当前位置: 数据库免费下载入口 > 维普免费账号入口 > 正文

【论文精选】供热管道应力分布式实时监测方法与原型试验

2019-02-18 04:15 2

作者:冯新,王子豪,龚士林,张亚杰,韩阳

第一作者单位:大连理工大学  海岸和近海工程国家重点实验室

摘自《煤气与热力》2019年2月刊

1   概述

供热管网的安全事故将严重威胁公共安全,因此急需发展供热管网的全寿命周期安全运行保障技术

[1]

。目前,国内外主要采用两类供热管道(本文的供热管道指直埋热水供热管道)泄漏监测技术:电类管道泄漏监测技术、光纤类管道泄漏监测技术。电类管道泄漏监测技术利用电阻分压原理或阻抗时域反射原理,依据埋设于保温管保温层内部信号线的电学参数的突变,实现供热管道泄漏的探测

[2-3]

。光纤类管道泄漏监测技术基于供热泄漏介质的温度示踪原理,利用沿管布设的分布式光纤温度传感器监测供热介质泄漏导致的温度场异常,从而实现供热管道泄漏的判别

[4-5]

。上述两类供热管道泄漏监测技术均属于被动式的泄漏监测技术,无法在供热管道发生泄漏、爆裂等安全事故之前,根据管道的结构状态进行实时安全预警。

管道安全事故是在漫长的服役期内,荷载效应与结构退化联合作用的结果。某种意义上,应力状态是供热管道设计和安全评价最为重要的指标,获取管道的应力状态,即可对供热管道安全作出实时评估及事故预警,避免泄漏、爆裂等安全事故的发生

[6-7]

。相对于泄漏监测,实时安全预警对于管道安全运行、防止灾害事故更有意义。然而迄今为止,国内外仍然缺乏供热管道的应力监测技术,尚未建立供热管道应力状态的实时评估方法。尽管从结构型式上看,供热管道仅是埋地的钢管结构,但其实际的应力状态极其复杂,是典型的三向应力状态,既包括内压导致的环向应力、轴向拉应力,以及温度效应引起的轴向压应力,也包括外部荷载和管沟基础缺陷形成的弯曲应力。同时,供热管道应力状态具有典型的时空演变特征,不但表现为弯曲应力随环境、荷载以及管沟基础条件的改变而随时发生变化,而且表现为管道运行状态的变化时刻影响锚固段和过渡段内轴向压应力的改变。另外,已有研究表明,对供热管道锚固段和过渡段的形成最为关键的参数——管道与土壤间摩擦系数受到诸多因素的影响,目前还难以采用相对简单的函数关系进行描述,只能给出一个变化的区间

[8]

。尽管现行规范建议了摩擦系数的计算式,但在理论上仍不完善,缺乏足够的试验数据支持,尤其是缺乏现场原型试验的验证。

上述问题的存在,造成在供热管道力学响应具有显著时空演变特征的条件下,获取真实应力状态成为瓶颈。为克服以上困难,笔者基于分布式光纤传感技术,建立供热管道应力状态实时监测及定量评估方法。

2   分布式应力监测与理论基础 

2.1  分布式应力监测系统

供热管道力学响应的时空演变特征主要表现为其幅值随时间和位置不断发生变化。现有的点式测量技术,如应变片和光纤光栅(FBG)应变传感器,只能实现对管道特定截面的监测,无法跟踪供热管道应力的沿程变化。通常供热管道弯曲应变极大值出现的位置是无法预先确定的,导致在某一截面上观测到的弯曲应变并不一定位于最不利位置,在此情况下无法对管道的应力状态作出科学评估。因此,供热管道应力监测的核心问题就是实施分布式的应变监测,并根据管道内压和温度的监测数据,建立起供热管道应力状态的评估方法。

基于Burrilouin光纤背向散射效应的传感技术,利用光时域反射(BOTDR)或光时域分析(BOTDA)方法,可以实现光纤路径上应变、温度的分布式测量,用一条光纤传感器取代成千上万个离散的点式传感器

[9]

。Burrilouin光纤应变传感器(Burrilouin Fiber Optic Strain Sensor,BFOS)的一维分布式性能,使其在管道安全监测中具有显著优势和良好的发展潜力,目前已在海底和陆地油气管道以及长距离输水管道中得到应用

