CN109520666A - 一种管道内部压强的无损监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感技术领域，涉及到一种管道内部压强的无损监测方法。该方法利用管道内部直径变化量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同建立等式关系，通过测量安装在管道上的光纤光栅传感器的应变值，可以有效得到管道内的压强值，从而对管道的内部压强进行监测。本发明具有原理简单、安装方便、对管道结构无损害、可实现远距离实时在线监测等优点，通过对传感器标距和传感器夹具尺寸的变化，可以对多种不同管径的管道进行压强测量；可以完成对管道内部压强的无损、实时、准确的监测，对于提高管道结构的安全运行，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

Description

一种管道内部压强的无损监测方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及到一种管道内部压强的无损监测方法。

背景技术

随着工业经济的迅速发展，石油、天然气等对人类发展至关重要的资源需求量不断加大。管道因具有成本低、节省能源、安全性高、供给稳定等优点，可以长距离输送石油、天然气，因而其使用量也在不断增加。为使管道内介质正常输送，向管道内加入适当的压强是必不可少的。一方面，过大的压强会使管道无法承受过大的压力而破坏，降低管道的使用寿命；另一方面，过小的压强又无法使管道内介质正常输送，增加经济成本。因此对管道关键节点进行管内压强的实时监测，可保证管道安全有效运行，提高总体经济效益。

目前测量管道内部压强的方法主要有安装压力表测量法和安装压力变送器测量法。对于以上两种方法，都需要对管道进行开口，将压力表或压力变送器通过阀门与管道结构连接，从而对管道内部压强进行测量。这两种方法都对管道结构进行了破坏，对管道未来的长期运行存在安全隐患，并且一旦测压装置损坏，不易更换。另外，对于安装压力表测量法所测得的管道内部压强值，需要人工读数；不但耗费人力，而且还无法做到实时监测管道内部的压强变化。压力变送器为电类传感器，虽然可以解决人工监测压强数据的问题，但是对于输油输气管道，石油和天然气都具有极强的易燃性；电类传感器在此类管道上安装使用，依然使管道存在易燃易爆的风险。

近年来，随着光纤传感技术在军事，航空，基础设施等领域安全监测中成功应用，光纤传感技术也被引入到管道的监测中。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、不直接使用电力、灵敏度高、易于实现远距离信号采集等诸多优点，可以实现对管道内部压强准确实时的监测。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种管道内部压强的无损监测方法。该方法以不破坏管道、不影响管道正常运营为前提，利用管道内部直径变化量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同建立等式关系，通过测量安装在管道上的光纤光栅传感器的应变值，可以有效得到管道内的压强值，从而对管道的内部压强进行监测。这种监测方法不会对管道结构产生损伤问题、不直接使用电力、灵敏度高、可实现压强值的远距离实时采集。并且可根据被测量管道尺寸设计相应的传感器标距和传感器夹具，实现多种不同管径管道的压强测量；传感器安装方法简单，易于安装。

本发明的技术方案是：

一种管道内部压强的无损监测方法，通过管道内部直径变化量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同建立等式关系，得到管道内部压强和光纤光栅传感器所测得应变值的关系；通过测量安装在管道上的光纤光栅传感器的应变值，得到管道内部压强，从而进行管道内部压强的无损监测；具体如下：

管道在工作过程中，内部压强会作用在管壁上，致使管道内部直径发生变化。因管道一般为长距离运输，管道长度远大于管道壁厚，则可以忽略壁厚的影响；由材料力学基本原理可知，管道任意一点的应力状态为：

环向应力：轴向应力：径向应力：σ₃＝-P；

其中，P为管道内部压强，d为管道外径长度，δ为管道壁厚。

管道内部直径增大量Δd：

其中，E为管道材质的弹性模量，ν为泊松比。

将σ₁和σ₂带入公式(1)，得到管道内部直径增大量与管道内部压强的关系为：

管道内部直径增大量是通过测量光纤光栅传感器的应变值来实现的，将传感器夹具与管道外壁紧密贴合，光纤光栅传感器安装在传感器夹具上，使管道内部直径增大量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同；光纤光栅传感器所测得的变化量为：

Δd＝ε·L (3)

其中，ε为光纤光栅传感器测得的应变值，L为光纤光栅传感器标距。

联立公式(2)和(3)消去Δd，得到管道内部压强与光纤光栅传感器测得的应变值的关系如下：

当管道结构确定后，管道弹性模量E、泊松比ν、管道外径d、管道壁厚δ都将为确定值；选用光纤光栅传感器后，光纤光栅传感器标距L也将是确定值。因此，由公式(4)可知，通过监测光纤光栅传感器所测得的应变值，最终可以获得管道内部压强。

