油气管道腐蚀情况监测装置及方法

技术领域

本申请涉及油气管道监测技术领域，具体涉及一种油气管道腐蚀情况监测装置及方法。

背景技术

现有技术中，主要有视觉检测法、超声波测厚法、在线检测法以及静水压测试法用于检测油气管道外部腐蚀和评估腐蚀油气管道是否安全运行的四种主要方法。

视觉检测法是最简单的检查方法，但也是最昂贵和耗时的方法。具体地，油气管道检查员携带便携式目视扫描仪(激光扫描仪)沿着油气管道行走，检查油气管道的表面状况，寻找凹痕、点蚀、金属损失、裂缝和其他缺陷，可以对油气管道外径处的表面腐蚀进行精确、可跟踪的测量。当涉及绝缘层或者保温层时，目视检查前必须首先拆除绝缘层或保温层，非常耗时耗力，检测效率低。

超声波测厚法是确定油气管道局部壁厚的一种非常有效的工具，此方法既可以采用超声波检测腐蚀的深度，还可以检测在发生外部腐蚀的同一位置是否也发生内部腐蚀。但该方法局限于小区域，用该方法对油气管道大面积进行检测耗时较长，检测效率低。

在线检测法是使用漏磁或超声波来在油气管道中扫描、测量和记录壁厚，然后对结果数据进行分析，并寻找油气管道的凹痕、腐蚀、变形、开裂或其他缺陷。大多数油气公司每3-5年使用一次在线检测技术，检测间隔周期较长，且一般要求停产，检测成本较高。

静水压测试法是一种测试油气管道强度和泄漏的技术，常用于检测新铺设的油气管道是否有泄漏，也可以应用于现有油气管道存在缺陷和腐蚀损伤检测。将油气管道加压到指定的测试压力，用含有染料液体(通常是水)填充一段被腐蚀的油气管道，可以直观地识别泄漏的位置，如果发现泄漏或严重腐蚀，可以进行修复。但静水压测试法也涉及到停产，检修成本较高。

鉴于现有技术中的不足，有必要设计一种新的油气管道腐蚀情况监测装置及方法。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于克服现有技术中的视觉检测法和超声波测厚法检测效率低以及在线检测法和静水压测试法均需停产、检测成本高的缺陷，从而提供一种油气管道腐蚀情况监测方法及装置。

为解决上述技术问题，本申请的技术方案如下：

一种油气管道腐蚀情况监测装置，包括：

多个金属底座，适于固定在油气管道的外壁上且沿所述油气管道的长度延伸方向间隔布置；

多个柔性条，与多个所述金属底座一一位置对应设置，所述柔性条的两端连接在位置对应的所述金属底座上，多个所述柔性条在所述金属底座的作用力下处于应力状态；

多个光纤布拉格光栅传感器，一一对应装设于所述柔性条上的预设位置适于检测所述柔性条的应力，多个所述光纤布拉格光栅传感器通过光纤连接到解调仪；

所述解调仪适于接收来自多个所述光纤布拉格光栅传感器反馈的光信号、并在任意一个所述光纤布拉格光栅传感器反馈的光信号出现异常时生成含有对应所述光纤布拉格光栅传感器位置信息的故障信号。

进一步地，所述金属底座的材质与所述油气管道的材质相同。

进一步地，所述金属底座的厚度为所述油气管道壁厚的0.4-0.6倍。

进一步地，所述金属底座上设有两个插接孔，所述柔性条的两个端部分别插接在对应的所述插接孔上；所述柔性条在非应力状态下两个端部之间的距离大于两个所述插接孔之间的距离、以使所述柔性条的两个端部在插接在所述插接孔上之后处于应力状态。