[6-7,10-11]

笔者提出利用Burrilouin光纤应变传感器监测供热管道应变的方案,并通过原型试验证实了该方法对供热管道应变监测的有效性

[12]

。现将该方案进一步发展,融合利用Burrilouin光纤应变传感器以及分布式温度传感器、压力变送器,实现供热管道应力状态、温度、内压的实时监测。供热管道分布式应力监测系统(以下简称监测系统,见图1)包括4个子系统。

1   供热管道分布式应力监测系统

①传感器子系统。包括应变传感器、温度传感器和压力变送器。Burrilouin光纤应变传感器沿管道径向布置在保温管顶部的保温层与外护管之间,对供热管道应变进行分布式监测。除Burrilouin光纤应变传感器外,沿供热管道还平行布置了1条Raman光纤测温传感器(布置在保温管顶部的保温层与外护管之间),为Burrilouin光纤应变传感器提供分布式的温度补偿。Burrilouin光纤应变传感器、Raman光纤测温传感器通过导引光缆分别接入BOTDA/R(Burrillouin光时域分析或反射)监测单元。DS18B20数字温度传感器沿一定间隔布置在工作管管壁上,监测工作管的温度。SITRANS P DS Ⅲ数字压力变送器布置在热力站的供水管和回水管上,监测管道的运行压力。

②数据采集子系统。包括BOTDA/R监测单元、温度监测单元、压力监测单元,它们分别与Burrilouin光纤应变传感器+Raman光纤测温传感器、DS18B20数字温度传感器、SITRANS P DS Ⅲ数字压力变送器相连,实现供热管道应变、温度和压力的实时采集。

③远程数据传输子系统。通过3G、4G网络将数据采集子系统获取的监测数据无线传输至监测中心。

④供热管道安全评估子系统。在监测中心利用计算机软件系统,对采集数据进行分析,获得管道应力状态,实时评估管道运行风险,实现供热管道在线安全预警。

2.2  理论基础

利用压力监测数据可以实时得到工作管环向应力,以及由于内压产生的轴向拉应力,但是工作管弯曲应力和轴向压应力却难以直接通过应变和温度的监测数据获得。工作管弯曲应变是弯曲变形、热膨胀变形和轴向压变形的联合效应,因此必须从应变监测数据中分离出弯曲应变和轴向压应变,才能定量评估管道的弯曲应力、轴向压应力。

以直管段为例进行分析。管段左侧为固定支座,右侧为波纹管补偿器。管道升温时,在直管段中会形成锚固段和过渡段。设直管段总长度为L,锚固段、过渡段长度分别为L

f

、L

g

(单位均为m)。在升温过程中,工作管将发生热膨胀应变,工作管热膨胀应变ε

θ

(x,t)的计算式为:

在锚固段内,工作管的轴向变形受到完全约束,产生了与热膨胀变形相反的轴向压缩作用。在锚固段内工作管的轴向压应变ε

c

(x,t)可表达为:

在过渡段内,工作管受到了线性变化的轴向力作用,其中一部分热膨胀变形与轴向压缩变形相抵消。工作管在右端受到补偿器的阻力F,因此轴向力由补偿器端向锚固点线性增大,在锚固点达到最大,大小等于锚固段的轴向力。因此,过渡段内的轴向压应变ε

c

(x,t)的计算式为:

由以上分析可知,工作管实际发生的轴向应变既不是热膨胀应变也不是轴向压应变,而是二者叠加的结果,我们将这种应变定义为工作管轴向名义应变ε

an

(x,t),计算式为:

由监测系统可知,BOTDA/R监测单元获得的是管道的纵向应变,它既包括工作管的弯曲应变也包括轴向名义应变,因此工作管的纵向应变ε

L,m

(x,t)可表示为:

