一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法及装置

1.本发明属于分布式声波传感系统技术领域，更具体地，涉及一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法。


背景技术：

2.管道代表了在陆地上运输大量石油、天然气、化学品和水的最经济的解决方案之一，具有体积大、连续运行、成本低、不受气候影响和其他限制的优点，被称为五大运输行业之中的“文明运输”。石油和天然气管道可能由于腐蚀、第三方破坏和金属损失而容易发生泄漏和爆炸等事故，导致管道事故。腐蚀是引发管道事故的重要灾害之一。据统计，在管道安全事故中，腐蚀因素占比高达25％，且难以被及时发现。现有的管道腐蚀检测方法主要包括漏磁法、超声波、声发射技术等，这类方法在可以实现管道腐蚀状况的探测，但在检测灵敏度、腐蚀识别精准度等方面仍需进一步提升，同时，这类方法在长距离，高钢级管道腐蚀监测方面存在一定的缺陷。
3.近年来，分布式光纤传感技术以其独特的优势如光纤本征安全、寿命长、无源耐腐蚀等特性，被广泛应用于大型基础设施安全监测中。基于分布式光纤传感技术的管道安全监测是近年来的研究热点。如专利cn201911117382.5提出了一种基于ofdr的油气管道腐蚀监测方法，其通过传感光纤监测环向应变实现管道腐蚀的监测，但基于环向应变的腐蚀监测方法存在灵敏度低、对管道压力波动敏感等问题，此外要求光纤与管壁必须紧密接触耦合，对安装方式提出较大挑战，且难以实现初期小尺度管道腐蚀的诊断。专利号cn106764463a中公布了一种基于光纤光栅传感的管道泄漏、腐蚀在线监测装置及方法，该系统虽然结构简单、但是布里渊技术系统装置复杂且成本较高，同时难以对外界影响导致的误报警因素难以消除；专利号cn207196095u发明的一种用于管道腐蚀及泄漏监测的分布式光纤传感系统也利用了光纤传感技术进行腐蚀监测，其优势在于做到了实时腐蚀情况的反馈，但劣势也很明显就是它的分辨率较低腐蚀监测并不精准。
4.综上，现有腐蚀缺陷监测手段难以做到全线路、连续长距离在线监测，无法充分保障压力管道的运行安全，且难以实现对不同腐蚀缺陷等级、不同腐蚀位置进行定量评估，限制了上述方法在管道腐蚀检测领域的进一步应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术缺陷，本发明的目的在于提供一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法及装置，本发明有效解决了管道腐蚀监测技术难以实现全线路、长距离在线监测难题，能够对不同腐蚀程度进行定量评估及管道腐蚀空间位置进行有效定位，同时消除管道腐蚀误报警、漏报警难题。
6.本发明的技术方案是：一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.(1)传感光纤以螺旋形布设方式敷设在管道上，其中第i和第j个散射增强点间的
光相位差可以表示为：
[0008][0009]
其中φi，φj分别为第i，j个散射增强点处对应的相位，ne为传感光纤的有效折射率，d
ij
为两个散射增强点间的距离，λ代表注入光纤中的光的波长；
[0010]
(2)计算相邻两个散射增强点之间的相位差：
[0011][0012]
其中δφ
ij
为第i，j个散射增强点之间的相位差，δne为腐蚀膨胀引发的传感光纤折射率变化，δd
ij
为腐蚀膨胀引起的光纤长度变化，即两个散射增强点间对应光纤的长度变化。
[0013]
(3)计算相邻两个散射增强点之间应变率：
[0014][0015]
其中k
ε
为光纤应变折射率系数，可视作常数。δε
ij
为第i，j个散射增强点之间的传感光纤应变率。
[0016]
(4)管道在未腐蚀前每圈螺旋形传感光纤的长度可以表示为
[0017][0018]
其中l
0,i
为第i个腐蚀感知单元处对应的每圈螺旋形传感光纤长度，r
0,i
