基于光纤光栅传感技术的管道腐蚀监测研究

摘要

管道作为现代最重要的运输方式之一，正朝着大型化、复杂化的管网系统方向发展，保障其安全正常运营对国民经济及生命财产安全至关重要。而管道事故及失效多为腐蚀累积造成结果，其腐蚀通常表现为管壁内表面变薄或裂纹扩展，且是由量变到质变的渐变过程，具有隐蔽和缓慢特性。但现有管道腐蚀监测技术功能单一，检测和定位精度差，且多是离线监测，缺乏对其腐蚀状况长期且实时在线的监测技术；看不见、摸不着的管道内壁腐蚀一直是相关企业的心头大患，实现长期在线的管道腐蚀监测技术已成为管道安全研究的重点和难点。光纤光栅传感技术因其精度高、抗干扰性强，长期稳定性好等优势，已成功应用到大型工程结构和重大装备的安全监控。因此，本文基于光纤光栅传感技术，提出了一种对管道腐蚀长期实时在线的监测方法，并制作出一种管道专用型光纤光栅复合材料传感器，通过对管道外壁轴向和周向应变监测，可实现管道腐蚀状况的长期在线监测，并对管道腐蚀趋势以及使用寿命进行预估。 本文主要研究工作如下： （1）运用有限元分析方法，系统研究了压力管道内表面腐蚀（裂纹）的长度及深度对腐蚀（裂纹）处表面应变的影响，得到了压力管道腐蚀（裂纹）外表面应变随腐蚀（裂纹）长度及深度的变化规律，建立管道腐蚀（裂纹）模型，为管道腐蚀（裂纹）监测提供理论依据和技术支撑。 （2）基于管道腐蚀（裂纹）模型和光纤光栅传感技术的特性，系统研究了管道腐蚀（裂纹）的测量方法，提出了光纤光栅传感阵列的设计要求。从材料、结构，传感性能三个层次系统研究了光纤光栅传感阵列植入复合材料的方法，采用专用设备，研制一种线型光纤光栅复合材料传感器阵列；并对该线型光纤光栅复合材料传感器阵列的灵敏度、线性度和稳定性等性能进行测试，验证其在管道监测中的有效性和长期可靠性。 （3）针对管道结构特点和工况环境，研究线型光纤光栅复合材料传感器阵列的布设技术和安装工艺，特别是研究分析了传感阵列的复合材料特性和预拉伸对管道变形与传感器变形一致性的影响，提出了减小测量误差的方法。分析管道腐蚀分布监测传感网络的要求，提出了监测系统的架构和集成方法，为管道腐蚀多点监测提供传感器布设的理论依据。 （4）利用光纤光栅复合材料应变传感器阵列对均匀腐蚀、局部腐蚀、周向裂纹、轴向裂纹、斜裂纹分别进行实验测试，实验结果表明：测试数据和理论计算值变化趋势基本一致。这种基于光纤光栅传感的管道腐蚀多点监测技术，可区分不同类型的管道腐蚀，且能实现长期实时在线监测。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 管道腐蚀的国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 管道腐蚀监测的理论分析

2.1 管道应变监测的基本原理

2.2 管道腐蚀监测的有限元分析

2.3本章小结

第3章 光纤光栅复合材料应变传感器的研制与实验

3.1 光纤光栅复合材料应变传感器的设计理论

3.2 光纤光栅复合材料应变传感器的研制

3.3 光纤光栅复合材料应变传感器的实验分析

3.4本章小结

第4章 光纤光栅管道腐蚀监测系统及其实现

4.1管道腐蚀监测系统的组成

4.2光纤光栅管道腐蚀监测系统的实现

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结与创新点

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术成果