分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用

1、分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用*金伟良 张恩勇 邵剑文 刘德华浙江大学,杭州,310027摘 要 分布式光纤传感技术由于能够获得被测量信息沿空间和时间上的连续分布,非常适用于线形海底管道的健康监测。介绍分布式光纤传感技术及该技术在海底管道健康监测中的应用情况和面临的问题,对该技术在海底管道健康监测中应用前景进行了展望。关键词 分布式光纤传感技术 海底管道 健康监测*国家高技术研究发展计划(863计划经费资助(2001AA602022-1海底管道作为海上油气集输系统的主要形式,在海上油气田开发过程中发挥着重要的作用。由于工作环境条件恶劣,海底管道既要受到管外波流等环境荷载的作用,又

2、要受到管内油气腐蚀、压力等作用以及海上坠落物撞击、渔网拖拉等意外荷载的作用,其失效概率高,运行风险大。海底管道失效后果严重,不仅直接影响到海上油气田的正常生产,而且管内原油若发生外泄还会严重污染海洋环境,带来相应的社会负面影响。为了避免因海底管道失效所造成的重大经济损失和不良社会影响,必须采取有效的措施防止发生海底管道失效问题。引起海底管道失效的原因具有很大的随机性和偶然性,很多因素至今没有被认识,从设计角度来避免海底管道失效是很困难的或者是很不经济的;常规的检测方法,如射线法、漏磁法、超声波法、渗透法等,只能用于海底管道的定时和定点检测,期望用这些方法以有限次的检测来完全避免海底管道失效也是

3、不现实的。近年来,随着传感技术的发展和健康监测概念的提出,利用传感技术对海底管道进行健康监测,为解决海底管道失效问题提供了新的途径。根据H ousner 对结构健康监测的定义1,利用传感技术对海底管道进行健康监测,是指利用无损的传感监测方法获得海底管道结构的内部信息,分析包括海底管道结构反应在内的各种特征,了解海底管道因损伤或者退化而造成的改变。在各种传感元件中,光纤由于具有体积小、重量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好以及频带宽、灵敏度高、易于实现远距离遥测与控制等诸多优点2,比其他传感元件更适用于工作条件恶劣的海底管道监测。利用设置在海底管道中的监测光纤及其光强、频

4、率、偏振态等特性随海底管道温度、应变等状态参数变化的性质,通过对这些特性进行测量,就可得到海底管道状态参数,从而可以判断海底管道的安全性,在海底管道出现危险前及时采取措施避免管道发生失效。在各种光纤传感技术中,分布式光纤传感技术可以获得被测量信息沿光纤各点在时间上的连续分布,非常适合于线形海底管道的监测,在海底管道健康监测中应用前景极好。1 分布式光纤传感技术自从20世纪80年代首个分布式光纤传感技术原理被提出以来3,由于它具有可以获得被测量信息在空间和时间上连续分布的特点,加上光纤作为传感元件具有诸多优点,非常适合于工程结构监测。国内外许多研究机构和公司都投入了大量人力物力财力进行这方面的研

5、究,分布式光纤传感技术得到快速发展,基于各种原理的分布式光纤传感器被开发出来,并且逐渐从实验研究走向实际应用。目前分布式光纤传感技术已被应用于航空航天、土木工程、化工、军事、交通等许多领域。111 分布式光纤传感技术的基本原理目前分布式光纤传感技术使用的方法主要有反射法、波长扫描法和干涉法:反射法是利用光在光纤传输过程中产生的后向散射效应进行测量的方法;波长扫描法是利用保偏光纤在外部扰动作用时发生模式耦合效应进行测量的方法;干涉法是利用干涉第15卷第4期中国海上油气(工程Vol 115,No 14 2003年8月CH INA OFFSH ORE OIL AND GAS (ENGINEERING

6、Aug.,2003装置对干涉光路中光波的相位进行解调从而得到被测量信息的方法。在这3种方法中,反射法是研究最多、应用最广的一种。根据其建立在时间域还是频率域上,反射法又可分为光时域反射法(OTDR和光频域反射法(OFDR。光频域反射法相对于光时域反射法研究较晚,应用范围也不及光时域反射法广。光时域反射法的基本原理是光源发出的光沿光纤前进过程中产生后向散射,后向散射光强在向后运行过程中随着距离增长而按一定规律衰减,在光速不变的情况下距离与时间成正比;因此,根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间,就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强,它可用下面的式子表达:P(t=c g2P0

