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(大連理工大學(xué) a. 海岸與近海工程國家重點試驗室， 遼寧 大連 116023； b. 大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

0 引 言

作為油氣運輸?shù)纳€，管道在石油和天然氣工業(yè)中扮演著越來越重要的角色。海底管道通常埋入海底1.0～1.5 m。由于管道經(jīng)常受到水流、風(fēng)暴、海床移動等復(fù)雜海底環(huán)境的影響，沖刷不可避免。沖刷開始于流水帶走管道周圍的覆蓋物使管道裸露。隨著沖刷的發(fā)展，管道逐漸失去支撐而發(fā)生懸空，懸空部分經(jīng)受海浪沖擊作用，一旦自由懸空長度超出設(shè)計允許長度，管道將遭受很大的局部應(yīng)力。當(dāng)渦流脫落頻率與管道自振頻率相近時會產(chǎn)生渦激共振，使管道發(fā)生高峰應(yīng)力破壞或疲勞破壞，引起管道破裂，甚至整個管道系統(tǒng)的失效。2004年，對埕島油田61條海底管線調(diào)查發(fā)現(xiàn)，僅有5條管線未被沖刷懸空，其他管線都發(fā)生了不同程度的懸空，懸空率高達(dá)約92%[1]。管道系統(tǒng)的破壞不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，對海底管道狀態(tài)的科學(xué)監(jiān)測是一個重要的問題，一個實時、可靠的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)可以為管道系統(tǒng)的安全運營提供極大的幫助。

近些年，就海底管道沖刷監(jiān)測問題，許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究并提出了幾種解決沖刷監(jiān)測問題的方法。金偉良等[2]提出一個具有診斷和報警功能的海底管道實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用基于布里淵時域反射理論的分布式光纖傳感器進(jìn)行沿管線方向的應(yīng)變和溫度的測量，并為該系統(tǒng)開發(fā)了采用自動平均模型作為統(tǒng)計工具的數(shù)據(jù)分析實用算法[3]。JOB等[4]通過加速度計測得的實際動力響應(yīng)，討論自由懸空段的相關(guān)問題。YAN等[5]介紹一種基于振型曲率的海底管道懸空損傷識別和定位的方法，數(shù)值模擬結(jié)果表明這種方法具有簡便、無需基線數(shù)據(jù)的優(yōu)點。以上這些方法雖然取得了較大的進(jìn)展，但學(xué)者們都是從間接測量懸空管道振動頻率的角度出發(fā)監(jiān)測懸空管道的狀態(tài)，很少有學(xué)者從直接測量的角度研究懸空長度的監(jiān)測方法。這些方法具有一定的局限性，只有當(dāng)渦流引起的振動頻率與管道自振頻率相近時，才具有可行性。再者，由于傳感器需要嵌入管段，管道鋪設(shè)過程中成功連接傳感器是一件十分困難的事情。與傳統(tǒng)檢測法方法不同，本文提出基于主動加熱和分布式拉曼光纖傳感器的海底管道沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，具有直接測量和安裝方便的優(yōu)點。先前的研究[6-7]顯示：主動加熱測溫法與光纖溫度傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有巨大的潛能。

圖1 主動加熱沖刷監(jiān)測系統(tǒng)的有限元模型

為提供一種適用于管道全長的實用監(jiān)測方法，采用近年來在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的分布式光纖傳感技術(shù)。作為分布式光纖傳感器和信息傳輸通道，全分布式光纖拉曼傳感器利用光時域反射技術(shù)測量沿管道長度方向的溫度，與其他技術(shù)相比，該技術(shù)耗費相對較低。本文的海底管道沖刷監(jiān)測系統(tǒng)主要由3部分組成：熱纜、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元。熱纜由加熱帶、分布式光纖溫度傳感器和封裝單元組成。既然自由懸空是慢性沖刷的結(jié)果，監(jiān)測沖刷就是探測自由懸空，也就是確定自由懸空的長度，即識別沙-水分界面的位置。當(dāng)進(jìn)行沖刷監(jiān)測時，熱纜和管道處于相同的周圍介質(zhì)環(huán)境中，泥沙和海水的傳熱方式不同，因此，通過分析加熱和冷卻過程中的溫度信息可以區(qū)分出周圍介質(zhì)是泥沙還是海水，一旦周圍介質(zhì)確定，就可以區(qū)分沙-水分界面，同時可以測得沖刷引起的裸露和懸空。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型建立

海底管道的有限元模型采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立，為方便計算，將其轉(zhuǎn)化為二維模型。懸空部分長6 m，建立于模型的中間，兩邊為泥沙覆蓋部分。水位保持0.7 m的深度，設(shè)置為靜態(tài)。該系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示。

對于瞬態(tài)熱分析，選擇4節(jié)點、二維溫度單元Plane 55建立。在復(fù)雜的海流和海底地形環(huán)境中，準(zhǔn)確獲取沿海底管道介質(zhì)的全部熱力學(xué)參數(shù)是不現(xiàn)實的，參數(shù)的測量也不在本研究的范疇之內(nèi)，所以采用這些參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值建立模型。水、泥沙及銅質(zhì)材料參數(shù)見表1。泥沙和銅分別代表海底沉積物和主動加熱傳感帶。