供热管道的温升过程在其漫长的服役过程中,可以认为只是一个短时的运行状态变化行为,通常仅持续数小时。在这个过程中,一般认为外部荷载和管沟基础条件不会发生显著变化,那么管道的弯曲应变也不会发生显著变化,即ε

b

(x,t

1

)≈ε

b

(x,t

2

),t

1

、t

2

分别是温升开始和结束的时间。而在温升开始的时刻,工作管既无热膨胀变形,也没有受到土壤摩擦力的作用,因此轴向名义应变ε

an

(x,t

1

)=0。根据式(5),温升开始与结束时刻的纵向应变的差可以表示为:

式(6)提供了利用纵向应变分离弯曲应变和轴向名义应变的理论基础。在实际监测中,利用工作管温升开始和结束时刻的纵向应变,即可由式(6)获得工作管温升结束时刻工作管轴向名义应变,进而可以得到工作管的弯曲应变、轴向压应变。而一旦获得工作管的弯曲应变、轴向压应变和运行内压,即可进行工作管应力状态的定量评估。值得注意的是,无论温升前还是温升后的工作管纵向应变,均为温升前、温升后由监测系统获得的工作管纵向应变观测值减去供热管道未回填时由监测系统获得的工作管纵向应变观测值。

根据式(1)~(3)以及Hook定律,可得工作管轴向压应力:

根据标准CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》,应采用第三强度理论计算管道的当量应力。但是该标准忽略了工作管承受的弯曲应力,而我们在前期的原型监测试验中发现

[12]

,由于管沟基础施工不规范以及不均匀沉降等因素导致的工作管弯曲应力不容忽视,因此在当量应力的计算式中应引入弯曲应力,即:

必须指出,以上建立的供热管道应力状态评估方法是一种分布式的,可以定量分析供热管道长度方向上任意位置的应力状态,弥补了点式监测技术无法获得最不利截面应力状态的缺陷。在以上方法中,除了几何参数及材料参数以外,供热管道应力状态评估所需的工作管纵向应变以及运行温度、内压等数据,均可由监测系统实时获得。而管道结构状态退化导致的几何参数和材料参数的改变,如由腐蚀造成的壁厚减薄以及由材料老化引起的弹性模量改变等,可结合管道无损检测的结果进行修正。因此,笔者建立的管道应力状态实时监测与定量评估方法,可服务于供热管道的全寿命周期安全管理。

3   应用实例

3.1  概况

将以上方法应用于某直埋供热热水管段,进行供热管道应力状态监测的验证性试验。保温管的工作管规格为DN 350 mm,壁厚为9 mm,外直径为377 mm。保温层采用硬质聚氨酯泡沫,厚度为53.5 mm。外护管材料为聚乙烯,壁厚为8mm。保温管的外直径为500 mm。工作钢管采用Q235B钢,不同运行温度下的弹性模量根据CJJ/T 81—2013表B.0.2采用线性插值法确定,泊松数υ为0.3,钢材线膨胀系数取12.6×10

-6

 K

-1

,钢材屈服极限σ

s

取235 MPa,钢材许用应力σ

all

取125 MPa。管段为直管段,埋深范围为0.7~1.5 m,长度为71.2 m,一端连接固定支座,另外一端连接波纹管补偿器。从固定支座后13.5 m开始布置监测光纤,测试长度为57.7 m。运行压力设定为1.0 MPa,补偿器阻力为363 kN。

监测系统按图1进行布置安装。Burrilouin光纤应变传感器的采样距离间隔为10 cm。为了获得管道温升过程中结构状态的变化,分别选取管道安装完成未回填状态、温升前、温升后以及温升后72 h的纵向应变监测数据进行分析,以获得工作管的轴向名义应变、轴向压应变,并进一步获得温升导致的供热管道应力状态的变化,对供热管道结构安全进行评估。

3.2  监测数据分析

①纵向应变

在完成传感器布设且管道未回填时进行测量,将该状态下工作管纵向应变观测值作为初始观测值,然后将回填后管道升温前、升温后以及升温后72 h的纵向应变观测值减初始观测值,即可得到上述3种状态的工作管纵向应变(见图2,图2中数据未经温度补偿)。DS18B20数字温度传感器监测数据表明,温升前的工作管温度为23 ℃,温升结束时的工作管温度为57 ℃,温升结束后72 h的工作管温度为60 ℃。

由图2可知,温升前后工作管的纵向应变发生了显著变化。与温升结束时相比,升温72 h后的工作管纵向应变变化不大。由此可知,温升是导致工作管纵向应变发生变化的主要原因。