光纤光栅传感器的安装方法如下：

传感器夹具与管道接触面的圆弧直径与管道外径相同，用环氧树脂胶将两个传感器夹具对称粘贴在管道表面；传感器夹具的两端开有凹槽；光纤光栅传感器的两端分别安装在两个传感器夹具凹槽端，且光纤光栅传感器的两端在同一水平面内；传感器夹具的上、下两端各安装一个光纤光栅传感器，两个传感器夹具凹槽端间距为光纤光栅传感器的标距；在传感器夹具凹槽端安装传感器夹具盖板，用螺丝拧紧，将光纤光栅传感器固定在传感器夹具上。

本发明的效果和益处：本发明通过获得光纤光栅传感器应变值来监测管道内部压强的方法具有原理简单、安装方便、对管道结构无损害、可实现远距离实时在线监测等优点；通过对光纤光栅传感器标距和传感器夹具尺寸的变化，可以对多种不同管径的管道进行压强测量；可以完成对管道内部压强的无损、实时、准确的监测，对于提高管道结构的安全运行，提高总体经济效益，将产生积极的意义。

附图说明

图1是光纤光栅传感器安装示意图。

图2是管道横截面示意图。

图3是传感器夹具示意图。

图4是传感器夹具盖板示意图。

图中：1传感器夹具；2传感器夹具盖板；3光纤光栅传感器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明提出的一种管道内部压强的无损监测方法示意图如图1和图2所示。光纤光栅传感器3的安装方法的具体过程是：

步骤1：先根据被测量管道的直径，制作传感器夹具1。传感器夹具1与管道接触面圆弧直径与管道外径相同，保证传感器夹具1与管道表面有较大的接触面积，避免粘贴不牢而产生传感器夹具1松动。传感器夹具1两端开有凹槽，用于安装光纤光栅传感器3。

步骤2：利用环氧树脂胶粘贴传感器夹具1于管道表面。两个传感器夹具1对称粘贴，保证光纤光栅传感器3的两端分别安装在两个传感器夹具1的凹槽中，且光纤光栅传感器3的两端在同一水平面内，避免因光纤光栅传感器3安装角度的问题而产生的测量误差。

步骤3：待环氧树脂胶稳固后，在传感器夹具1上下两端各安装一个光纤光栅传感器3，通过对上下两个光纤光栅传感器3所测得应变值取平均值，可使测量结果更加准确；在传感器夹具1的端部分别安装传感器夹具盖板2，用螺丝拧紧，以将光纤光栅传感器3固定在传感器夹具1上。

传感器夹具1和传感器夹具盖板2的结构如图3和图4所示。

Claims (2)

1.一种管道内部压强的无损监测方法，其特征在于，通过管道内部直径变化量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同建立等式关系，得到管道内部压强和光纤光栅传感器所测得应变值的关系；通过测量安装在管道上的光纤光栅传感器的应变值，得到管道内部压强，从而进行管道内部压强的无损监测；具体如下：

管道任意一点的应力状态为：

环向应力：轴向应力：径向应力：σ₃＝-P；

其中，P为管道内部压强，d为管道外径长度，δ为管道壁厚；

管道内部直径增大量Δd：

其中，E为管道材质的弹性模量，ν为泊松比；

将σ₁和σ₂带入公式(1)，得到管道内部直径增大量与管道内部压强的关系为：

管道内部直径增大量是通过测量光纤光栅传感器的应变值来实现的，将传感器夹具与管道外壁紧密贴合，光纤光栅传感器安装在传感器夹具上，使管道内部直径增大量与光纤光栅传感器所测得的变化量相同；光纤光栅传感器所测得的变化量为：

Δd＝ε·L (3)

其中，ε为光纤光栅传感器测得的应变值，L为光纤光栅传感器标距；

联立公式(2)和(3)消去Δd，得到管道内部压强与光纤光栅传感器测得的应变值的关系如下：

因此，通过监测光纤光栅传感器所测得的应变值，最终获得管道内部压强。

2.根据权利要求1所述的一种管道内部压强的无损监测方法，其特征在于，光纤光栅传感器的安装方法如下：

传感器夹具与管道接触面的圆弧直径与管道外径相同，用环氧树脂胶将两个传感器夹具对称粘贴在管道表面；传感器夹具的两端开有凹槽；光纤光栅传感器的两端分别安装在两个传感器夹具凹槽端，且光纤光栅传感器的两端在同一水平面内；传感器夹具的上、下两端各安装一个光纤光栅传感器，两个传感器夹具凹槽端间距为光纤光栅传感器的标距；在传感器夹具凹槽端安装传感器夹具盖板，用螺丝拧紧，将光纤光栅传感器固定在传感器夹具上。