表1 數(shù)值模擬所使用的材料參數(shù)

有限元模型的初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃。模型的左邊界和右邊界認(rèn)為是絕熱的，不加任何熱荷載。環(huán)境溫度與室溫相等，加載在模型的上邊界和下邊界。對流發(fā)生在泥沙和主動加熱傳感帶與水接觸的部位，對流系數(shù)從20 W/(m2·℃)到100 W/(m2·℃)不等，本研究設(shè)為20 W/(m2·℃)。為模擬加熱帶生熱的過程，生熱率加載于主動加熱傳感帶上。由于加熱帶的功率為15 W/m，除以橫截面面積(0.009 m×0.006 m)，得到生熱率為277 778 W/m3。當(dāng)所有荷載都加載于有限元模型之后，模擬5 h的運行過程，其中3 h為加熱過程，剩下2 h為冷卻過程。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

為模擬系統(tǒng)的加熱過程，生熱率真加載于主動加熱傳感帶，并模擬運行3 h。圖2為系統(tǒng)部分溫度等值線分布圖。在t=10 800 s時刻，系統(tǒng)的最高溫度為89.112 ℃，分布在泥沙介質(zhì)里。水里的溫度為47.491 ℃，比泥沙低很多，分布在主動加熱傳感帶與水的交界面。沿管線方向，從水到泥沙，溫度從較低迅速升高，使得沙與水的交界面可被識別出來。值得注意的是，熱量在沙的影響范圍比水的大，原因在于對流傳熱使得熱量在水中迅速消散，而在泥沙中傳導(dǎo)散熱使得熱量傳遞過程較為緩慢。為模擬冷卻2 h的過程，將生熱率設(shè)置為0 W/m3，其他荷載保持不變，模型繼續(xù)運行2 h。系統(tǒng)冷卻2 h后的溫度分布如圖2 b)所示。溫度等值線形狀與加熱3 h大致相同，略有下降。沿管線方向，沙里溫度高，最高可達(dá)52.097 ℃；水里溫度低，接近初始室溫，大致為23.060 ℃。

圖2 系統(tǒng)部分溫度等值線分布圖

圖3 溫度沿管線方向的變化

加熱3 h和冷卻2 h的溫度沿管線方向的變化如圖3所示，可以看出：泥沙與水之間的溫度值具有明顯的差別，并且各自都保持比較恒定的數(shù)值。泥沙里溫度高，水里溫度低。在泥沙與水的交界面附近，溫度變化很大，足以把交界面區(qū)分出來。它們之間的溫度差可用于管道懸空識別。沿管線方向7 ～13 m部分設(shè)置為懸空段，懸空長度為6 m。在圖3中，沙與水的第1個交界面位于6 ～8 m的位置，第2個交界面位于12～14 m的位置。為安全起見，數(shù)值模擬預(yù)測的懸空位于6 ～14 m的位置，包含了7～ 13 m的實際懸空部分?？紤]安全因素，預(yù)測的懸空長度存在1 m的誤差。

數(shù)值模擬結(jié)果表明：在加熱和冷卻過程中，水中的溫度與沙中的溫度不同?；诰€熱源在固體和液體介質(zhì)傳熱特性方面的區(qū)別，對線熱源表面溫度變化趨勢進(jìn)行分析，可以辨別出線熱源是處于固體介質(zhì)中還是處于液體介質(zhì)中，這是該沖刷監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的基本原理。數(shù)值模擬驗證了基于主動加熱式的海底管道沖刷監(jiān)測技術(shù)是一項可行的沖刷監(jiān)測技術(shù)。

2 試驗研究

2.1 試驗設(shè)備及參數(shù)

為進(jìn)一步驗證該技術(shù)在實際應(yīng)用中的可行性，在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)智能實驗室進(jìn)行了該試驗。在本次研究中，工業(yè)光纜作為系統(tǒng)中的熱纜，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，光纜的參數(shù)見表2。

圖4 光纜結(jié)構(gòu)示例

表2 光纜參數(shù)

由于拉曼分布式光纖傳感技術(shù)系統(tǒng)由3部分組成：熱纜、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元，因此監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在試驗中，鎧裝光纜作為主動加熱傳感單元，光纜內(nèi)部的鋼絲作為加熱帶，施加恒定電壓使鋼絲釋放熱量。該試驗在一個大型水桶中進(jìn)行。用飽和泥沙填充水桶至600 mm高，用于模擬管道被海底沉積物覆蓋的環(huán)境，然后加水至1 200 mm高，用于模擬管道懸空，將光纜螺旋布設(shè)在泥沙和水中，如圖6所示。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)

圖6 光纜螺旋布設(shè)

設(shè)置了3組試驗，在每組試驗中，布設(shè)在泥沙中的光纜長度均為6 m且不改變其位置，在水中的光纜長度分別為4 m、6 m、8 m，每組試驗做3個循環(huán)，每個循環(huán)先常溫采集數(shù)據(jù)5 min，然后加熱30 min，冷卻15 min。在加熱過程中，電壓保持15 V不變，通過電流計測得電流為6.92 A，加熱功率為2.595 W/m，除以鋼絲橫截面面積，得到生熱率為1 652 028 W/m3。試驗室搭建如圖7所示。