进一步地，所述金属底座的长度延伸方向平行于所述油气管道的长度延伸方向，两个所述插接孔设置在所述金属底座长度方向的两端。

进一步地，所述柔性条为耐腐蚀的塑料条。

进一步地，所述光纤布拉格光栅传感器粘贴在所述柔性条的中间。

本申请技术方案，具有如下优点：

1.本申请提供的油气管道腐蚀情况监测装置，金属底座固定于油气管道外壁，柔性条的两端连接于金属底座上，光纤布拉格光栅传感器装设于柔性条的预设位置，由于柔性条在金属底座的作用力下处于应力状态，当金属底座被腐蚀时，将会导致柔性条发生应变，柔性条的应力状态也随之发生变化，光纤布拉格光栅传感器可以检测到柔性条的应力信号并将应力信号以光信号的方式通过光纤输送到解调仪，当光纤布拉格光栅传感器反馈的光信号出现异常时，解调仪生成含有对应光纤布拉格光栅传感器位置信息的故障信号，根据含有位置信息的故障信号，可以判断油气管道发生腐蚀的位置，从而实现油气管道腐蚀情况的远程在线高效监测，而且监测过程无需油气管道停产，大大降低了油气管道腐蚀情况的监测成本。

2.本申请提供的油气管道腐蚀情况监测装置，金属底座的材质与油气管道的材质相同，由于金属底座和油气管道处于相同的环境中，因此，可通过金属底座的腐蚀情况来反应油气管道的腐蚀情况，实现对油气管道腐蚀情况的非介入式检测，与现有技术中通过激光扫描、超声波、水压测试等介入式检测方式相比，可以避免检测过程对油气管道结构的损坏，有利于提高油气管道的使用寿命。另外，金属底座的厚度为油气管道壁厚的0.4倍-0.6倍，这样一来，在金属底座被严重腐蚀甚至断裂时，油气管道依然不会破裂，但是，金属底座的严重腐蚀甚至断裂却可以预警油气管道的严重腐蚀情况，提前对油气管道检测、维修，避免出现油气管道内物质泄露的情况。

一种油气管道腐蚀情况监测方法，基于前述的油气管道腐蚀情况监测装置，包括如下步骤：

获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号；

判断从各个位置的所述柔性条上获取的应力信号与预设应力值的差值是否超过设定值；

若判断结果为是，则生成含有对应所述柔性条位置信息的故障信号；

根据所述含有对应所述柔性条位置信息的故障信号的获取所述油气管道发生腐蚀的位置。

进一步地，所述预设应力值为柔性条在初始应力状态下被光纤布拉格光栅传感器检测到的应力值，所述柔性条在初始应力状态为柔性条刚刚安装在金属底座上的应力状态。

本申请提供的这种油气管道腐蚀情况监测方法，通过获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号，当某个位置的柔性条上获取的应力信号与预设应力值的差值超过设定值时自动生产含有对应柔性条位置信息的故障信号，根据故障信号指示的位置信息可以获知发生腐蚀的金属底座的位置，进而可以根据发生腐蚀的金属底座的位置得知油气管道发生腐蚀的位置，从而实现油气管道腐蚀位置的远程在线监测，而且监测过程无需油气管道停产，大大降低了油气管道腐蚀情况的监测成本。

一种油气管道腐蚀情况监测方法，基于前述的油气管道腐蚀情况监测装置，包括如下步骤：

获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号；

将获取的所述柔性条的应力信号输入应力应变求解模型，计算得到所述柔性条的应变量；其中，所述应力应变求解模型根据柔性条在金属底座上的所受应力和柔性条的应变量之间的关系建立；

根据计算得到的所述柔性条的应变量获取金属底座的腐蚀量大小；

根据所述金属底座的腐蚀量大小获取油气管道对应位置处的腐蚀量大小。

本申请提供的油气管道腐蚀情况监测方法，通过获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号，将获取的柔性条的应力信号输入应力应变求解模型计算得到柔性条的应变量，根据柔性条的应变量可以获取金属底座的腐蚀量大小，进而获取油气管道对应位置处的腐蚀量大小；这种油气管道腐蚀情况监测方法，不仅实现油气管道腐蚀位置的远程在线监测，还可以根据反馈的应力信号得知油气管道对应位置处的腐蚀量大小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例中金属底座的俯视示意图；