7、S(ta S(tex p-2a(t。式中:P(t为t时刻后向反射到光纤入射端的光功率;P0为输入光功率;S(t为后向反射因子;a S(t为单位散射系数;c g为光脉冲在光纤中的传播速度;a(t为光散射和光吸收系数沿光程上积分和的一半。光的后向散射包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3种形式。其中:瑞利散射是由光纤材料不均匀导致的光纤折射率不均匀引起的,它是光与物质之间发生的弹性散射,在散射过程中不发生移频;拉曼散射是光与物质分子振动间相互作用产生的光学声子;布里渊散射是光纤材料密度周期性变化产生的声学声子4。拉曼散射和布里渊散射都是非弹性散射,在散射过程中发生移频,拉曼散射比布里渊散射移频大。这

8、3种散射光的频率分布情况见图1。拉曼散射和布里渊散射移频都与温度有关,可以用于温度测量。在反映海底管道运行状态的各种参数中,应变和温度是2个重要参数,利用海底管道应变和温度信息可以判断海底管道安全状况。在光的后向散射中,常用的玻璃光纤瑞利散射对温度变化不敏感5,而拉曼散射和布里渊散射对温度变化敏感,并且拉曼散射和布里渊散射的移频是温度和应变的函数;因此在利用分布式光纤传感技术对海底管道进行健康监测时,可以通过对光纤中拉曼散射和布里渊散射的光强和移频同时进行测量,来求得海底管道温度和应变。拉曼散射和布里渊散射光强和移 频与应变和温度关系如下:D P BP B=C p E$E+C pt$t,D f

9、 B=C f E$E+C ft$t。式中:P B为散射光功率;D P B为光功率损耗;D f B为移频;$E为应变变化;$t为温度变化;C f E、C p E、C ft、C pt为应变和温度系数。图1光纤中散射光谱利用拉曼散射测量温度和应变信号相对简单,但受工作波长短(0.9L m左右、散射光信号微弱的制约,其最大传感长度一般仅为5km,只适用于短距离海底管道监测。同拉曼散射相比,布里渊散射光信号比较强(约比拉曼散射大10dB,如果使用单模光纤作为传感光纤,工作波长选为1.3L m或1.5L m,光信号的衰减和色散很小,可以用于长达几十km的海底管道监测。目前,采用布里渊散射的分布式光纤传感技

10、术主要有布里渊时域反射分析法(BOT DA和布里渊时域反射计法(BOT DR。这2种技术的主要区别是:BOTDR利用自发的布里渊散射,只需要单端布置光源,实际使用时比较方便;而BOTDA利用受激布里渊散射,需要双端布置光源,比较复杂,但测量精度高6。112分布式光纤传感器6中国海上油气(工程2003年7第15卷第4期金伟良等:分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用 8中国海上油气(工程2003年 东方1-1气田海底管道混凝土配重层的涂敷闫嗣伶渤海石油管道涂敷工程公司,天津塘沽,300452摘要海底油气管道的覆盖层为防腐蚀层和混凝土配重层。以往我国海底管道使用的混凝土配重层均由外国公司施工

11、。2002年渤海石油管道涂敷工程公司从美国引进了一套混凝土配重层喷涂设备,在进行大量混凝土配重层涂敷技术研究的基础上,该公司圆满完成了东方1-1气田113 km混凝土配重管的涂敷工作。通过该工程实例,介绍混凝土配重层的技术性能要求、涂敷工艺以及防腐蚀涂层的表面增阻措施等。关键词海底管道混凝土配重管涂敷工艺防腐蚀层的表面增阻2002年3月渤海石油管道涂敷工程公司承接了东方1-1气田113km海底输气管道聚乙烯防腐蚀层和混凝土配重层的施工任务,并于当年10月顺利完工。防腐蚀层和混凝土配重的管道涂层结构在我国是首次由国内公司来完成,为了高质量地完成任务,渤海石油管道涂敷工程公司针对海底管道混凝土配重