圖7 試驗室搭建

2.2 試驗結(jié)果及討論

由于需要對光纖全長進(jìn)行掃描，監(jiān)測過程將耗費一定時間，因此采樣時間間隔設(shè)定為60 s。另外，對光纖掃描，采集到的數(shù)據(jù)不是連續(xù)的，DTS 8000的采樣間隔為0.2 m，實際采集到的數(shù)據(jù)是沿光纖每隔0.2 m的點的溫度。試驗開始后，采集儀器只能采集到中間38 m范圍內(nèi)的信息，裸露長度4 m時的監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 裸露4 m時監(jiān)測結(jié)果

各區(qū)間的環(huán)境介質(zhì)見表3。

表3 不同區(qū)間的環(huán)境介質(zhì)

由于光纜材質(zhì)的不均勻性，即使處于同一種介質(zhì)中，各測點的溫度也不完全相同，故圖8 a)的曲線呈現(xiàn)波浪式分布，可以看出：在加熱和冷卻過程中，不同介質(zhì)中的測點溫度明顯不同，在空氣中溫度最高，其次在是沙中，在水中溫度最低。在不同介質(zhì)分界面處，溫度變化明顯，可以輕易分辨不同介質(zhì)以及介質(zhì)的分界面位置。18～26 m各測點的溫度時程曲線如8 b)所示，可以看出：在室溫狀態(tài)下，處于泥沙中的各測點溫度高于水中；在加熱過程中，處于水中各測點溫度在升高到一定值后基本保持不變，而處于沙中各點溫度以增長率降低的方式持續(xù)升高，且沙中各點溫度始終高于水中，并具有明顯的分界面。考慮到不同介質(zhì)中初始溫度不同可能對加熱和冷卻過程中溫度變化曲線帶來差異，影響介質(zhì)識別結(jié)果，以溫度增量ΔT為參考量，懸空4 m時的監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

圖9 裸露4 m時溫度增量監(jiān)測結(jié)果

比較圖8和圖9可知：溫度監(jiān)測結(jié)果與溫度增量結(jié)果具有一致性。因此，本文在對不同懸空長度的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析時，以溫度增量為參考量。

從圖8 a)和圖9 a)可以看出：不同介質(zhì)具有清晰的分界面，在分界面處，兩側(cè)溫度變化明顯，能夠快速識別周圍環(huán)境介質(zhì)。懸空長度為6 m或8 m時具有類似的結(jié)果。不同懸空長度時的監(jiān)測結(jié)果如圖10和圖11所示。圖10 b)和圖11 b)為分界面兩側(cè)不同介質(zhì)中的溫度時程曲線，可以看出：4組試驗的沙-水分界面位置始終在21.37 m處保持不變，該處溫度時程曲線形成明顯的分界線，處于泥沙中的各測點溫度均高于分界線，處于水中各測點的溫度均低于分界線。

圖10 裸露6 m時監(jiān)測結(jié)果

圖11 裸露8 m時監(jiān)測結(jié)果

從圖9 a)、圖10 a)和圖11 a)可以看出：沿光纜長度方向存在3個分界面，分別為空氣與水、水與沙、沙與空氣的分界面。水與沙的分界面始終在21.37 m處保持不變，沙與空氣分界面位置保持27.95 m不變，只有空氣與水分界面的位置逐漸移動，移動距離分別為2.05 m和1.85 m，雖然與試驗設(shè)置的2 m間隔存在誤差，但誤差較小，在長距離沖刷懸空監(jiān)測中可忽略。由于分界面兩側(cè)溫度不同，存在軸向溫度傳遞，因此距離分界面最近點的溫度與同介質(zhì)中其他各部分的溫度存在較大差異。不同懸空長度的試驗結(jié)果見表4。

表4 不同懸空長度的試驗結(jié)果

從表4可以看出：在懸空長度不同時，監(jiān)測誤差很小且始終低于0.2 m,即誤差均控制在儀器采樣距離間隔之內(nèi)，水與沙、沙與空氣的分界面始終保持不變，也說明了該監(jiān)測方法的穩(wěn)定性。由此可知：用光纜作為主動加熱傳感單元是可行的，且能取得良好的結(jié)果，證明了光纜用于介質(zhì)識別的可行性，即利用光纜可以實現(xiàn)海底管道的沖刷懸空監(jiān)測。

3 結(jié) 論

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，利用拉曼測溫技術(shù)對海底管道的沖刷監(jiān)測進(jìn)行了更深入的研究，得到如下結(jié)論：

(1) 拉曼散射測溫技術(shù)可用于海底管道沖刷監(jiān)測。

(2) 鎧裝光纜作為主動加熱傳感單元進(jìn)行海底管道沖刷懸空監(jiān)測，整體性好，便于實現(xiàn)工程安裝 。

(3) 試驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識別介質(zhì)分界面，且具有良好的穩(wěn)定性，即拉曼散射測溫技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識別管道的沖刷懸空狀態(tài)。

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