图2为本实施例中金属底座的立体示意图；

图3为本实施例中柔性条的正视示意图；

图4为本实施例中柔性条、光纤光栅传感器与金属底座组装后的示意图；

图5为本实施例中柔性条的受力分析图；

图6为本实施例中柔性条的内力和弯矩分析图。

附图标记说明：

1、金属底座；11、插接孔；2、柔性条；3、光纤布拉格光栅传感器；4、光纤。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

如图1至图6所示，本实施例提供一种油气管道腐蚀情况监测装置，特别适用于监测金属油气管道的腐蚀情况，当然，也可以监测非金属油气管道的腐蚀情况，此种情形，需要金属底座1的腐蚀情况与非金属油气管道之间的腐蚀情况有比较明确的对比关系，这样才能从金属底座1的腐蚀情况推导出非金属油气管道的腐蚀情况。

油气管道腐蚀情况监测装置包括多个多个金属底座1、多个柔性条2、多个光纤布拉格光栅传感器3(FBG传感器)以及解调仪。每条油气管道上都将放置多条带有光纤布拉格光栅传感器3的光纤4，光纤4通过简单的扎带、绑带等方式固定在油气管道上。金属底座1可通过扎带或者粘贴的方式固定在油气管道上。

多个金属底座1适于固定在油气管道的外壁上且沿油气管道的长度延伸方向间隔布置。在本实施例中，金属底座1的材质与油气管道的材质相同，金属底座1的厚度为油气管道壁厚的0.4-0.6倍，优选地，金属底座1的厚度为油气管道壁厚的0.5倍。金属底座1呈长条状，金属底座1的长度延伸方向平行于油气管道的长度延伸方向，优选地，将金属底座1的底面设计呈一定弧度，而非平直状，以便金属底座1与油气管道的外壁更好的适应。金属底座1上对称设有两插接孔11。在可替代的实施方式中，金属底座1的长度延伸方向还可以垂直于油气管道的长度延伸方向。

多个柔性条2与多个金属底座1一一位置对应设置，且，柔性条2的两端连接在位置对应的金属底座1上，具体地，柔性条2的两个端部分别插接于金属底座1的两插接孔11内。多个柔性条2在对应的金属底座1的作用力下处于应力状态。在本实施例中，柔性条2为耐腐蚀的塑料条，为了使塑料条连接于金属底座1上后处于应力状态，需要在非应力状态下，塑料条的两个端部之间的距离D大于两个插接孔11之间的距离L。

多个光纤布拉格光栅传感器，一一对应装设于柔性条2上的预设位置适于检测柔性条2的应力大小，具体地，光纤布拉格光栅传感器3粘贴在柔性条2的中间，优选地，光纤布拉格光栅传感器3设置于柔性条2的顶部。多个光纤布拉格光栅传感器通过一条光纤连接到解调仪，在同一段油气管道上可以设置一条光纤或者两条甚至多条相互平行的光纤。

解调仪适于接收来自多个光纤布拉格光栅传感器3反馈的光信号、并在任意一个光纤布拉格光栅传感器3反馈的光信号出现异常时生成含有对应光纤布拉格光栅传感器3位置信息的故障信号。

由于光纤布拉格光栅可以被植入不同的特定反射波长，所以可以利用它来实现良好的波分复用(WDM)技术。这个特性使得可以在一条长距离的独立光纤上，连接多个不同的拥有特定布拉格波长的传感器。波分复用技术在可用的光学广谱中为每一个光纤布拉格光栅传感器3分配了一个特定的波长范围供其使用。举例说明下，针对波长范围为160nm、有16个通道的光纤，假设每个光纤布拉格光栅传感器3的工作波长范围为4nm，在一根光纤中至少可以实现40个光纤布拉格光栅传感器3，通过一个16通道的解调仪，每条光纤内的通道至少可以供640个光纤布拉格光栅传感器3输送光信号，而无需使用任何光学开关，这样一来，假设有一条4公里长的输送石油或天然气等的油气管道，在不使用任何光学开关的情况下，可以每隔6.25米监测一次油气管道的腐蚀情况，据此实现对油气管道的较密集监测。当然，在油气管道长度很长的情况下，需要设置多个解调仪，以便与对应长度范围内的油气管道上的光纤布拉格光栅传感器相适应设置。

