海管结构状态监测研究进展_王花平.pdf

：海管结构状态监测研究进展收稿日期：；修回日期：。基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（）；甘肃省科技项目（，）。作者简介：王花平（），女，副教授，博士，主要研究方向为基于光纤传感技术的结构健康监测。通信作者：王花平，。王花平，李齐明，弓翔舒，冯思远，郭晏辛（兰州大学 土木工程与力学学院，兰州 ；哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室，哈尔滨 ；浙江大学 建筑工程学院，杭州 ）摘要：海管在长期运营过程中，受到海水腐蚀、海沙冲蚀及海洋波浪作用，易发生局部屈曲、开裂和穿孔等损坏，引发油气泄漏事故，造成严重的环境污染和巨大的经济损失。因此，运营中海管的结构抗力、损伤和安全状态及剩余服役寿命等信息的掌握成为工程领域的关注重点。鉴于此，归纳总结了运营中海管结构的特征参数和可能的损伤模式，对检测和监测海管结构状态的技术进行了国内外研究进展综述，同时结合运营中的海管监测需求重点介绍了光纤传感技术在海管结构状态监测方面的优势、研究现状及应用前景，以期为维护海管结构安全经济运行提供有效器件和可靠技术参考。关键词：海管；光纤传感技术；特征参量监测；损伤诊断；结构状态评估；寿命预估中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；第 卷第期 年月 海军工程大学学报 随着国内能源需求的增长，深海资源开发与西气东输等重大能源工程推动了油气管道的大量建设。海洋蕴藏了全球 的油气资源。由于开采技术的逐年提升及陆地原油资源的日益枯竭，油气资源的开发和利用逐渐从陆地转向海洋、由浅海转向深海将成为必然趋势。例如：南海油气资源的开发逐步拓展到 左右的深海，作为油气输送生命线的深海立管被大量投入使用。海管造价成本极高，在长期运营过程中，受到海水腐蚀、海流海沙冲蚀、海浪等多介质循环耦合作用，易发生局部屈曲、裂缝、孔洞和疲劳断裂等损伤。这些累积或突发损伤破坏管道，导致巨量燃气油泄漏，极易引发严重的爆炸和环境污染，造成巨大的经济损失，危害极大。因此，迫切需要发展有效的实时长期连续监测技术，以掌握深海输油气管的几何形态、应力分布和损伤状态等结构性能，及时进行损伤在线诊断和服役安全状态评定，从而指导海管的快速维修、经济高效地维持海管正常运行和石油的持续输送。该方面的研究可以用于降低海管局部损伤引发的原油泄漏和停产风险、避免管道破裂造成的重大经济损失，以及保障浮式平台的安全作业。目前，维护海管安全运行的主要检测技术是采用漏磁检测法、涡流检测法、超声波检测法、智能清 管 球、水 下 机 器 人 等 对 其 进 行 定 期 检测。这些方法更偏重于海管结构损伤后的检测，无法对损伤发生前的过程进行实时连续跟踪和预判，且较难积累长期连续监测响应数据表征海管结构损伤时空演化特征，不易实现损伤在线诊断和结构安全状态评定。尤其对于远海和深海管道，这些检测方法存在效率低、周期长、成本高等缺点。此外，这些技术较依赖人力对规章制度的有效执行，且检测范围覆盖面有限，难以满足几十米甚至几百米深的海域管道日常检查和维护的监测要求。鉴于此，有学者开始考虑采用基于光源输入输出的光纤传感元件监测海管结构变形。相比压电片和应变片等电式测量器件，光纤类传感元件，因其电绝缘、本质安全防爆、耐腐蚀、化学成分长期稳定、抗电磁干扰、灵敏度高、绝对测量、体积小、质量轻、几何形状多方适应性、单点或多点或分布式测试、布设方式灵活、易集成组网等优势，被国内外学者和工程师应用于海管的温度、应变和裂纹等目标参量的检测 。目前，点式、准分布式和分布式光纤传感技术有少量应用于海管监测 ，虽然在一定程度上实现了长距离海管结构变形、损伤和裂纹信息的测试，但其本质上属于采用外贴式光纤传感器件。因此，该种测量方法的有效性将极大地依赖所采用的高强粘结剂质量、接触界面之间的粘结质量和粘结面积。由长期变形或局部大应力集中引发的分布式光纤传感器和海管结构之间的局部界面剥离将极大地缩短有效测量时间，无法实现长期稳定耐久有效的测试。