究這種FBG應(yīng)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(huán)向應(yīng)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(huán)向應(yīng)變呈線性變化，并且試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)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(huán)向應(yīng)變將線性增長；也表明這種FBG應(yīng)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(huán)向應(yīng)變的改變。

5 結(jié)論

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