为第i个腐蚀感知单元处管道未腐蚀前的半径，si为第i个腐蚀感知单元处对应的光纤螺纹间距。
[0019]
(6)管道发生腐蚀膨胀后，光纤的螺纹间距不变，由腐蚀膨胀引起的每圈螺旋形传感光纤的长度l
c,i
可以表示为
[0020][0021]rc,i
为第i个腐蚀感知单元处腐蚀膨胀后对应的管道半径；
[0022]
(7)管道腐蚀膨胀引起的每圈螺旋形传感光纤的平均应变δεi等于相邻散射增强点之间的应变率δε
ij
：
[0023][0024]
(8)管道腐蚀膨胀后剩余钢性管道的体积v
p,i
可以表示为：
[0025][0026]rn,i
为腐蚀后管道剩余钢的半径为，si·dij
/l
0,i
代表第i个腐蚀感知单元处管道发生腐蚀的长度，v
p,i
代表第i个腐蚀感知单元处腐蚀膨胀后剩余钢性管道的体积。同样的，管道腐蚀膨胀后的锈蚀体积v
r,i
为：
[0027][0028]
(9)腐蚀导致的管道质量减少量δmi为
[0029][0030]
其中δmi代表腐蚀导致的管道上第i个腐蚀感知单元处的质量减少量，ρ为钢性管道的密度；
[0031]
(10)管道发生腐蚀后第i个腐蚀感知单元处铁锈的体积膨胀系数ki定义为：
[0032][0033]
(11)将方程式(6)，(10)带入方程式(9)，腐蚀导致的管道质量减少量为
[0034][0035]
(12)由方程式(3)，腐蚀引发的传感光纤相位变化与光纤应变率之间满足
[0036]
δεi＝m
·
δφ
ij
ꢀꢀꢀ
(12)
[0037]
其中应变系数m为
[0038][0039]
(13)将方程式(12)带入方程式(11)，则腐蚀引发的管道质量减少又可以表示为
[0040][0041]
根据如上所述的一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过步骤1至步骤13对多个点的管道质量减少量δmf(f＝1,2,3
…
n)进行阈值判断；
[0042][0043]
其中|δmf|表示对第f个腐蚀感知单元得到的管道减少量取绝对值，th≤|δmf|-|δm
f-1
|≤ts代表对相邻腐蚀感知单元得到质量变化进行判断，当相邻腐蚀感知单元得到的质量变化|δmf|-|δm
f-1
|处于范围[th,ts]则认为管道未发生腐蚀；相邻腐蚀感知单元之间的质量变化处于范围[th,ts]时输出为1，否则输出为0；n为逻辑值累加数；th为阈值下限，th为阈值上限。
[0044]
根据如上所述的一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：
[0045]
如果n＝0，或者n》r，则认为管道未发生腐蚀或者管道局部加压引起的管道直径形变；如果0《n《r则说明管道上发生了腐蚀预警信息；其中r为判断标准。
[0046]
本发明还公开了一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法及装置，包括分布式声波传感子系统、管道腐蚀监测系统和敷设于管道上的腐蚀感知单元组成；其特征在于：分布式声波传感子系统用于将窄线宽激光器产生的信号光注入腐蚀感知单元，分布式声波传感子系统探测从腐蚀感知单元中产生的背向散射光；腐蚀感知单元包括多个传感光纤单元，所述腐蚀感知单元螺旋形缠绕在管道上的散射增强光纤构成。
[0047]
根据如上所述的一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法及装置，其特征在于：
腐蚀感知单元的光纤螺纹间距相同。
[0048]
根据如上所述的一种光纤管道腐蚀监测装置，其特征在于：采用如上所述的一种光纤管道腐蚀监测方法对管道质量损失进行监测。
[0049]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0050]
(1)本发明提供的一种光纤管道腐蚀在线监测方法及装置，由于其光纤为一种具有内部散射增强型传感光纤，因此其构成的多个腐蚀感知单元可实现管道沿线腐蚀状态的高灵敏度、高精准、长距离在线监测。