因此，有待进一步研究改进封装设计，研发适应海管长期稳定耐久测试的工程化光纤传感器件、物理参量估计算法和监测系统，以解决海管结构安全运营过程中变形监测技术短缺、长期稳定耐久测试效果差、局部界面剥离引发的测试失效、连续变形数据不易获取等问题。鉴于此，本文综述了海管结构的主要损伤类型和起因、海管结构状态表征参量、海管结构状态检测和监测技术现状、运营中的海管监测需求及光纤传感技术在海管结构安全服役监测中的优势、研究现状、应用前景及主要问题等，以期服务于海管结构损伤的实时在线诊断和安全预警、结构优化设计及智能运维管理。海管结构损伤现状海管结构的损伤类型海管在复杂海洋环境作用下可能发生多种形式的损伤，如管线开裂、海水海砂冲蚀引起的壁厚减薄、腐蚀穿孔、管线总体屈曲或局部屈曲等。在高浓度腐蚀环境下，海管管壁局部厚度被削弱，易形成孔洞。原油中夹杂的海砂会对管壁造成连续冲刷作用，也会侵蚀部分海管。在复杂海洋环境荷载（如波浪、海流、浮冰、海床滑移和液化引起的悬跨等）作用下，海管易发生裂纹。在循环往复的海洋荷载和运输油气砂石的摩擦荷载作用下，海管薄弱位置易发生疲劳断裂。海管结构损伤的原因海管在投放及运营的过程中会发生各种各样的损伤，从而引发油气泄漏事故，导致污染环境的同时，也带来经济损失。根据以往的施工和生产实践经验，造成海管结构损伤的主要原因有：海水腐蚀；冲刷破坏；管道内外高温高压破坏；焊接接头处应力集中产生裂纹；设计及施工海军工程大学学报第 卷缺陷；人类渔业或抛锚等第三方活动作用。海管结构状态监测技术海管结构状态表征参量海管结构状态主要可以分为正常使用的无损状态（即弹性阶段）和局部微损伤状态（即弹塑性阶段），以及局部或整体超出设计规范的极限状态。海管结构状态表征参量指描述海管结构状态的最少参量的集合，即根据这些表征参量的变化信息可以预测海管结构的演化特征、评估海管结构的安全服役性能及诊断损伤位置和程度。因此，根据海管结构特点，可以将状态表征参量分为几何参量和物理参量。其中，几何参量包括海管结构的形态和壁厚；物理参量包含海管的应变、应力、位移、加速度、模态频率和振型等。海管形态可以根据初始点坐标、离散的弧段和曲率及曲线重构算法获取。海管的壁厚根据 标准 提供的设计方法计算，根据失 效 统 计 分 析，所 有 海 管 壁 厚 不 得 低 于，且冲击荷载是壁厚设计的决定性因素。海管应变、应力、位移、加速度、模态频率和振型等物理参量信息则可以通过引入相关假设和特定荷载工况下的力学建模和静动力分析获取。其中，应变和应力信息是评估海管结构性能和失效的重要指标。根据海管几何物理参量信息，可对海管结构的服役和损伤状态（如裂纹、腐蚀、孔洞、局部屈曲、管体不圆、壁厚不均匀等）进行评估和诊断，从而确定海管结构整体的安全可靠。海管特征参量监测方法结合当前检测和监测技术发展，对于海管特征参量的监测，主要可以考虑漏磁检测、涡流检测法、超声波技术、基于成像技术的管道智能机器人及光纤传感技术等。漏磁检测（，）是指铁磁材料被磁化后，因试件表面或近表面的缺陷而在其表面形成漏磁场，通过检测漏磁场的变化进而发现缺陷。技术原理如图所示，由传感器接收信号，软件判断有无缺陷。该技术适合构建自动检测系统，可减少人为因素影响，获得高检测效率，提高检测结果的可靠性。对于壁厚 以内的管道，技术能同时检测内外壁缺陷。然而，技术也有很多局限性，如不适用于检测表面有涂层或覆盖层以及形状复杂的管件。图漏磁检测技术基本原理 涡流检测是指利用电磁感应原理，通过测量被检试件内感生涡流的变化来无损地评定试件的缺陷或其他性能，适用于导电材料。当把一块导体置于交变磁场之中，在导体中就有感应电流存在，即产生涡流。导体自身各种因素（如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等）的变化，会导致涡流的变化。涡流产生的反作用磁场使检测线圈的阻抗发生变化，通过测定检测线圈阻抗的变化可以诊断被检试件是否有缺陷（见图）。涡流检测法对海管表面缺陷有较高的检测效率，可检测海管壁厚和形状，但是测量精度会受海管材料、尺寸、形状及附着在海管上杂质的影响。