[發(fā)明專利]一種簡(jiǎn)化的圓柱形管線疲勞應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310391021.6
• 申請(qǐng)日: 2013-08-31
• 公開（公告）號(hào): CN103453874A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王海燕;李保軍;劉敘含;張鵬飛;申曉紅;楊伏洲;姚海洋;趙曉博;張之琛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B21/32
• 分類號(hào): G01B21/32;G01B11/16
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海洋油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，涉及隔水管、海底管線等海洋管線疲勞技術(shù)、材料力學(xué)、流固耦合振動(dòng)、傳感器技術(shù)等相關(guān)學(xué)科。

背景技術(shù)

隨著海洋石油開發(fā)開采的迅猛發(fā)展，各種圓柱形海洋管線（隔水管、海底管線）廣泛應(yīng)用于油氣輸送、泥漿運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)。隔水管是連接海底井口與海面作業(yè)平臺(tái)的唯一構(gòu)件。海底管線是油氣外輸?shù)谋憬萃ǖ馈ｋS著海洋石油不斷朝深水、超深水進(jìn)軍，上述管線面臨極大的安全威脅。首先，對(duì)隔水管而言，與大陸架和路上鉆探作業(yè)相比，深水作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)高、技術(shù)要求高、成本昂貴，其中最直接的風(fēng)險(xiǎn)是極大的施工和安全風(fēng)險(xiǎn)。茫茫大海中，隔水管就像一根頭發(fā)絲，風(fēng)，海浪，洋流、潮汐等時(shí)時(shí)作用于隔水管，同時(shí)還受到地震的威脅。在此條件下，隔水管將遭遇以流固耦合為特征的渦激振動(dòng)，產(chǎn)生交變應(yīng)力，誘發(fā)隔水管疲勞，降低隔水管使用壽命，甚至斷裂，給深海石油開發(fā)造成重大損失。其次，對(duì)于海底管線，無(wú)論是位于大陸架還是深水海底，都將受到洋流、地震、海床凹陷、鋪管時(shí)海底障礙物影響等作用，產(chǎn)生懸跨，即失去支撐的懸空管段。與隔水管類似，懸跨亦遭遇渦激振動(dòng)的危害，特別是振動(dòng)頻率接近于本征頻率時(shí)，將發(fā)生頻率鎖定。此種情形下，可能只需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)振動(dòng)周期就能使海底管線失效。

為確保上述管線服役期間的安全，降低海洋石油勘探開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)的科研院所、石油公司對(duì)管線的疲勞問題進(jìn)行廣泛而深入的研究，形成以光纖傳感器為基礎(chǔ)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法。

Fugro的FBG應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用沿隔水管橫截面正交布放4個(gè)傳感器和一個(gè)光纖溫度傳感器，其缺點(diǎn)是4個(gè)光纖傳感器串聯(lián)布放，安全可靠性較差。此種傳感器布局在實(shí)驗(yàn)室研究試驗(yàn)中已被采用，為了測(cè)得最大應(yīng)變，研究者將其中一個(gè)傳感器安裝于迎流面，但真實(shí)的海洋環(huán)境中，保證傳感器與洋流方向已知是難以完成的任務(wù)。Thunder?Horse的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備用8個(gè)傳感器串聯(lián)。雖然設(shè)備因配有堅(jiān)固的保護(hù)外殼彌補(bǔ)了方法在安全可靠性上的缺陷，但很難測(cè)到最大應(yīng)力。SMARTEC、INTEGRIstick等產(chǎn)品基于光纖微位移傳感器，存在的缺陷是難以測(cè)得TTR的最大應(yīng)變，更無(wú)法監(jiān)測(cè)最大應(yīng)變的方位。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種魯棒性更強(qiáng)的簡(jiǎn)化的應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法,減少一個(gè)傳感器，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法，降低了檢測(cè)設(shè)備的功耗。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

第一步，在監(jiān)測(cè)位置，沿圓柱體管線外壁沿圓周均勻并聯(lián)布放三個(gè)應(yīng)變傳感器，以管線中心為原點(diǎn)，以設(shè)定的參考方向及其垂直方向分別為x、y軸構(gòu)建直角坐標(biāo)系，將三個(gè)應(yīng)變傳感器按逆時(shí)針被編號(hào)為1、2、3，三個(gè)傳感器所測(cè)應(yīng)變?yōu)?maths num=0001>ϵ1=ϵA+ϵ1bϵ2=ϵA+ϵ2b,ϵ3=ϵA+ϵ3b]]>式中，ε_A為管線的軸向應(yīng)變，和分別為三個(gè)應(yīng)變傳感器所測(cè)彎曲應(yīng)變，其取值為式中ε_max為圓柱管線最大彎曲應(yīng)變，i=1，2，3，ε₁、ε₂和ε₃分別為第1、2、3個(gè)應(yīng)變傳感器所測(cè)應(yīng)變，為第一個(gè)傳感器與最大彎曲方向的角度；