精品文檔-下載后可編輯利用光纖傳感器監控管道腐蝕狀態的設計-設計應用

油氣輸送管道一般焊接連成管線。我國已擁有原油和天然氣管道長輸管道21000km,年輸量超過1億。泄漏和堵塞是管道運行的主要故障。一旦管道發生泄漏，輕則影響生產，重則著炸，傷害人的性命。1989年6月3號，前蘇聯烏法市一條液化石油氣管道破裂泄漏，兩列在與其平行的鐵路上行駛的客車會車時發生爆炸火災，造成645人死亡。堵塞則造成管道停輸，也將造成巨大的經濟損失。為了保證金屬管道的長期、安全運行，必須有計劃地進行腐蝕檢測，即對管體、防腐絕緣層的考察，確定管道腐蝕狀況，指出可能發生泄漏的隱患。當今工業發達國家的新建管道投產以后即對其技術狀況進行跟蹤檢測，在管體裂縫擴大和腐蝕嚴重到發生泄漏之前就發現并主動進行整治修復。這雖然也耗費一定的資金，但要比管道穿孔以后進行搶修的代價要小得多。

針對這個問題。FiberOpticsystemsTechnology公司（FOX-TEK）開發出的一個解決方案，是將非常靈敏的FT光纖壁厚傳感器和網絡監控儀器以及一個衛星或者電池調制解調器結臺起來。這個系統可以從任何地方地遠距離追蹤管道腐蝕情況。

該系統利用FT傳感器以及相連的監控器表來測由腐蝕導致的每分鐘的壁厚變化。這個系統是非侵入式的，可以在管道外表面進行測量。位于管道或者壓力容器的外表面應力在不變的壓力和溫度下，其變化量與管壁厚度的變化成反比。通過比較所測應力變化與FT傳感器監控器記錄的數據，以及設備的幾何信息，公司可以將來自傳感器的原始數據轉化成包含溫度，壓力彎曲應變和管壁變薄程度的有用參數。

操作原理

光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等）發生變化，稱為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。近年來，傳感器在朝著靈敏、、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中，光纖傳感器這個傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖具有很多優異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能；絕緣、無感應的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區），或者對人有害的地區（如核輻射區），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

盡管其它定制儀器和儀表長度被用于特殊項目FT線圈傳感器可以被用于大多數應用中，并能夠測量超過±15mm的傳感器總位移。這個動態范圍結合了傳感器測量長度，限定了應力范圍，一個10m測試長度傳感器的應力范圍為±1500με。在項目計劃階段就需要通過選擇計量長度和傳感器結構來滿足特定的項目目標。

根據管道腐蝕情況來計算管道壁損耗，通常需要來自3個FT傳感器的應力信息。一個是位于受關注位置的傳感器，根據內部壓力、管道壁厚度表面溫度得出相應的應力信息。另兩個傳感器提供補償信號，使系統能夠根據操作溫度和壓力的差異分離信號成分。一旦完成補償，在關注區域測得的應力就與殘存的壁厚成反比（公式1）：

此處ε=應力；P=內部壓力；

D=管道直徑；v=Poisson比率；

E=Young系數；t="壁厚".

由于內部腐蝕是一個極慢的過程，所以有時需要收集超過30天的數據，以便把與壁厚損耗有關的信號及背景信號分離。

利用日前可用的兩個FT傳感器之一來解調傳感器的光學信號。FT3405主要用于連續監控應用（圖1A），并且通過交流電源供電，FT3410由電池供電，并且外形更加緊湊，適用于室外階段性監控應用（圖1B）。

FT3405的可編程特性使公司能夠對所有連接的FT傳感器制定一個自動掃描的時間表。所有從傳感器收集的數據都被儲存到性存儲器中。這些特征有助于減少工作時間、保證持續獲得穩定的數據流，并且可以捕獲更多的數據。

可以使多個3405相互連接，并將它們連接到一個數據傳輸系統中，使公司可以每天直接將數據傳輸到異地辦公室，減少所需的訪問數量。

運行的傳感器

由于腐蝕擴大的可能性不斷增長，在美國東南部，某天然氣管道運營商計劃利用腐蝕取樣管來追蹤兩條穿越低地地區的管道變化。盡管一個腐蝕取樣管暗示壁損耗速率在可接受限度內，但操作者希望能夠通過直接測量確定真正的管壁損耗速率。

兩條管線沒有被覆蓋（圖2），因此所有的過程都是公開進行的，FOX-TEK在一些地點通過超聲波掃描（圖3）來快速了解管道壁的當前情況。

操作人員安裝了額外的腐蝕取樣管端口，FOX-TEK人員則在兩個管道上的三處安裝了24個FT傳感器（圖4）。15個線圈FT傳感器被安裝在底部或者時鐘6點處，4個FT傳感器被安裝在時鐘12點處作為壓力參考，還安裝了5個專用FT溫度傳感器。經過環氧處理后，引導光纜通過PVC管道迂回到一個外殼中（圖5）。

所有從管道線路上的FT傳感器系統中收集的信息（圖6）都通過公司的數據管理和分析工具（DMAT）程序進行分析。DMAT被設計成與FOX-TEK設備協同工作，可模擬真實過程并生成。

由于系統的特性，管道內的壓力波動并不一致。為了調節這些壓力波動，原始數據每2小時被平均。為了進一步消除數據差異，分析人員每七天集中并制定壁厚應力與壓力參考應力的比率及其變化趨勢。為了簡化數據表達，平均每個月計算數據。

壓力參考傳感器和壁厚傳感器受機械和熱應力的支配。DMAT內置調制解調器可以分離包含與壓力/溫度相關的原始應力信號，只有那些暗示壁厚變化的信號才可以被繪制出來。圖7顯示了從一個傳感器處得到的典型數據。

當DMAT被用于消除整體應力、壓力和溫度之間的耦合時，FOX-TEK分析人員獲得了一份如圖8所示的曲線圖，圖中通過對其中一個壁厚傳感器的分析，顯示出目前的壁厚趨勢。

在圖9中示出了從三個位置點的FT傳感器處獲得的逐月數據。表1顯示了短期（過去兩個月）、三個月、長期（從監控開始）的趨勢。用"xxx"表示的值在統計上并不重要。

通過四個月收集到的數據與目前通過傳感器的平均管壁損耗速率匹配的約為0.0012英寸每年。由于系統的敏感度為0.002英寸，這個腐蝕速度低于系統可測的靈敏度。

應用和益處

除了技術方面的好處，利用FOX-TEKFT傳感器系統監控腐蝕具有可回收成本的好處，包括：

從難于接近的地方更快獲得腐蝕數據；

通過直接測量管道上受關注區域，獲得更可靠的數據；

通過維持可靠的即時數據更好地進行檢查記錄；

減少與檢查相關的人力成本；

通過壽命終期評估獲得更長的運行時間；

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