图涡流检测的工作原理 超声波检测（，）采用发射探头通过耦合剂向试件表面发射超声波，在试件内部传播的超声波遇到不同界面将反射不同回波信号，根据不同反射信号传递到探头的时间差诊断试件内部是否有缺陷，根据回波信号的高度和位置等诊断缺陷的大小、位置和类型等。技术原理如图所示，其对裂纹较敏感，而对近表面缺陷不敏感，易漏检。技术检测速度快、缺陷定量准确、作业强度低，且可以满足不同壁厚海管的监测需求，是国内主流监测方法。管道智能机器人检测是管道成像和视频技第期王花平 等：海管结构状态监测研究进展术、地理信息技术和物联网技术等集成一体化的多功能系统，通过管道智能机器人对海管进行检测，并基于存储的视频图像数据对管道结构进行分析诊断。该技术能方便、快速地同时实现裂纹腐蚀缺陷和冲蚀穿孔泄漏等的高精度检测。但其使用成本较高，不易实现管道长期且常态化监测。图超声波检测基本原理 光纤传感技术是指环境温度或机械作用使光纤中传输的光波物理特征参量（如强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，从而通过解调光参量变化去感知外界因素变化。该技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。工程中广泛应用的两种光纤传感元件为 （）和基于布里渊散射的分布式光纤，其工作原理如图所示。光纤传感技术在海管结构的应用需要考虑特殊封装设计以确保其成活率和耐久性，从而铠装海管局部和整体长期测试。光纤传感技术可用于温度和应变的直接测量，以及压力、振动和加速度等的间接测量，非常适用于长距离管线类结构多参量的长期连续监测。图光纤传感元件的工作原理图 不同特征参量的监测方法）海管壁厚当前，应用最广泛的内检测技术是通过智能内检测器测量管道厚度，但检测费用较高，且市场及技术被美国和德国等公司高度垄断。常见智能内检测器包括几何变形检测器、漏磁检测器和超声波检测器等。几何变形检测器主要用于检测管道几何变形、断面变形、屈曲和皱折变形等。漏磁检测器使用磁铁将磁通引入管壁或焊缝，传感器装在两磁极之间，探测因管壁减薄或腐蚀等引起的各种漏磁现象，国际上 的管道内检测均采用这一技术。超声波检测器利用超声波从管子内、外表面之间反射波的时间差来测定管壁腐蚀和厚度，但其检测需要液体环境，使用受到一定的限制。）海管形态海管结构形态可以结合初始点坐标和离散连续的海管分段曲率，通过点曲线曲面重构算法获取。其中，海管分段曲率可以根据几何关系通过海管结构变形换算得到。因此，海管形态监测可以转换为海管变形或曲率的测量，通过光纤传感技术或管道智能机器人检测法获取。）海管应力、应变、加速度等物理参量海管应力和应变信息表征海管在周围海流、水压力及管内运输介质带来的冲蚀摩擦等作用下结构抵抗变形的能力。其中，应变可由光纤传感元件直接测量得到，应力则可以通过压力传感器测得。采用相同的思路可以获取海管振动加速度、频率和振型等信息。运营中的海管监测需求内承压状态评估海管在运输油气介质时会对海管内壁产生压力，该压力会随着流速或含砂量的增加而增大，因此海管需具备承受内压的能力。承压评估就是通过静水压试验或计算判断海管承压性能。最直接的方法是在停产后对海管进行静水压试验，但是这种方法费用很高。一般根据 标准 提供的公式评估海管承压状态，即（）。（）式中：为管壁局部偶然内压；为海管外压；海军工程大学学报第 卷和 为材料抗力系数、安全等级抗力系数；海管承压抗力值（），（）；，（），且，（）；，（）.。（）式中：，（）和，（）分别代表屈服极限状态和劈裂极限状态；为壁厚；为海管外直径；为设计屈服应力；为设计拉伸强度。自由悬跨评估受海底凹凸不平、冲刷、沙坡、海床运动或人工支撑等作用，海管可能出现自由悬跨，使管应力增加，从而引发静力强度超过许用值破坏或涡激振动，导致疲劳失效。在波浪和海流作用下，流体在悬空段海管两侧绕流时，由于压差变化会引起边界层分离、造成尾流漩涡脱落，并以一定频率振动海管。当漩涡脱落的激振频率与海管固有频率相同或接近时，会发生振动锁定现象（即共振），海管振幅剧烈增加，诱发管道疲劳