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管道监测中FBG箍应变传感器的设计与实验研究
梁仁a,uArr;贾子光a,b李红楠a，宋刚兵b
a大连理工大学土木水利学院，辽宁116024
b休斯敦大学机械工程系，休斯敦，德克萨斯州77204，美国
文章信息
文章历史：
2013年7月29日收到
2013年10月15日修订
可在线获得2013年12月7日
关键字：
FBG环向应变传感器周向应变腐蚀监测泄漏检测
管道模型实验
摘要
管道监测是管道经济安全运行以及防损,环保的重要任务，对于管道完整性监测，环向应变具有重要意义。本文首先提出了一种基于环向应变测量的间接管道腐蚀检测方法，其主要目的是设计一种周向应变测量装置。结合光纤传感的独特优势，设计并封装了一种FBG箍应变传感器。其在c中增强的敏感性机制详细介绍了环向应变测量和制造技术。在PVC模型管道上对所开发的FBG环应变传感器进行了实验研究，研究了其特性，包括可靠性和一些初步的动态测试。模型试验结果表明,FBG环应变传感器在环向应变测量中表现出良好的性能，可作为管道健康监测的实用装置。
copy;2013 Elsevier Inc。保留所有权利。
介绍
管道是用于大量易燃和潜在危险物质（例如天然气）的最实用和经济有效的运输方式之一，对于天然气来说，道路或铁路运输通常不可行[1]。正如Sandberg等人所证明的那样，如果不能迅速检测到泄漏以停止泵送并开始维修，管道破裂不仅会造成产品损失，而且还会造成严重的环境破坏。[2]。腐蚀是涉及管道事故的主要原因之一，因此对管道腐蚀过程的监控已成为重要的研究课题。[3]。当前的腐蚀监测技术旨在掌握腐蚀过程本身，评估应用环境并控制腐蚀条件。一些代表性的腐蚀监测技术如下：电阻技术（ER）[4,5]，基于对腐蚀引起的厚度减小的测量，该腐蚀对一般腐蚀速率敏感，但对局部腐蚀的响应受到限制；电化学阻抗谱（EIS）[6,7]已成功应用于腐蚀系统的研究，并被证明是测量锌腐蚀速率的有效方法；线性极化电阻（LPR）[8,9]，它是监视热腐蚀过程的强大工具
author通讯作者。
电子邮件地址：renliang@dlut。edu。cn（任志强）。
当控制步骤是通过电荷转移时；可使用电流传感器技术[10,11]，它是基于成像传感器阵列开发的，用于监视钢在电解质溶液环境等中的腐蚀速率，这些方法每种都有其自身的优点和局限性。由于腐蚀监测是一个复杂的主题，因此没有一种适合所有应用的监测技术。但是，当涉及到管道的腐蚀监测时，所有上述所有方法都具有潜在的危险，因为它们涉及电气设备的使用。同时，这些离线检测方法更适合于腐蚀速率的估计，需要复杂的分析，难以应用于管道的在线结构健康监测。在长期服务期间，管道被认为是压力容器，内部压力相对稳定。因此，可以基于测量内部压力的变化的影响来设计基于应变测量的间接腐蚀监测方法。腐蚀的发生，甚至局部腐蚀，都会使管道壁厚减小，从而使周向应变逐渐增加。另一方面，紧急情况发生时，周向应变可作为压力变化的检测器。根据这些因素，设计了一种圆周应变测量装置来估计管道腐蚀，甚至是突然的压力变化。
我们可以自然地选择电应变计作为定制传感器，以应用于周向应变测量，其优点是易于配置，价格低廉且可承受的测量精度。但是，天然气或液体管道有很多可能
目录列表位于科学指导
光线技术www。elsevier。com/locate/yofte
1068-5200/见前题copy;2013 Elsevier Inc。保留所有权利。http://dx。doi。org/10。1016/j。yofte。2013。11。004
d导致不适合使用电传感器的危险。光纤布拉格光栅（FBG）具有优异的抗电磁干扰能力，强大的可嵌入性，高精度和可靠性[12,13]是开发应变测量设备的理想材料。各种线性FBG应变传感器可满足不同需求，已开发并应用于模型测试[14,15]和实用工程[16–18]。与上述与电气设备有关的监视方法相比，基于FBG的方法具有其独特的优点。首先，FBG是光学设备，因此减少了出现安全问题的机会。其次，这种基于环向应变测量的间接方法不会影响管道结构，因此可以称为无损健康评估。第三，FBG可以在管道监控中提供多种功能。不仅用于测量壁厚减少量以估算腐蚀程度，还用于紧急预测，例如泄漏。