12、层的设计要求进行了多项技术研究。1对海底管道混凝土配重层的技术要求根据东方1-1气田海底管道的设计规定,混凝土配重层的技术性能要满足表1中的要求。2海底管道混凝土配重层的涂敷工艺海底管道混凝土配重层的施工方法主要有喷涂表1混凝土配重层的技术性能指标序号项目技术指标备注1混凝土抗压强度62M Pa(28d,立方体试样41.4M Pa(28d,钻核试样钻核试样应从混凝土配重层上钻取,直径不得小于40mm2混凝土密度3040kg#m-33混凝土吸水率4%4混凝土配筋率0.08%(纵向0.5%(横向钢丝网的网孔为25mm67mm5混凝土抗冲击强度10kJ(冲击锤头直径为20mm在同一点冲击5次,不得露

13、出防腐蚀层6混凝土与防腐蚀层之间的抗剪切强度0.1M Pa社,20025靳伟,廖延彪,张志鹏,等.导波光学传感器:原理与技术.北京:科学出版社,19986耿军平,许家栋,郭陈江,等.全分布光纤温度传感器研究的进展及趋势.传感器技术,2001,20(2:4-87Bernhard V,et al.Leakage Detecti on Systems by Using DistributedFiber Optical Temperature M easurement.SPIE2001,4328,23-34 8Chen Huabo,et al.A M e thod for Oi l Pipeline

14、Leak Detection Based onDi stributed Fiber Optic Technology.SPIE1998,3555,77-829M endoza E A,et al.Distri buted Fiber Optic Chem i cal S ensors forDetection of Corrosion in Pipelines and Structural Components.SPIE1998,3398,136-14310M ckeehan D S,Halkyard J E.M ari ne Application for a ContinuousFiber

15、 Opti c Strain M onitoring System.The18th Annual OTC,Houston,1986,345-34211Sizamme R N.Reliability Issues in Optical Fibers.Paul D KSPIE1986,717,8-20(收稿日期:2003-04-14;编辑:许敏第15卷第4期中国海上油气(工程Vol115,No14 2003年8月CH INA OFFSH ORE OIL AND GAS(ENGINEERINGAug.,2003CHINA OFFSHORE OIL & GAS ENGINEERING ( Bi

16、monthly Sponsor Publisher Address Post Code CNOOC Research Center CHINA OFFSHORE OIL & GAS ( Engineering Editorial Department Guobin Building, 21, Jiuxianqiao Rd, Beijing, China 100016 ISSN 1001- 7682, CODEN ZHYGEQ Aug. , 2003 Vol. 15 No. 4 CONTENTS #DEDIGN AND CONSTRUCTION# Analyses and Strat e

17、g ies of Piling int o Ferro - Plat e Sand Seabed in Sout h Yellow Sea , Zhou J unchang ( 1 A bstract: T he sur face soil pr operty on the seabed northwest area of Wunansha uplift in the South Y ellow Sea Basin is medium compact silt - fine -sand and sandy silt, which are usually called ferro - plate

18、 sand. It w as difficult to pile into such seabed for a jack - up platform which piling depth was ver y shallow. During drilling operation, the platform legs often sunk, that it affected the oper atio n, even safety on the platfor ms. Analyzing the reasons o f platfo rm legs through the operational

19、practice o f Changzhou 35- 2- 1 well, t he paper brings forw ar ds strategies and sugg estions for the problems. A nd it prov ides the r eference for the drilling oper atio n in the fu ture. Key Wor ds: ferro -plate, jack - up platform, piling Application of Distributed Optical Fiber Sensing T echni

20、que in Health M onitoring of Subm arine Pipeline , , , , , , , , , J in Weili ang , Zhang Enyong , Shao J ianw en, L iu Dehua ( 5 A bstract: Distributed optical fiber sensing technique is suitable for submarine pipeline health monitor ing , because it can attain continuous spatial and time distr ibu

21、tion of measurement. In this paper, distributed opt ical sensor technique is briefly introduced firstly, then current application situat ion and problem faced to solve of optical fiber sensing technique in health monitoring of submarine pipeline is g iven. Finally, application prospect of this techn