2   3种状态的工作管纵向应变

②轴向名义应变、轴向压应变

将温升后减温升前的工作管纵向应变,将温升后72 h的工作管纵向应变减温升后的工作管纵向应变,并进行温度补偿,可以得到升温前后、升温结束72 h前后工作管纵向应变的变化(见图3)。

3   升温前后、升温结束72 h前后工作管纵向应变变化、轴向名义应变、轴向压应变

由图3中温升前后工作管纵向应变变化曲线可知,在35 m之前的位置,工作温升后轴向名义应变基本在0的上下波动,在35 m后有明显的增加。由此可以确定,自固定支座后35 m为锚固段,其余管段为过渡段。因此,将管段长度35 m处作为分界点(锚固点),对温升前后工作管纵向应变变化曲线进行分段线性拟合(线性拟合由origin软件完成),即可得到工作管温升后轴向名义应变(图3中粉色虚线)。

尽管在前述分析中设定在温升过程中管道的弯曲应变不会发生显著变化,但是与普通的受弯结构不同,保温管周围土体将对管道的纵向和横向变形产生一定的约束,在温升过程中管道的热膨胀变形将与弯曲变形之间产生一定的耦合作用,导致温升前后管道弯曲应变的变化并非理想的线性曲线,尤其是在过渡段管更加明显。但由于管道升温前后的弯曲应变的变化并不显著,因此采用线性曲线表征轴向名义应变曲线是合理的。

当获得工作管轴向名义应变曲线后,即可由式(2)、(3)计算得到温升后的工作管轴向压应变(在图3中用蓝色点划线表示)。

图3中红色实线为温升结束72 h前后的纵向应变变化的曲线,可以发现该曲线基本在0×10-6附近波动。由监测数据可知,与温升结束时相比,温升结束72 h后工作管温度由57 ℃升至60 ℃,考虑Burrilouin光纤应变传感器的测量误差(±25×10

-6

)以及热膨胀变形与弯曲变形的耦合作用,可以认为工作管轴向名义应变基本没有发生改变。这说明,运行温度的小幅波动并不会导致过渡段的范围及其轴向变形发生明显变化。因此,在以下供热管道应力状态分析中,仅对温升后的供热管道应力状态进行研究。

3.3  应力状态分析与评估

由图2中温升后工作管纵向应变以及图3中温升后工作管轴向名义应变、轴向压应变,并根据工作管的几何参数、材料参数及式(7)~(9),可以计算得到温升后工作管的轴向压应力、弯曲应力(见图4)。

图4   工作管的轴向压应力、弯曲应力

由图4可知,工作管弯曲应力随位置变化非常明显,锚固段内最大弯曲应力出现于15.9 m处,约131.6 MPa。过渡段内最大弯曲应力出现于69.8 m处,约190.6 MPa。作为一次应力的弯曲应力,其在锚固段和过渡段内的峰值均超过了管道的许用应力(125 MPa),尤其是在过渡段内已经接近管道的屈服极限应力(235 MPa),这表明由于施工和管沟基础沉降因素导致的工作管弯曲应力具有较高的水平,在管道应力状态评估中不宜忽略。

虽然弯曲应力本身不足以使工作管发生破坏,但是叠加轴向压应力后,将使工作管处于不利状态。由图4可知,在锚固段内,轴向压应力基本不变,约-83.6 MPa。在过渡段内,轴向压应力随管段位置呈线性递减,由锚固点处的-83.6 MPa减小至补偿器端的-23.6 MPa。在过渡段内,出现最大弯曲应力位置的轴向压应力为-25.2 MPa。

利用压力传感器可以得到管道的运行内压为1.0 MPa,根据式(10)可得管道的环向应力为19.4 MPa。比较锚固段、过渡段内工作管弯曲应力、轴向压应力以及环向应力数据可知,温升后工作管最不利的位置由弯曲应力的最不利位置决定,于是可以根据式(11)分别计算锚固段当量应力以及过渡段弯曲应力最大处的当量应力分别为228.8、229.4 MPa,均小于3倍的钢材许用应力。

