[发明专利]一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法

说明书

一种准分布式光纤光栅传感器用于监测海管结构大变形的方法，属于结构智能健康监测和检测领域。根据应变传递理论设计超弹性材料封装准分布式光纤光栅串形成圆柱体，初次实现光纤光栅传感元件的保护和减敏处理，从而适应海管结构大变形测试需求。进一步考虑海管大变形的尺度和量程分布特征，根据应变传递理论设计粘贴层材质和几何半圆构型以兼顾圆柱状封装的准分布式光纤光栅串有效感知海管基体变形，同时接触界面之间具备足够的粘结强度以长期稳定耐久地感知大变形发展历程。本发明提供了一种海管结构大变形演化历程长期连续监测的准分布式光纤光栅传感器，为海管结构长期服役过程中结构安全状态和损伤识别的全历程信息监测提供有效的技术方法。

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测技术领域，涉及到的是一种海管结构大变形跟踪监测的准分布式光纤光栅串测试方法。

背景技术

深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了海洋油气管道的大量建设。海管是具有几何大变形的柔性结构，在长期运营过程中，受到海洋波浪、海水腐蚀、海流和海沙冲蚀等环境荷载的循环作用，局部位置易产生大变形。当变形超出管道材料承受的极限应变时，可能导致管道开裂，引发漏油事故，造成严重的环境污染和巨大的经济损失。因此，为减少海管局部大变形引发的结构裂缝损伤，需要了解服役过程中海管大变形的产生机理、发生位置和时间，从而为海管局部大变形的风险源防控、损伤修复和维护管理提供指导,并经济高效地维持海管正常运行和石油天然气等介质的持续输送。

由于海管服役过程中的环境和荷载因素较复杂，较难通过数值计算或理论分析手段确定海管的力学状态。因此，当前主要通过漏磁检测法、涡流检测法、超声波检测法、声发射和声呐技术等对其进行定期检测，通过判断管道压力和流量等参数诊断海管是否发生大变形或局部破裂。这些检测技术易受输送介质影响，微小损伤难以识别，存在成本高、灵敏度低、响应时间长、分辨率低、不易实时连续监测、原位实时监测较难实现等缺陷。此外，这些方法更侧重海管发生结构型损伤后的诊断，较难实现损伤发生前过程的连续跟踪和损伤预估等功能。由此可知：迫切需要发展有效长期连续的监测技术获取深海输油气管的几何形态、应力分布和损伤演化信息，及时进行损伤识别和状态评定，以确保海管的安全可靠运营和智能化高效经济管理。

为此，考虑基于光源输入输出的光纤传感元件监测海管结构变形。相比压电片和应变片等电式测量器件，光纤类传感器件具有电绝缘、本质安全防爆、耐腐蚀、化学成分长期稳定、抗电磁干扰、灵敏度高、绝对测量、体积小、质量轻、几何形状多方适应性、布设方式灵活、易集成组网等显著优势。由于裸光纤材料的脆性特征，其抗弯剪能力较弱，应用时需要对其进行封装保护，以确保其能在恶劣服役环境中有效测量海管变形。

当前，部分学者采用多种不同的封装工艺保护光纤，并将封装的光纤用于海管应变的测量：采用塑料套管封装分布式光纤，并将封装的分布式光纤缠绕在管道外表面监测管道内壁腐蚀；采用海管外壁内嵌小钢管注浆封装光纤，使其协同感知管道结构变形；采用油敏感材料封装光纤，使光纤传感器遇油膨胀产生拉伸应变信号输出的方式诊断漏油。这些采用不同材料封装的分布式或准分布式工程化光纤传感器，在短期内实现了长距离海管结构变形和漏油信息的测试，但其长期有效测试的稳定性和准确性将取决于光纤、封装材料和海管之间接触截面的粘结质量及封装材料在长期服役过程中的力学性能。例如：钢管注浆封装的光纤，钢管的屈曲或注浆体的开裂均会影响内嵌光纤的测量有效性。