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基于光纖傳感器的懸索跨越管道的應變分析

2021-04-19 11:25:04 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

基于光纖傳感器的懸索跨越管道的應變分析

李聰1，2，林楠1，李陽1

（1. 中國特種設備檢測研究院，北京；2.北京交通大學，北京）

1. 引言

在輸油氣管道的跨越結構中應用典型的是懸索橋結構形式。但是懸索跨越管道所處的自然條件比較惡劣，經常遭受雪載、風載、地震以及水擊等外載荷作用，容易發生事故，不僅會影響油氣介質的輸送效率，還會對環境造成嚴重威脅，也是管道完整性管理工作的重點。為了掌握懸索跨越管道在不同受載工況下的結構狀態，基于光纖光柵傳感器對其開展集中載荷、均布載荷、風載及拉力作用下相關實驗研究具有重要的實際意義。

目前，中國特種設備檢測研究院的張平通過布置應變傳感器建立相似試驗懸索橋模型結構，進行試驗和仿真對比，對集中載荷作用下懸索跨越管道的應變響應進行了研究。中國石油大學（華東）的王世圣采用幾何分線性有限元方法對懸索跨越管道進行了橫向風共振分析。中國石油大學（北京）的高健等學者基于應變設計準則，研究了跨距變化情況下懸空管道的應變分布和變化規律。臺灣淡江大學的Yau教授進行了懸索跨越管道在列車經過時的振動分析。天津大學的王金國通過建立相似試驗懸索橋模型結構，實現了對長輸管道懸索橋完好狀態和3種主要損傷模式的識別。西南石油大學的陶思宇通過搭建懸索管道懸索橋模型，開展管道懸索跨越系統在管內流體激勵作用下的動力學行為研究，為工程結構設計與優化提供理論支持。中國石油大學（北京）的陳沖采用幾何非線性有限元方法對風載作用下懸索橋大跨度油氣管道應力分析。但是以上對懸索跨越管道的研究或是通過單一的有限元軟件仿真模擬，或是數據測試采用傳統的監測方法致使監測數據不夠完善、精準。有限元軟件仿真模擬得到數據沒有進行驗證，準確性有待驗證。近些年來結構健康監測逐漸轉變為在線、主動、實時的監測與控制。

光纖應變傳感器由于存在抗電磁干擾能力強，精度高，靈敏度高等優點在工程上得到大量的運用。現通過建立相似懸索跨越管道模型，采用基于光纖光柵傳感器對典型跨越管道系統應變及疲勞進行監測的方法，研究在無集中載荷和集中載荷作用下懸索跨越管道不同位置處的應變分布規律，為其健康運行、優化設計和風險管控提供參考依據。

2. 相似試驗

2.1 相似實驗平臺

相似實驗是一種建立在相似理論基礎上，用放大或縮小的相似模型去研究對應原型的力學運動以及其他相關特性的實驗方法。原型與相似模型之間通過相似關系λ來關聯，相似實驗中模型長度為

Lm = La/λ （1）

式（1）中： Lm為模型長度，La為原型長度。

以陜京線某懸索跨越管道為原型，優先滿足主要的相似關系，適當放寬次要的相似關系，按照幾何和動力相似關系搭建懸索跨越管道相似模型，并滿足材料相似和邊界條件相似，實際尺寸和實驗尺寸采用的相似比為8∶1，相似模型跨度為34 m，輸送管道直徑40 mm，塔架高2.5 m，主索直徑為Ф8 mm，吊索直徑Φ2 mm，每組吊索間距 2 m。懸索跨越管道相似模型見圖1。

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圖1 懸索跨越管道相似模型

整個懸索跨越管道的相似實驗平臺連接示意圖，見圖2。主要由介質循環系統和數據測試系統兩部分組成。

介質循環系統包括介質儲存罐1、離心泵 2、節流閥4、壓力計6、體積流量計7、節流閥5和回水管。由于懸索跨越管道具有對稱性，取管道中心為軸向原點，沿介質流向為正，逆介質流向為負，試驗管路前端設計有流量控制回路，用于調節管內介質流速。