在本实施例中，由于柔性条2在非应力状态下，柔性条2两个端部之间的距离D大于金属底座1上两个插接孔11之间的距离L，在将柔性条2的两个端部对应插接于两插接孔11的过程中，需要向内径方向压缩呈拱形的柔性条2，下面以柔性条2的右端B点为例，介绍插接过程中，柔性条2的受力情况，具体如图5所示，沿负x方向的力F作用于柔性条2上的B点，B点被赋予了负x方向的径向位移，力F不仅使点B和面BC向负x方向移动，而且使其向负y方向移动，使曲面BC顺时针旋转。为了使曲面BC的斜率为零，并使曲面BC在y方向上的运动为零，需要在曲线梁的右端施加一个逆时针力矩M。

当然，力F作用于柔性条上的点与柔性条圆心的连线与水平方向的夹角为θ时，柔性条2的内力和弯矩如图6所示，内力和力矩计算分析如下：

F

F

M

在任意角度θ、任意半径r条件下，柔性条2上对应点的应力等于：

式中，M

在任意角度θ、任意半径r条件下，柔性条2上对应点的应变等于：

式中，E为杨氏模量。

光纤布拉格光栅传感器3能检测到的应变极限决定了可以给予点B的最大挠度。根据卡氏第二定理建立封闭形式的方程。对于截面为矩形的弯曲梁，宽度设为W，外半径为r

如图6所示，塑料条将有两个力F

第一项应变能由力矩M

经过简化分解运算，得到X、Y两个轴方向分别为：

针对图6的监测装置设计方案，因为力F是水平的，所以U

假设金属底座1的厚度选择为1mm。在腐蚀速率为0.4mm/年的情况下，金属底座1完全腐蚀1mm厚度需要2.5年的时间。两年半是5年检查间隔的中间跨度。如果2.5年后，在远程解调仪上没有显示任何光纤布拉格光栅传感器3传来的腐蚀信号，则可以得出结论，该油气管道的腐蚀速率小于每年0.4毫米。如果在2.5年出现光纤布拉格光栅传感器3失效，则意味着某些特定油气管道位置发生了严重腐蚀，可以快速到达那些特定的位置，并找出为什么这些位置的腐蚀率更高。在这些腐蚀速率高的地方，可以采取措施将腐蚀速率降低到0.4mm/年或更低。

如果出现原油泄漏，由于原油是热的，热量会对柔性条2产生额外应力，因此控制室的解调仪可以接收到对应的柔性条2上的光纤布拉格光栅传感器3发送的不同于油气管道腐蚀的信号，让控制室内的人知道油气管道发生了泄露。这样一来，本实施例提供的油气管道腐蚀情况监测装置不仅能监测油气管道腐蚀的发生，还能监测油气管道流体的泄漏。

在本实施例种，金属底座1被腐蚀，将会导致柔性条2上的应力状态发生变化，若应力变化超过限定值或者金属底座1断裂失效导致A点的应力得到缓解，光纤布拉格光栅传感器3向解调仪发出一个含有柔性条2位置信息的故障信号，根据含有位置信息的故障信号，可以判断油气管道发生腐蚀的位置，从而实现油气管道腐蚀情况的远程在线高效监测，而且监测过程无需油气管道停产，大大减低了油气管道腐蚀情况的监测成本。收到故障信号后，油气管道检查员可先在对应的柔性条2所在位置进行目视检查，若在油气管道上观察到腐蚀将使用检查技术如超声技术或涡流探头等技术来进一步评估油气管道腐蚀的严重程度。如果需要维修，将会停产，对相应油气管道进行维修。如果管路未观察到腐蚀，则只重新装设好金属底座1、柔性条2和光纤布拉格光栅传感器3，或者更换金属底座1即可，直到下一次出现故障信号。