本文设计并封装了FBG环向应变传感器来测量管道周向应变变化。这项工作的目的如下：（1）提出了在管道监测中测量周向应变的重要性，特别是在管道腐蚀甚至局部腐蚀的情况下；（2）介绍了FBG环向应变传感器的设计原理并描述了其封装技术；（3）通过比较裸露的FBG和已开发的FBG环向应变传感器的响应，来表现FBG环向应变传感器在PVC模型管道中的性能；（4）通过相关实验研究FBG环向应变传感器的增强灵敏度机制；（5）进行初步的管道泄漏模拟实验，以研究FBG环向应变传感器的动态响应。
圆周应变监测的意义
基于周向应变的腐蚀估计
管道在工作压力下均匀膨胀，在沿管道轴线的任何横截面上产生法向拉力FN[19]。分析长度为B的半圆形截短管，以确定FN的表达式，如图1结果所示
B
p
p
内部压力下的管道图
由内压p引起的y方向FR的力可以通过积分获得
由于管子的厚度d远小于半径R，因此在m–m和n–n截面上任意点的标准应力估计为相等。满足y方向上力的平衡条件
因此，可以使用材料力学的基本理论获得管道的圆周应力和应变。
其中Ep表示管道的杨氏模量。在上面的描述中，忽略了轴向应力，因为可以认为管道在该方向上是无限长的。如方程式(4)所示。因此，建立了周向应变e和管道内压p之间的关系。
反过来，如果加压管道正常运行，则等式中的p，R和Ep(4)如果将其视为固定值，则周向应变e与管道壁厚d成反比。基于此原理，测得的周向应变变化可用于估算由管道内部腐蚀引起的壁厚减薄。
局部腐蚀的情况
在大多数长期服务的情况下，不会遭受意外损坏，在相同的管道横截面上，由逐渐腐蚀引起的壁厚减小在圆周上是均匀的，在同一截面上任何带有应变传感器的测量点可用于反映壁厚变化。但是，如果发生局部腐蚀或管道被部分损坏，单点测量功能在假设传感器距离腐蚀区域相对较远的情况下发挥作用。以下是基于有限元方法的部分腐蚀分析的示例，它说明了上述现象。
在此有限元管道模型中，腐蚀部分发生在管道的内壁上，如图2所示，其中表示由局部腐蚀引起的壁厚减小。七个虚拟单点应变传感器分别用于表示周向应变变化，其中S1为测量点正好位于腐蚀部位。
S2 S1
FR
d
y
m m
n n
S3
x S4
局部腐蚀区
FN FN S5
（b）半圆应力分析 S6
S7
图1。管道应力分析。
图2。局部腐蚀和应变测量点示意图。
S7距腐蚀区域的距离最长。
图3根据使用ANSYS进行的有限元分析，显示了完整管道与具有局部腐蚀的管道之间的周向应变分布。在局部腐蚀情况下，残余壁厚为0。5d（d=10 mm），局部腐蚀区域的弧度沿管道圆周为30°。两根管子都以相同的内部压力强度p=3 MPa加压。管道的长度为L=2000 mm，比管道直径320mm大5倍。因此，由于假定局部腐蚀沿轴向存在于中间，因此可以忽略边界条件对力计算的影响。
在完好无损的情况下，管道具有均匀的圆周应变。但是x，在局部腐蚀的情况下，该值是不同的，其中最大应变发生在腐蚀的局部区域。同时，应变变化率也定义如下，以表示由局部腐蚀引起的应变变化的程度。
有了这个定义，应变变化率便与先前设计管道的七个点的圆周应变有关。如下文中表格1所示，S3-S7的应变变化率很小，这表明在这些点的圆周应变对局部腐蚀不敏感。此外，在实际的管道~监控中，如果在这些不敏感的点安装了应变传感器，则可能无法检测到局部腐蚀。在另一方面，在相同的管道横截面上设置大量的应变传感器也是不经济的。
紧急事件指示器