22、ique in submarine pipeline health monitor ing is pr esented. Key Wor ds: distr ibuted optical fiber sensing technique, submarine pipeline, health monitoring T he Concret e Weight Coat ing Layer for t he Submarine Pipe , , , , , , , Yan Si li ng ( 9 A bstract: Submar ine gas pipelines usually are ant

23、i corrosion and concrete weight coated pipes. Such pipe coating w ork in China w ere under taken by foreign applicators previously . Bohai Oil Pipeline Coating Engineering Company introduced a productio n line of concrete weight coating in 2002, and then successfully under taken the concrete w eight

24、 coating project of Dongfang 1- 1 110 kilome ters based on the researches and tests. T his paper describes the technolo gy r equirement of concrete w eight coating anti slip measure between anticorrosion coating and concrete weig ht coating in light of project practices. Key Wor ds: submarine pipeli

25、ne, concr ete weig ht coating , coating technolo gy, and anti slip between anticorrosion and concrete layers Welding Quality Control of the T hick P ressure Vessel , , , , , , , , L iu X iaoyun ( 12 A bstract: T he paper introduces detailed quality control system and control measures of the thick -

26、wall pressure vessel during manufacturing. T he practical operation shows that the welding quality fulfills technical requirements, and pro vides some ex periences for r eference to the welding quality control of thick - w all pr essure vessel manufactur ing . Key Wor ds: pressure vessel, w elding q

27、uality, heat treatment , quality co ntrol 第 15 卷第 4 期 刘晓昀 : 厚壁压力容器的焊接质量控制 15 人员现场监督, 并做好返修记录, 较好地控制了返修 质量。 21 8 焊后热处理 焊后热处理是压力容器制造工艺过程中重要的 工艺环节, 对厚壁压力容器更是如此。焊后热处理 的目的是 : 1 松弛焊接残余应力及稳定结构形状和 尺寸; 2 软化热影响区, 提高焊缝金属的塑性及断 裂韧性 ; 3 提高抗应力腐蚀的能力; 4 释放焊缝金 属中的有害气体 氢气 , 防止延迟裂纹的产生。 该项目 3 个厚壁压力容器均须进行焊 后热处 理。为提高焊后热处理

28、的质量 , 缩短施工周期 , 根据 每台容器的热处理要求, 分 2 炉采用组装式电阻炉 整体热处理, 温度由计算机控制, 温差小 , 运行平稳。 为准确地反映热处理温度 , 将热电耦点焊在筒体上 , 且置于温度可能变化的位置, 既要测定筒体真实的 温度, 又要尽量减小筒体不同部位的温差。焊件热 处理前, 制定了完善的热处理工艺规程 , DNV 第三 方检验机构对热处理设备、 人员资质及热处理工艺 方案等进行了确认。在热处理过程中, 责任工程师、 检验人员及操作人员全程监控整个工艺过程, 对每 个热电耦温控点的加热升温速度、 保温温度、 保温时 间、 降温速度等关键工艺参数重点监控, 发现问题及

29、 时解决。由于采用了合理的热处理工艺及严格的质 量管理 , 热处理后的产品各项参数均达到技术要求, 出据的热处 理报告 获得 DNV 第三方 检验机 构的 确认。 21 9 焊接无损检验 焊接完成后对焊 缝进行了外观及无损探伤检 验 , 无损检验一次合格率达到 99. 7% 。对检验不合 格的焊缝按质量保证手册的规定进行了返修 , 对热 处理后的产品进行了表面质量、 外观尺寸检验, 对焊 缝进行了 100% 外观及无损探伤。对筒体交叉焊缝 处的焊接金属及热影响区硬度, 用便携式硬度计进 行了测试。各项检验结果满足技术要求, 质量可靠。 3 结束语 锦州 9- 3 厚壁压力容器制造项目采取合理的 焊接工艺及严格的质量控制措施, 较好地保证了产 品质量 , 取得了满意的效果。 ( 收稿日期 : 2003- 02- 28; 编辑 : 许 敏 作 者 简 介 周俊昌 : 高级工程师 , 1955 年出 , 1982 年毕业于西南石油学 院钻井