[0051]
(2)本发明提供的一种光纤管道腐蚀在线监测方法及装置，其将多个腐蚀感知单元处的相位信息转变为管道质量减少量，因此可实现管道不同腐蚀状态的超前预警与腐蚀等级的在线评估，为管道运营状态及剩余寿命提供指导。
[0052]
(3)本发明提供的一种光纤管道腐蚀在线监测方法及装置，基于多个腐蚀感知单元处的相位信息定位腐蚀位置，可排除外界噪声干扰及管道沿线压力波动导致的误报警，有效提升管道腐蚀的监测效率。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施提供的一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法及装置图。传感光纤上相邻两个背向散射增强点之间构成了一个腐蚀感知单元。
[0054]
图2为管道截面变化示意图。
[0055]
图3为管道主视图。
具体实施方式
[0056]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0057]
本发明提供的一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测方法，包括以下步骤：
[0058]
(1)传感光纤以螺旋形布设方式敷设在管道上，其中第i和第j个散射增强点间的光相位差可以表示为：
[0059][0060]
其中φi，φj分别为第i，j个散射增强点处对应的相位，ne为传感光纤的有效折射率，d
ij
代表第i个散射增强点至第j个散射增强点之间的距离，λ代表注入光纤中的光的波长。
[0061]
(2)钢性管道在发生腐蚀时，由于腐蚀引起的铁锈产物密度比管道本体钢的密度要小，因此发生腐蚀后管道在径向发生膨胀导致管道直径变大，由此对管道上的螺旋形敷设的传感光纤进行拉伸。此时，第i和第j个散射增强点间的光相位差又可表示为：
[0062][0063]
其中δφ
ij
为第i，j个散射增强点之间的相位差，δne为腐蚀膨胀引发的传感光纤
折射率变化，δd
ij
为腐蚀膨胀引起的光纤长度变化，即两个散射增强点间对应光纤的长度变化。
[0064]
(3)腐蚀膨胀引发的光纤相位变化与传感光纤应变率δε
ij
之间满足
[0065][0066]
其中k
ε
为光纤应变折射率系数，可视作常数。δε
ij
为第i，j个散射增强点之间的传感光纤应变率。
[0067]
(4)管道在未腐蚀前每圈螺旋形传感光纤的长度可以表示为
[0068][0069]
其中l
0,i
为第i个腐蚀感知单元处对应的每圈螺旋形传感光纤长度，r
0,i
为第i个腐蚀感知单元处管道未腐蚀前的半径，si为第i个腐蚀感知单元处对应的光纤螺纹间距。
[0070]
(6)管道发生腐蚀膨胀后，光纤的螺纹间距不变，由腐蚀膨胀引起的每圈螺旋形传感光纤的长度l
c,i
又可以表示为
[0071][0072]rc,i
为第i个腐蚀感知单元处腐蚀膨胀后对应的管道半径。
[0073]
(7)管道腐蚀膨胀引起的每圈螺旋形传感光纤的平均应变δεi等于相邻散射增强点之间的应变率δε
ij
：
[0074][0075]
在实际工作时，管道的直径d最好小于d
ij
，即d《d
ij
，这样两个相邻散射增强点的距离较长，比较适合于测量，进一步说，d
ij
也可以等于大于管道的周长，这样布设后每两个相邻散射增强点能够至少围绕管道一圈，提高测量的灵敏度。
[0076]
(8)管道腐蚀膨胀后剩余钢性管道的体积v
p,i
可以表示为：
[0077][0078]
这里，腐蚀后管道剩余钢的半径为r
n,i
，si·dij
/l
0,i
代表第i个腐蚀感知单元处管道发生腐蚀的长度，v
p,i
代表第i个腐蚀感知单元处腐蚀膨胀后剩余钢性管道的体积。同样的，管道腐蚀膨胀后的锈蚀体积v
r,i
为：
[0079][0080]
(9)腐蚀导致的管道质量减少量δmi可表示为
[0081][0082]