图4给出了光纤光栅环向应变传感器的原理图。该传感器由光纤光栅、两个夹持管、两个夹持块、一个保护管、一个活动端和一个固定端组成。光纤光栅两侧的光纤在两个夹持管中用环氧树脂封装。保护管紧密地安装在被监测管道的外表面上，其基本功能之一是保护粗糙的裸光纤不受损伤。此外，保护管的中空部分形成“轨道”，确保FBG环向应变传感器系统和监测管线的一致消泡。FBG区域不与环氧树脂接触。这种设置可消除由环氧树脂的不均匀键合分布引起的FBG反射光的多峰现象。固定端和活动端均采用胶粘或其它机械连接方式安装在管道表面。不同之处在于，griper管、保护管和保护管在固定件处结合在一起，并一起形成一个相对的“固定点”，附着在管道上。当发生周向变形时，活动端移动位置，进而拖住夹持块，导致光栅区域变形。假设周向变形引起的通过整个环向应变传感器的内部张力为F，则夹持管和光纤光栅的变形由
在紧急情况下，通常认为管道腐蚀是一个逐渐变化的过程，利用周向应变变化来估计管道在长期运行过程中壁厚的缓慢下降。然而，周向应变测量的意义不仅仅在于对稳态变化的监测。一些突发事件引起的动态周向应变响应是压力骤降的标志，例如，当发生泄漏时，总是从泄漏点形成负压波，并以一定的速度沿管道传播。根据公式，由于内压在NPW到达时减小，周向应变ew将减小。基于这一原则利用周向应变的动态信号检测负压波的发生，考虑到上述因素，设计了一种满足以下要求的周向应变测量装置。首先，该传感器测得的周向应变能反映同一截面上的整体周向变形，以便在局部尺度上估计管道腐蚀。其次，传感器能够监测管道的动态响应，数据采集系统具有足够高的采样率。再次，传感器需要牢固可靠地安装在管道表面，以便进行长期监测。
光纤光栅环向应变传感器的机械性能见表2。这里采用直径为0。8mm、壁厚为0。1mm的不锈钢毛细管制作每根管子的夹持器，具有很好的柔韧性，适合管道的圆形。为了简化公式14，采用刚度比系数，定义为：
环向应变传感器L的总长度对于某一管道模型是固定的。因此，还定义了FBG长度系数，即：
因此，用公式中的刚度系数和FBG长度系数代替，可以表示为：
式中，K定义为FBG环向应变传感器应变灵敏度系数，表示FBG应变变化与管道之间的标度关系。通过参考表1中的参数，计算刚度比系数为=0。019133。因此，FBGhoop应变传感器应变灵敏度系数K的数值表达式可以近似为：
从式（19）可以看出，当L大于Lf时，FBG环向应变传感器的机械结构具有应变灵敏度放大的功能，因为上述计算Kgt;1。同时，根据管道变形分析，通过调整Lf与L的比值，可以得到合适的应变灵敏度系数。值得一提的是，参考文献[22]中已经进行了线性型光纤光栅应变传感器的类似灵敏度竞争。然而，与以往的分析相比，考虑到刚度比对光纤光栅环向应变传感器性能的影响，该方法的精度更高。[22]。此外，由式（18）可知，在FBG长度系数a较小的情况下，刚度比效率b的影响将增大。也就是说，在总长度固定、裸光纤长度相对较小的情况下，不能完全忽略b的影响，必须考虑b的影响，基于上述原理，形成了灵敏度更高的FBG环形应变传感器样机。然而，与普通光纤光栅应变传感器相比
式中，Es、Ef、As和Af分别表示夹持管和纤维的杨氏模量和截面积，夹持器Ls的总长度、固定端和移动端L之间的总长度和总变形可以表示为
为了研究光纤布拉格光栅的应变变化与管道之间的关系，提出了简化推导的一些基本假设（1）光纤布拉格光栅环向应变传感系统的变形与管道一致。换言之，环向应变传感器不能“抵抗”管道的固有变形，并且（2）环氧树脂和纤维之间的应力传递损失可以忽略，如已详细讨论的。因此，ef和e可以表示为：
FBG与管道之间的应变比为：
环形应变传感器具有弯曲的形状和较长的规格，因此设计了一种特殊的带有预张紧系统的封装技术。
带预警系统的传感器封装
锚固构件
与具有线性几何形状的传感器不同，提到的FBG环向应变传感器必须具有良好的柔韧性才能适应管道表面的曲线。另外，必须考虑管道和环向应变传感器之间的无缝连接，以确保一致的变形。考虑到所有这些因素，开发了具有预张紧机构的FBG箍应变传感器系统，如图所示。。
首先，将锚固部件粘附或焊接到管道表面，然后将与保护管结合的固定块安装到其中，成为该系统的固定支撑。接下来。将与保护
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