一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法

本发明涉及管道健康监测，尤其是涉及一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法。

背景技术：

1、柔性管道由于其耐腐蚀性强、可弯曲、易铺设和能回收等特点，广泛应用于陆地、浅水以及深水地区，可以实现多方向、超深度和长距离的油气输送。柔性管道在应用过程中常见的失效原因多为管道受力弯曲曲率过大，因此针对柔性管道的健康监测十分重要。光纤传感器因其抗电磁干扰、绝缘性好、耐腐蚀、尺寸小、灵敏度高和可进行长距离健康监测等优势在传感领域中占据了重要位置，在健康监测方面具有显著优势。

2、目前，针对长输管道的健康监测多采用光纤分布式应变传感，此方案传感器布设方式多采用沿管道轴向方向平直布设，采集管道沿轴向的各点应变数据，最后利用算法重构管道形状。由于传感器平直布设，因此在长输管道绕盘运输及铺设时由于管道的大曲率弯曲会损伤传感器，导致传感器存活率较低。并且由于光纤分布式应变传感机理限制，重建出的形状相对误差较大，且处理过程中数据量较大，难以实时监测。因此，需要一种更适用于长输管道健康监测的方案，能够对管道的动态应变数据实时监测，利用采集的数据更加准确的重构出管道形状，并保持较高的传感器存活率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，包括以下步骤：

3、步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；

4、步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；

5、步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系。

6、优选的，所述步骤1中当传感器间距确定时，其缠绕螺距表示为：

7、

8、其中s为缠绕螺距，d为传感器间距，n为相邻两传感器间的缠绕圈数，d为管道直径；

9、当相邻两传感器之间圈数n确定时，缠绕角度表示为：

10、

11、优选的，所述步骤2中由几何模型所示的几何关系为：

12、l2＝c2+h2            (3)

13、其中，l为该段光纤长度，h为该段光纤对应的管道轴向长度，c为该段光纤对应的管道截面圆周弧长；对公式(3)两端微分后得到:

14、l·δl＝c·δc+h·δh    (4)

15、其中δl为该段光纤长度的变化量，δh为该段光纤对应的管道轴向长度的变化量，δc为该段光纤对应的管道截面圆周弧长变化量；对公式(4)两端同时除以l2，得到：

16、

17、由于光纤测量的应变为工程应变，且测量点尺寸较小，因此公式(5)近似表示为：

18、εl＝cos2θ·εc+sin2θ·εh  (6)

19、其中，εl为测量位置处光纤测量的应变，εc为测量位置处的径向应变，εh为测量位置处轴向应变；

20、公式(6)转化为：

21、εl＝-cos2θ·μεh+sin2θ·εh＝(sin2θ-cos2θ·μ)εh  (7)

22、其中，μ为管道材料的泊松比。

23、优选的，所述步骤3中当管道向上弯曲时，中性层上方结构在管道轴向方向拉伸，下方结构被压缩，位于管道表面的传感器也随之拉伸或收缩，其弯曲曲率表示为：

24、

25、其中，k为测量位置处的轴向弯曲曲率，d为传感器与中性层间的距离；

26、至此，推导出光纤感知应变与该位置曲率关系为：

27、εl＝d(sin2θ-cos2θ·μ)·k   (9)。

28、优选的，所述传感器为刻蚀在传感光缆上的弱反射率光纤光栅，传感器布置于管道截面的4个正交位置。

29、因此，本发明采用上述一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤1中当传感器间距确定时，其缠绕螺距表示为：

3.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤2中由几何模型所示的几何关系为：

4.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述步骤3中当管道向上弯曲时，中性层上方结构在管道轴向方向拉伸，下方结构被压缩，位于管道表面的传感器也随之拉伸或收缩，其弯曲曲率表示为：

5.根据权利要求1所述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，其特征在于：所述传感器为刻蚀在传感光缆上的弱反射率光纤光栅，传感器布置于管道截面的4个正交位置。

技术总结
本发明公开了一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，属于管道健康监测技术领域，包括以下步骤：步骤1、分别计算传感器间距确定时的缠绕螺距和相邻传感器间缠绕圈数确定时的缠绕角度；步骤2、建立缠绕在管道上的其中一段光纤的几何模型，并根据建立的几何模型计算光纤测量的应变；步骤3、当管道向上弯曲时，计算管道测量位置处的弯曲曲率，并推导光纤感知应变与该位置曲率关系。本发明采用上述的一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法，可实时监测管道曲率，提高传感器存活率，测量误差低，实时性好，可应用于管道健康监测领域。

技术研发人员：李锶祺,刘盛春,刘子耕,杨姗,王菲,刘鸿奇,李昂,王储
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29