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海底管道分布式光纤传感技术的基础研究

作　者: 张恩勇
导　师: 金伟良
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 海洋管道分布式光纤传感技术腐蚀悬跨焊缝裂纹涡激振动断裂疲劳失效评估图 PECA 可靠度施工方法事故原因
分类号: U178
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

海底管道安全一直是人们关注的焦点问题，目前海底管道检测方法由于无法实现对海底管道安全实时监测，给海底管道安全运行埋下了隐患，因此需要开发新的检测方法和检测技术。近年来，分布式光纤传感技术由于具有诸多优点，在结构健康监测中得到越来越广泛的应用。为了将分布式光纤传感技术应用于海底管道健康监测中，浙江大学与中国海洋石油总公司联合申请了国家“863”子课题“长距离海底管道分布式光纤传感技术”，拟通过建立海底管道串联分布式光纤传感系统来实现对长距离海底管道安全实时监测。本文就是基于该课题进行一些基础研究工作，主要包括海底管道事故原因分析，长距离海底管道分布式光纤传感系统研制，分布式光纤传感器样机标定试验，光纤传感系统施工方法研究，腐蚀管道剩余强度评估，悬跨管道涡激疲劳评估、具有焊缝裂纹缺陷管道疲劳断裂评估，这些评估可以为海底管道分布式光纤传感系统中管道安全评估标准的建立提供参考。本文的主要研究成果有： (1) 总结了海底管道事故原因和当前海底管道安全检测方法不足以及分布式光纤传感技术在海底管道应用中面临的问题。通过对海底管道事故资料分析，将海底管道事故原因归结为腐蚀、波流作用、第三方活动／机械损伤、海床运动、管材和焊接缺陷、设备附件失效和人员失误七个方面。通过对当前海底管道安全检测方法分析，指出需要开发新的检测方法和检测技术来解决目前检测方法无法实现对海底管道安全实时监测和效率较低的不足。介绍了分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中应用现状，指出目前要实现分布式光纤传感技术从研究到实际应用转变，需要解决光纤埋设安全、光纤监测信息处理、光纤长期可靠性等诸多问题。 (2) 提出利用串联分布式光纤传感技术解决长距离海底管道安全监测问题，介绍了串联分布式光纤传感系统的工作原理和组成，进行了分布式光纤传感器样机标定试验。在试验中发现研制的样机性能比较稳定，但测量范围略小，需要进一步调整。试验中还发现如果紧套光纤内部不发生滑动，通常可以忽略光纤保护层对光纤测量结果影响。通过样机标定试验建立了光纤与管道应变增量关系曲线r(x)=0.849x+58.767，可以为工程上估算海底管道应变提供参考。 (3) 利用有限元方法对腐蚀管道剩余强度进行了研究，给出了DNV RP101推荐作法和ASME B31G标准评估结果保守程度，并基于这两种评估标准对腐蚀管道剩余强度可靠度进行了研究。有限元分析表明腐蚀深度变化对管道剩余强度影响非常大，而腐蚀宽度变化对评估结果影响要小得多，通常可以忽略；当腐蚀摘要浙江大学工学博士学位论文2004长度和轴向间距大于某一长度时可以不考虑其变化对管道剩余强度影响;当管道受到轴压、弯矩和扭矩作用时，管道剩余强度将要降低，进行管道剩余强度评估时需要考虑它们的影响。通过与有限元评估结果比较发现，除了在轴力、弯矩和扭矩较大情况外，B3 IG和DNV评估结果均偏于保守，单独内压作用下B3 IG评估结果要比有限元评估结果小15一20%，DNV评估结果要比有限元评估结果小10%左右，可靠度分析表明它们评估得到的腐蚀管道失效压力约对应于失效概率为50%的中值失效压力，这些可以为正确认识这两种方法评估结果提供参考。 (4)解释了海底管道冲刷悬跨和涡激振动产生机理，推导出弹性边界条件下悬跨管道自振频率以及横流向涡激振动下管道应力、疲劳计算公式，研究了悬跨长度、轴力等对管道自振频率和疲劳寿命评估结果影响。研究表明随着悬跨长度增加，管道自振频率和疲劳寿命降低，随着管道轴力增大，管道自振频率和疲劳寿命增大。通过事例分析指出根据管道涡激疲劳分析确定管道最大允许悬跨长度比根据管道横流向涡激振动发生闽值确定管道最大允许悬跨长度更合理。 (5)利用失效评估图对含焊缝裂纹缺陷海底管道疲劳断裂进行了研究，提出了基于概率的PECA评估方法。研究表明不同等级断裂评估结果差距很大，应根据对管道安全要求和信息量多少选取合适的管道断裂评估准则。研究还表明在海底管道疲劳评估中常以裂纹扩展贯穿管壁作为管道发生疲劳破坏判据，由于忽略了裂纹扩展过程中管道发生断裂可能性，评估结果常常偏于不安全。针对裂纹断裂评估中各参数不确定性，提出了基于概率的PECA评估，它比确定性的ECA评估更能准确反映管道裂纹断裂情况，可以为合理地制定管道维修决策提供指导。 (6)对海底管道光纤监测系统的施工方法进行了初步研究。针对带混凝土配重层的单层管海底管道提出了气吹法、混凝土配重层开槽法、预留孔道法三种施工方案，针对双层管海底管道提出了涂压法和钢管外壁开槽法两种施工方案，给出了各种方案施工流程图，并对各种方案的优缺点进行了分析，推荐涂压法和气吹法分别作为双层管和单层管海底管道光纤监测系统施工方法。本文的研究工作得到了国家高技术研究发展计划(863计划)资助(课题编号:200lAA602022一l)。关键词:海洋管道;分布式光纤传感技术;腐蚀;悬跨;焊缝裂纹;涡激振动;断裂;疲劳;失效评估图;PECA;可靠度;施工方法;事故原因一11一张恩勇:海底管道分布式光纤传感技术的