圖2 相似實驗平臺示意圖

數據測試系統包括若干光纖光柵應變傳感器、數據傳輸線和數據采集儀。采用光纖光柵應變傳感器測出管道的變形，通過光纖調節儀進行光信號的發射和接收，并將采集的光信號進行解析、保存。試驗采用SM125光纖光柵傳感解調儀，利用4通道串聯方式采集光柵應變傳感器實時數據。應變及溫度補償傳感器采用光纖布拉格光柵（FBG傳感器），其波長范圍為1510 nm~1590 nm。

2.2 傳感器布置設計

在懸索跨越試驗臺單側管體上等距離布置4個測點，分別測試管體環向4個方向的微應變情況。針對跨越系統對稱式結構特點，對懸索模擬試驗臺進行單側傳感器布置并進行實時應變數據采集。在懸索模擬試驗平臺一側等間隔選取4個位置布置傳感器，每個位置分別布置4個傳感器（上、下、左、右），并布置溫度補償傳感器。根據對稱原理，全橋共獲取7個等間距位置的應變數據，具體如下圖3所示。4個傳感器布置位置實物如圖4示。

圖3 傳感器位置布置示意圖

圖4懸索管橋A、B、C、D點傳感器布置實物圖

3. 試驗方案

針對不同流動速度、集中載荷、均布載荷進行應變監測方法研究，針對風載荷進行疲勞監測方法研究。其中流動速度為0m/s（靜置）、8m/s、16m/s。分別在模擬試驗臺中不同位置施加20kg集中載荷（如圖5所示），測量管橋應變并計算跨越系統應變情況；在全橋均勻選點并分別施加5kg均布載荷（如圖6所示），測量管橋應變并計算跨越系統應變情況；在管橋中部施加風載（如圖7所示），進行管橋應變實時監測試驗過程中采用風速儀和拉力計對風載及橫向作用力進行測試，風載分別為2 m/s、3 m/s和4 m/s，橫向拉力分別為1 kg、2 kg和3 kg，試驗環境溫度為30 ℃。

圖5懸索管橋施加集中載荷示意圖

圖6懸索管橋施加均布載荷示意圖

圖7懸索管橋施加風載及橫向拉力載荷示意圖

4. 試驗結果

按照實驗方案，分別開展靜置、不同流速的流動、集中載荷、均布載荷、外界載荷及風載的試驗，并對應變進行測試，試驗環境溫度24℃。載荷加載試驗中，保持滿管靜置狀態，進行不同位置的力的加載。待懸索跨越結構穩定后，進行各測點的應變數據采集。將采集的光信號轉換為微應變數值，空載條件下默認懸索跨越結構為試驗應變初始狀態。

4.1不同介質流速下懸索管道應變分布和對比

試驗平臺采用對稱式結構設計，將3種不同速度運行狀態下每個測點4個方向的應變值擴展為到對稱側管橋，并如圖8至圖10所示進行對比。其中，橫坐標為管橋上等距離布置的各測點位置，縱坐標為個測點測量數據的應變值（單位：με），不同顏色的折線分別代表了不同方位（上側、北側、南側、下側）的應變片布置位置。從圖8-圖10中可以看出，最大應變值都出現管道兩端上側，對于管道上、北、南三個位置其最小應變值均出現在距管道中心處。對于管道下側來說，其最大值出現在－4 m 和4m 的位置處，即管道的3/8位置處和5/8位置處。另外，管道上方中點的應變值最小。從圖中可以看出，在不同運行條件下，管道兩側變形應力基本相同，受外力作用影響較小。上述3種運行條件下，管道本體主要受到懸索跨越結構的拉力及管道自身的重力作用，管橋的下部在整個懸索跨越結構的中間位置變形最明顯，受變形產生的應力作用最明顯。相反，管橋中部的管道本體上側會受到較為明顯的壓縮變形作用，產生的形變應力較小。

圖8滿管靜置條件下管道應變數據對比

圖9流速為8 m/s條件下管道應變數據對比

圖10流速為16 m/s條件下管道應變數據對比

將不同運行條件下管橋各點應變（如圖11至13所示）進行對比。整個管橋受到主索和吊索的約束，在三種運行條件下，各測點擬合的管道變形應力趨勢基本相同。介質流速對懸索跨越管道管體產生的變形應力存在影響，隨著管內介質的流速增大，管體各方位的應力值都有明顯增大。在允許的情況下，降低管內介質流速可以降低懸索跨越管道由于形變產生的應力。