其中δmi代表腐蚀导致的管道上第i个腐蚀感知单元处的质量减少量，ρ为钢性管道的密度。
[0083]
(10)管道发生腐蚀后第i个腐蚀感知单元处铁锈的体积膨胀系数ki定义为：
[0084][0085]
(11)将方程式(6)，(10)带入方程式(9)，腐蚀导致的管道质量减少量又可以表示为
[0086][0087]
应当理解的是：管道腐蚀膨胀系数k可根据实际情况和经验进行调整，在此不做具体限定。
[0088]
(12)由方程式(3)，腐蚀引发的传感光纤相位变化与光纤应变率之间满足
[0089][0090]
其中应变系数m为
[0091][0092]
(13)将方程式(12)带入方程式(11)，则腐蚀引发的管道质量减少又可以表示为
[0093][0094]
方程式(14)描述了管道质量损失与传感光纤相位之间的关系，并考虑了螺旋间距对管道腐蚀质量减少量的影响。因此，一旦从管道上敷设的传感光纤上测得相位分布，可以使用公式(14)估计管道的质量损失，并根据质量减少量δmi量化评估管道腐蚀状态。
[0095]
如图1至图3所示，本发明还公开了一种钢性管道腐蚀非侵入式、在线监测装置，包括分布式声波传感子系统1、管道腐蚀监测系统2以及敷设于管道上的腐蚀感知单元3组成。分布式声波传感子系统1用于将窄线宽激光器产生的信号光注入腐蚀感知单元3，以及探测从腐蚀感知单元3中产生的背向散射光。腐蚀感知单元3是由螺旋形缠绕在管道上的散射增强光纤构成的，散射增强光纤是一种在纤芯材料中通过紫外光刻写技术形成的周期性后向散射增强单元。
[0096]
腐蚀感知单元3包括多个传感光纤单元，腐蚀感知单元3是由螺旋形缠绕在管道上的散射增强光纤构成的，其螺纹间距依据管道腐蚀监测精度动态可调。每一个腐蚀感知单元3的光纤螺纹间距最好相同，这样便于公式测量计算，也便于精准定位腐蚀管道位置。
[0097]
本发明的装置工作过程中，管道内流体与管壁相互作用产生的流固耦合噪声信号、管道局部腐蚀缺陷诱导的声发射信号，腐蚀导致的管道直径膨胀拉伸等，均会被腐蚀感知单元3高精度感知并回传至分布式声波传感子系统1。分布式声波传感子系统1实时解调得到各个腐蚀感知单元处的相位信息φf(f＝1,2,3
…
n)，生成管道空间位置上的分布式相位信息流，其中φ1，φ2，φ3……
φn分别代表钢性管道上第1，2，3
……
n个腐蚀感知单元处的相位信息，最终分布式相位信息流输入方程式(14)用于判断管道质量减少量。
[0098]
本发明的监测装置还可以以下工作过程，管道腐蚀监测系统2用于对管道质量减少量δmf(f＝1,2,3
…
n)进行阈值判断，其判断依据如下：
[0099]
当管道未发生腐蚀时，管道腐蚀感知单元2感知的阈值如下：
[0100][0101]
其中|δmf|表示对第f个腐蚀感知单元得到的管道减少量取绝对值，th≤|δmf|-|δm
f-1
|≤ts代表对相邻腐蚀感知单元得到质量变化进行判断，当相邻腐蚀感知单元得到的质量变化|δmf|-|δm
f-1
|处于范围[th,ts]则认为管道未发生腐蚀。value代表对相邻腐蚀感知单元得到质量变化取逻辑值，即相邻腐蚀感知单元之间的质量变化处于范围[th,ts]时输出为1，否则输出为0，同时n代表对value判断的逻辑值进行累加。
[0102]
th为阈值下限，ts为阈值上限。th，ts在这里不做限定，即管道上相邻腐蚀感知单元得到质量变化在范围[th,ts]时，可认为管道未发生腐蚀，根据实际情况设定。
[0103]
(5)如果n＝0，或者n》r，则认为管道未发生腐蚀或者管道局部加压引起的管道直径形变，此时管道腐蚀监测系统2判断为管道腐蚀误报警，即管道未发生腐蚀事件。如果0《n《r则说明管道上发生了腐蚀预警信息，此时腐蚀引起的质量变化δmf被第f个腐蚀感知单元所探测，由此实现腐蚀位置的精确定位，并根据n的数值定量评估管道上发生腐蚀的数量。其中r为判断标准，根据实际选择取值。
[0104]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。