基于主动加热式的海底管道悬空监测技术

论文摘要

本文叙述了当前海洋石油生产面临的一个实际问题——海底输油管道因受冲刷而产生悬空断裂的现象以及发生海洋石油泄漏的危害,然后继续描述了现阶段对于海底输油管道进行监测的几种方法,顺带提出了基于主动加热式的海底管道悬空监测新技术。把温度传感器(布拉格光纤光栅,DS18B20等)等间距的粘贴在一条恒温带表面,再经过防水处理后就形成了冲刷传感器,可以用来监测水中泥沙受冲刷程度。由于泥沙和水的导热系数差别很大,热量在泥沙和水中的变化趋势也就不同,具体表现为当恒温带通电时,处于水中恒温带的温度很快达到平衡并且长时间加热后其温度一直保持不变,而处于沙中的温度一直在缓慢上升；另外,当加热停止后水中恒温带的温度很快恢复到环境温度,而沙中的却在长时间缓慢下降,根据这些变化趋势我们能明显的区分水和泥沙的环境,从而进行冲刷监测。文中第二部分是理论基础,从热量传递角度来简单的分析了产生上述现象的原理,在以上的结论得到验证后我们在实验室中又做了海底输油管道受冲刷的悬空监测大型试验,除了用传统的温度传感器外我们进一步改进,把近年来发展比较快的光纤传感技术应用上。布里渊光纤传感技术由于其造价低,采用光信号传导,可以长距离传感传输,大规模集成而被人们所日益重视,近年来也开始在海洋石油工程领域进行尝试应用。文中首先对布里渊光纤传感原理进行了简单介绍,然后描述了其在结构健康监测领域的应用,进而把它引用到了海底管道悬空监测技术中。把布里渊光纤与恒温带共线处理然后进行防水封装就制作成了监测试件带,在试验中进行了多次循环测试,结果表明当加热开始后,处于泥沙覆盖的试件中光纤布里渊频率立刻升高,并且在持续加热的过程中其一直保持缓慢增长,而处于悬空段试件中的光纤布里渊频率小幅度升高后,随着加热时间的持续其几乎保持稳定。最终的试验表明基于主动加热式的海底管道冲刷悬空监测技术是可行的,另外,使用光纤传感技术使得到对上百公里的海底管道进行全程一次性监测也有望成为现实。这样,就可以对海底埋设的长距离输油管道进行冲刷监测,防止其悬空断裂,此技术进一步提升了海洋石油生产的安全保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 海底输油管道悬空监测的现状
• 1.3 光纤传感技术的发展以及在海底管道监测中的应用
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 理论分析
• 2.1 模型建立背景
• 2.2 理论推导
• 3 主动加热式的传感技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于FBG的主动加热式传感研究
• 3.2.1 FBG的传感原理
• 3.2.2 试件的制作及其测试
• 3.2.3 数据处理及分析
• 3.3 基于DS18B20的主动加热式传感研究
• 3.3.1 DS18B20温度传感器简介
• 3.3.2 试件的制作及其测试
• 3.3.3 数据处理及分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于主动加热式的海底管道悬空监测模拟试验
• 4.1 引言
• 4.2 主动加热式的DS18B20传感系统在登陆段管道悬空监测的应用
• 4.2.1 监测试件的制作
• 4.2.2 海底管道环境模拟
• 4.2.3 试验测试与结果分析
• 4.3 主动加热式的光纤传感系统在海底管道悬空监测的应用研究
• 4.3.1 光纤传感原理
• 4.3.2 光纤在结构健康监测中的具体应用研究
• 4.3.3 监测试件的制作及测试
• 4.3.4 监测结果数据分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