由此可知,锚固段的当量应力与过渡段最大当量应力基本相同,但过渡段最大当量应力稍大。这说明,工作管的最大当量应力并不是仅会出现在锚固段,若考虑弯曲应力的影响,最大当量应力也可能出现在过渡段。因此,弯曲应力和过渡段内的轴向压应力对供热管道应力状态具有非常重要的影响。如前所述,这两种应力只有通过分布式监测才可能得到,目前还没有其他分析方法或点式监测技术可以获得工作管弯曲应力以及过渡段内工作管轴向压应力的真实分布,本文的方法恰好解决了这一问题。如能在供热管道中建立分布式应力监测系统,则可实时获得供热管道的真实应力状态并合理修正管道的运行参数,为管道安全服役提供科学依据。

4   结论

为了定量评估供热管道的应力状态,提出一种基于分布式光纤传感器的供热管道应力状态实时监测方法,介绍监测系统的实施方案。根据管道弯曲变形、热膨胀变形的力学机理以及与弯曲应力、轴向压应力的作用关系,建立利用应变监测数据提取轴向名义应变、轴向压应变,进而量化供热管道应力状态的理论基础。利用某直埋供热热水管段进行原型试验,对方法的有效性进行检验。原型试验表明:

①监测系统可实时获得工作管纵向应变曲线,提取轴向名义应变,实现供热管道锚固段、过渡段的识别。

②利用纵向应更、轴向名义应变以及运行温度、内压的监测数据,可以定量获得工作管弯曲应力、轴向压应力及环向应力。

③对监测数据的分析发现,当量应力的最大值可能出现在过渡段内,与工作管弯曲应力的分布有关。

④根据监测结果可实时评估供热管道结构安全,弥补了现有监测手段难以真实反映供热管道应力状态的缺陷。

参考文献:

[1]胡津康. 我国压力管道安全管理的隐患和应对措施[J]. 中国特种设备安全,2006,22(11):30-32.

[2]北京豪特耐管道设备有限公司. 城镇供热直埋热水管道泄漏监测系统技术规程:CJJ/T 254—2016[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2016:4-6.

[3]牛小化,宋盛华,王佳,等. 直埋供热管道热网监测系统[J]. 煤气与热力,2008,28(12):A12-A15.

[4]张晓威,刘锦昆,陈同彦,等. 基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测试验研究[J]. 水利与建筑工程学报,2016,14(3):1-6.

[5]徐乐云,李洪斌. 光纤监测系统与铜线监测系统在供热/供冷管网应用比较[J]. 管道技术与设备,2016(3):23-24,50.

[6]XU Z,FENG X,ZHONG S,et al. Surface crack detection in prestressed concrete cylinder pipes using BOTDA strain sensors[J]. Mathematical Problems in Engineering,2017(8):1-12.

[7]冯新,张宇,刘洪飞,等. 基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法[J]. 油气储运,2017,36(11):1251-1257.

[8]王飞. 直埋供热管道工程设计[M]. 2版. 北京:中国建筑工业出版社,2014:59-69.

[9]FENG X,ZHOU J,SUN C,et al. Theoretical and experimental investigations into crack detection with BOTDR-distributed fiber optic sensors[J]. Journal of Engineering Mechanics,2013,139(12):1797-1807.

[10]GLISIC B,YAO Y. Fiber optic method for health assessment of pipelines subjected to earthquake-induced ground movement[J]. Structural Health Monitoring,2012,11(6):696-711.

[11]FENG X,WU W,MENG D,et al. Distributed monitoring method for upheaval buckling in subsea pipelines with BOTDA sensors[J]. Advances in Structural Engineering,2017,20(2):180-190.

维普免费下载《煤气与热力》论文(现刊和过刊均可)

日前,《煤气与热力》杂志社有限公司在维普网站开通论文免费下载服务,论文刊出后两个月后,可在维普网站查询,并直接免费下载。在维普网站免费下载《煤气与热力》论文步骤如下:

1. 在维普网站注册会员。

3. 论文免费下载界面截图见上图。点击“免费下载”,可直接下载该论文。

欢迎 发表评论:

Copyright © 2018 数据库免费下载入口 豫ICP备16000724号