全文目录

第1章绪论  11-27
  1．1 课题研究背景及意义  11-13
  1．2 课题研究现状  13-20
  1．3 本文主要工作  20-22
  参考文献  22-27
第2章海底管道事故原因分析及其安全检测方法  27-41
  2．1 引言  27
  2．2 海底管道事故原因分析  27-32
  2．3 海底管道安全检测方法  32-35
  2．4 分布式光纤传感技术在海底管道监测中应用  35-38
  2．5 本章小结  38
  参考文献  38-41
第3章海底管道分布式光纤传感系统及样机标定试验  41-55
  3．1 引言  41
  3．2 分布式光纤传感技术  41-44
  3．3 长距离海底管道串联分布式光纤传感系统  44-47
  3．4 分布式光纤传感器样机标定试验  47-53
  3．5 本章小结  53-54
  参考文献  54-55
第4章腐蚀海底管道剩余强度评估  55-71
  4．1 引言  55-56
  4．2 海底管道腐蚀原因  56-58
  4．3 腐蚀管道剩余强度评估  58-66
  4．4 腐蚀管道剩余强度可靠度研究  66-69
  4．4 本章小结  69-70
  参考文献  70-71
第5章海底管道悬跨疲劳评估  71-89
  5．1 引言  71-72
  5．2 海底管道悬跨疲劳破坏机理  72-75
  5．3 悬跨管道固有频度计算  75-77
  5．4 涡激振动下悬跨管道应力计算  77-79
  5．5 悬跨管道涡激疲劳寿命分析  79-82
  5．6 实例分析  82-86
  5．7 本章小结  86-87
  参考文献  87-89
第6章海底管道焊缝裂纹缺陷评估  89-109
  6．1 引言  89-90
  6．2 焊缝裂纹评估的断裂力学原理  90-93
  6．3 海底管道焊缝裂纹断裂评估方法  93-100
  6．4 海底管道焊缝裂纹疲劳评估方法  100-101
  6．5 海底管道焊缝裂纹断裂疲劳评估实例  101-103
  6．6 基于概率的PECA评估方法  103-107
  6．7 本章小结  107-108
  参考文献  108-109
第7章海底管道光纤传感系统施工方案研究  109-123
  7．1 引言  109-111
  7．2 单层管海底管道光纤传感系统施工方案研究  111-116
  7．3 双层管海底管道光纤传感系统施工方案研究  116-120
  7．4 光纤保护钢管现场施工试验  120-121
  7．5 本章小结  121-123
第8章结论与展望  123-127
  8．1 主要研究成果  123-125
  8．2 本文主要创新点  125
  8．3 研究展望  125-127
附录博士在读期间完成的学术论文  127-128
致谢  128

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