圖11不同運行狀態下管體上側應變對比

圖12不同運行狀態下管體下側應變對比

圖13不同運行狀態下管體兩側應力對比

從圖11-圖13中可以看出，管道內部介質流動速度越大，其造成管道形變應力較大。管道上側應力最大值出現在管道兩端，管道下側應力最大值出現在管道中心處。速度越大，應力值越大。

4.2 集中及均布載荷下懸索管道應變分布和對比

為研究集中載荷、均布載荷對懸索跨越管道的影響，以滿管靜置狀態為初始狀態，采集不同位置加載的集中載荷、均布載荷條件下各測點的相對應力數值如下所示。

同上述實驗數據處理方式相似，將4種不同作用力作用下各測點4個方向的應變值擴展為到對稱側管橋，并如圖14至圖17所示進行對比。其中，橫坐標為管橋上等距離布置的各測點位置，縱坐標為個測點測量數據的應變值（單位：με），不同顏色的折線分別代表了不同方位（上側、北側、南側、下側）的應變片布置位置。從圖中可以看出，集中載荷加載位置的應力變化較為明顯。由于作用力處的管道下垂明顯，此處下壁面拉應力較大。而上壁面受形變影響，為輕微的壓應力，即應力值為負值。均布載荷作用下，各方向變形產生的應力較為平衡，在懸索跨越管橋中心處應力變化略微明顯。

圖14集中載荷F1作用條件下管道應變數據對比

從圖14中可以看出，最大應變值出現距管道中心位置下側處，即管道中心下側，比無集中載荷作用在該位置時的應變值還要大。同時在距管道中心－8m和8m的位置上側處，出現兩個新的拉應變的極值點。

圖15集中載荷F2作用條件下管道應變數據對比

從圖15中可以看出，在該受載狀態下，最大應變值出現距管道中心8 m位置處，即管道3/4處，大約為240με。管道開始端比結束端應力值大，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開始端的應變值則變大，結束端則變小。

圖16集中載荷F3作用條件下管道應變數據對比

從圖16中可以看出，最大應變值出現距管道中心-8 m位置處，即管道1/4處，大約為240με。管道開始端比結束端應力值小，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開始端的應變值則變小，結束端則變大。

圖17均布載荷作用條件下管道應力數據對比

將不集中載荷及均布載荷作用條件下管橋各點應變（如圖18至20所示）進行對比。集中載荷作用下，力作用點處上、下兩側應力變化明顯，兩側應力變化波動較小。受懸索跨越式管橋結構影響，管橋中心集中載荷作用條件下，整個管橋變形所產生的應力小于單側受集中載荷作用（即，F2和F3作用力條件下）。由于均布載荷作用力總和較大，懸索跨越管橋整體應力數值較大。在實際工程中，應盡量避免非對稱條件下的集中應力，減少全橋的明顯應力波動。

圖18不同集中及均布載荷作用狀態下管體上側應力對比

圖19不同集中及均布載荷作用狀態下管體下側應力對比

圖20不同集中及均布載荷作用狀態下管體兩側應力對比

4.3 不同風載及拉力下懸索管橋疲勞監測試驗結果

分別開展風載及橫向拉力條件下的試驗，并對各點應力變化進行測試。試驗過程中采用風速儀和拉力計對風載及橫向作用力進行測試，風載速度分別為2m/s、3m/s和4m/s，橫向拉力載荷分別為1kg、2kg和3kg，試驗環境溫度為30℃。