另外，金属底座1的材质与油气管道的材质相同，且金属底座1和油气管道处于相同的环境中，因此，可通过金属底座1的腐蚀情况来反应油气管道的腐蚀情况，实现对油气管道腐蚀情况的非介入式检测，与现有技术中通过激光扫描、超声波、水压测试等介入式检测方式相比，可以避免检测过程对油气管道结构的损坏，有利于提高油气管道的使用寿命。另外，金属底座1的厚度为油气管道壁厚的0.4倍-0.6倍，这样一来，在金属底座1被严重腐蚀甚至断裂时，油气管道依然不会破裂，但是，金属底座1的严重腐蚀甚至断裂却可以预警油气管道的严重腐蚀情况，提前对油气管道检测、维修，避免出现油气管道内物质泄露的情况。

总之，简单来讲，通过光纤布拉格光栅传感器3探测固定在油气管道外的金属底座1上的半圆形柔性条2的应力状态，当柔性条2的应力与预设应力的差值超过预定值时，光纤布拉格光栅传感器3将向解调仪发送含柔性条2位置信息的故障信号，此为定性监测。

当然，还可以根据光纤布拉格光栅传感器3探测固定在油气管道外的金属底座1上的半圆形柔性条2的应力状态，建立应力及应变求解模型，通过柔性条2上的光纤布拉格光栅传感器3检测到的信号，并借助应力及应变求解模型，还能远程定量计算A点应力和应变的变化情况，在线远程判断油气管道的腐蚀及泄漏情况，具有成本低廉、可靠性高、可远程监测等优点。

在本实施例中，基于波分复用(WDM)技术，可实现大规模布设，且成本低廉；应力和应变两个结果可以互相验证，提高结果分析的可靠性；可实现远程自动化监测，节约腐蚀点和泄漏点排查时间，提高处置效率，保障工作人员安全；油气管道腐蚀情况监测装置为非介入式监测，不会对油气管道的结构造成影响。

实施例二

本实施例提供一种油气管道腐蚀情况监测方法，基于前述的油气管道腐蚀情况监测装置，包括如下步骤：

获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号；

判断从各个位置的柔性条上获取的应力信号与预设应力值的差值是否超过设定值；

若判断结果为是，则生成含有对应柔性条位置信息的故障信号；

根据含有对应柔性条位置信息的故障信号的获取油气管道发生腐蚀的位置。

进一步地，预设应力值为柔性条在初始应力状态下被光纤布拉格光栅传感器检测到的应力值，柔性条在初始应力状态为柔性条刚刚安装在金属底座上的应力状态。

本实施例提供的这种油气管道腐蚀情况监测方法，通过获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号，当某个位置的柔性条上获取的应力信号与预设应力值的差值超过设定值时自动生产含有对应柔性条位置信息的故障信号，根据故障信号指示的位置信息可以获知发生腐蚀的金属底座的位置，进而可以根据发生腐蚀的金属底座的位置得知油气管道发生腐蚀的位置，从而实现油气管道腐蚀位置的远程高效在线监测，而且监测过程无需油气管道停产，大大降低了油气管道腐蚀情况的监测成本。

实施例三、

本实施例提供一种油气管道腐蚀情况监测方法，基于前述的油气管道腐蚀情况监测装置，包括如下步骤：

获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号；

将获取的柔性条的应力信号输入应力应变求解模型，计算得到柔性条的应变量；其中，应力应变求解模型根据柔性条在金属底座上的所受应力和柔性条的应变量之间的关系建立；

根据计算得到的柔性条的应变量获取金属底座的腐蚀量大小；

根据金属底座的腐蚀量大小获取油气管道对应位置处的腐蚀量大小。

本实施例提供的油气管道腐蚀情况监测方法，通过获取位于油气管道长度方向各个位置上的柔性条的应力信号，将获取的柔性条的应力信号输入应力应变求解模型计算得到柔性条的应变量，根据柔性条的应变量可以获取金属底座的腐蚀量大小，进而获取油气管道对应位置处的腐蚀量大小；这种油气管道腐蚀情况监测方法，不仅实现油气管道腐蚀位置的远程高效在线监测，还可以根据反馈的应力信号得知油气管道对应位置处的腐蚀量大小。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。