圖21不同風載作用下應力變化對比

圖22不同拉力載荷作用下應力變化對比

從圖21、22中可以看出，試驗懸索管道受到拉力及風載的作用，隨時間存在應力幅值波動。將懸索跨越管橋中心點處的應力變化進行對比，考慮到風載荷拉力作用下，管橋的擺動比較明顯，選取兩側應力變化進行分析。不同風載及拉力載荷作用下兩側的應力對比分別如下圖21和22所示。其中，橫坐標為應變數據采集的不同時刻，縱坐標為應變值（單位：με。從圖21中可以看出，隨著風速的增大，懸索管橋的應力波動更明顯，由于風載作用的波動性，使得局部應力數值較小。由于試驗風載作用面積有限，實際懸索管橋受到河面橫風的作用產生的應力波動更為明顯。試驗中，拉力作用產生的應力波動變化隨拉力的增大而增大，相比試驗風載變化更為穩定。當拉力載荷為3 kg時，懸索跨越管橋應力波動明顯。

利用該方法，可以對在役跨越結構及管體應變幅值、頻率進行檢測。結合懸索跨越結構及管體本身材質特點，可通過材料的S-N疲勞曲線，計算載荷波動對結構及管體壽命的影響情況。

（2）

其中，σ為應力幅值， 640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

；N為達到疲勞斷裂時的應力循環次數，m、C為材料常數。對在役懸索跨越管橋，可以通過實時監測，獲取跨越結構的應變波動情況，并對達到疲勞破壞的載荷波動次數進行計算。

5. 結論

通過搭建懸索跨越管道相似實驗平臺，對不同工況下管道不同位置的應變數據分析，發現實驗結果較準確，呈現的變化規律與之前學者研究基本一致，因此可以得出以下結論。

（1）不同介質流速時，整個懸索跨越管道最大應變值都出現管道兩端上側，對于管道上、北、南三個位置其最小應變值均出現在距管道中心處。對于管道下側來說，其最大值出現管道的3/8位置處和5/8位置處。三種運行條件下，各測點擬合的管道變形應力趨勢基本相同。介質流速對懸索跨越管道管體產生的變形應力存在影響，隨著管內介質的流速增大，管體各方位的應力值都有明顯增大。在允許的情況下，降低管內介質流速可以降低懸索跨越管道由于形變產生的應力。

（2）當集中載荷作用在管道1/2位置處時，最大應變值出現距管道中心位置下側處，比無集中載荷作用在該位置時的應變值大。同時在距管道中心－8m和8m的位置上側處，出現兩個新的拉應變的極值點。

（3）當集中載荷作用在管道1 /4位置處時，最大應變值出現距管道中心-8 m位置處，即管道1/4處，大約為240με。管道開始端比結束端應力值小，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開始端的應變值則變小，結束端則變大。同理，當集中載荷作用在管道3 /4位置處時，最大應變值出現距管道中心8 m位置處，即管道3/4處，大約為240με。管道開始端比結束端應力值大，與無集中載荷作用時相比，管道中點的應變值略微增大，而管道開始端的應變值則變大，結束端則變小。

（4）集中載荷作用下，力作用點處上、下兩側應力變化明顯，兩側應力變化波動較小。受懸索跨越式管橋結構影響，管橋中心集中載荷作用條件下，整個管橋變形量小于單側受集中載荷作用（即，F2和F3作用力條件下）。由于均布載荷作用力總和較大，懸索跨越管橋整體應力數值較大。在實際工程中，應盡量避免非對稱條件下的集中應力，減少全橋的明顯應力波動。

（5）隨著風速的增大，懸索管橋的應力波動更明顯，由于風載作用的波動性，使得局部應力數值較小。拉力作用產生的應力波動變化隨拉力的增大而增大，相比試驗風載變化更為穩定。

（6）基于光纖光柵傳感器搭建懸索跨越管道相似試驗平臺，可以準確得到不同工況下管道應變變化情況。結合懸索跨越結構及管體本身材質特點，可通過材料的S-N疲勞曲線，計算載荷波動對結構及管體壽命的影響情況。

作者簡介：李聰（1996－），男，漢族，河北邢臺人，在讀研究生，主要研究管道應力分析、基于光纖傳感器的管道結構健康監測。

電話：15531972841, E-mail:18121408@bjtu.edu.cn

通訊作者：林楠（1987-），男，滿族，遼寧沈陽人，博士，主要研究多相流管道內腐蝕，在役管道安全評價及管道應力分析等。郵箱：sy_linnan@163.com 電話：18810297247

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