1.1 海底管線模型地震實驗

1.1.1 引言

管道運輸是油氣運輸中最快捷、經(jīng)濟、可靠的方式。海底油氣管道一般采取開溝埋設(shè)的方式敷設(shè)，當(dāng)海床起伏不平或巖石較為堅硬時，也可采取分段錨固的方式固定在海底巖石上。然而，由于海流的沖刷，或者受敷設(shè)路線上地形的影響，許多最初放置在海床上的管道出現(xiàn)了懸跨現(xiàn)象 ^{REF _Ref175208244 \r \h \* MERGEFORMAT [14]}。當(dāng)垂直于懸跨方向的海流流過時，將可能產(chǎn)生渦激振動，最終導(dǎo)致管道的失穩(wěn)破壞。如果管道的敷設(shè)路線經(jīng)過地震帶，則在地震作用下，管道的懸跨部分也是整個管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，研究懸跨部位的應(yīng)變反應(yīng)具有重要的理論意義和實際意義。

光纖光柵是近10 年來出現(xiàn)的一種新型智能傳感元件 ^{REF _Ref175191786 \r \h \* MERGEFORMAT [8]}，同傳統(tǒng)的電測傳感器相比較，光纖光柵具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、抗電磁干擾、準(zhǔn)分布測量、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和精度高等優(yōu)點。但是對于裸光纖光柵，它的直徑僅有125μm，抗剪能力差，在實際的惡劣環(huán)境中易折斷 ^{REF _Ref175191748 \r \h \* MERGEFORMAT [7]}。因此，針對實際應(yīng)用，需要開發(fā)一種光纖光柵的封裝技術(shù)，在不降低光纖光柵傳感性能的基礎(chǔ)上，有效的保護裸光纖光柵。

我們開發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器在海底管線模型振動實驗中得到了應(yīng)用，監(jiān)測了管線模型懸跨部位垂直方向上的地震應(yīng)變反應(yīng)特性。

1.1.2 模型設(shè)計及激勵系統(tǒng)

該模型采用有機玻璃（聚丙烯樹脂）材料制作。這種材料的特點是彈性模量低，強度高，材質(zhì)細密，宜于進行機械加工，是用來模擬海底管線的理想材料。模型總長2700mm，外徑150mm，壁厚5mm，幾何尺寸如 REF _Ref175208656 \h \* MERGEFORMAT 圖7.27所示。

模型試驗的激勵裝置采用大型電-液伺服控制水下地震模擬系統(tǒng)，如 REF _Ref175208667 \h \* MERGEFORMAT 圖7.28所示。該系統(tǒng)由水下振動臺、驅(qū)動系統(tǒng)、中心控制系統(tǒng)、水池組成。是國內(nèi)唯一可用于水下振動試驗的地震模擬振動臺。能進行水平和豎直兩個方向的激振，可產(chǎn)生的最大加速度為1.0g（水平）、0.7g（豎直），工作頻率為0~50Hz，最大水深為1.0m。

1.1.3 傳感器布置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

傳統(tǒng)的應(yīng)變測試采用的傳感器一般為電阻應(yīng)變計，由于其具備安裝簡便，造價低，精度可以達到一般要求而得到了廣泛的應(yīng)用。但是電阻應(yīng)變計穩(wěn)定性較差，易受環(huán)境電磁場干擾，必須進行防水處理才能進行短期水下工作。光纖光柵（FBG）傳感器作為性能優(yōu)良的敏感元件，具有靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、穩(wěn)定性好、可以實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點，符合本次試驗水下應(yīng)變測試的要求。

本次試驗的應(yīng)變測試系統(tǒng)由光纖光柵（FBG）傳感器、波長解調(diào)器及相應(yīng)軟件構(gòu)成。沿管線長度方向在管線的底面縱軸線布置了5個FBG傳感器以及5個高精度應(yīng)變片，分別用以測試模型在豎向振動時的動應(yīng)變。如 REF _Ref176617535 \h \* MERGEFORMAT 表7.8所示。

表7. SEQ 表7. \* ARABIC 8 光纖光柵（FBG）傳感器布置位置及波長

光纖光柵中心波長的測量采用美國Micron optics公司的四通道解調(diào)系統(tǒng)FBG-SLI，該設(shè)備集成了掃頻激光光源和可調(diào)光纖濾波器解調(diào)模塊，儀器的掃描頻率為108Hz ，波長分辨率為1pm。工作波長范圍為1520-1570nm。

1.1.4 試驗結(jié)果

圖7. SEQ 圖7. \* ARABIC 29 El Centro波激勵下海底管線模型跨中位置的應(yīng)變響應(yīng)

REF _Ref175209081 \h \* MERGEFORMAT 圖7.29所示，在El Centro地震波激勵下，光纖光柵傳感器的應(yīng)變響應(yīng)特性與應(yīng)變片的結(jié)果是相近的但由于振動臺周圍環(huán)境電磁干擾很大，使得應(yīng)變片的噪聲達到了±10με；而光纖光柵傳感器噪聲僅有±1με。同應(yīng)變片相比，光纖光柵傳感器顯示出了其優(yōu)越的抗電磁干擾能力。

圖7. SEQ 圖7. \* ARABIC 30 簡支約束管道最大應(yīng)變沿管軸方向的變化

表7. SEQ 表7. \* ARABIC 9 光纖光柵和應(yīng)變應(yīng)變峰值

REF _Ref175209527 \h \* MERGEFORMAT 圖7.30是管內(nèi)無水情況下簡支約束管道最大應(yīng)變沿管軸方向的變化，圖中分別給出了管式光纖光柵傳感器和應(yīng)變片所測應(yīng)變最大值對比圖。試驗中振動臺所輸入的地震波為El Centro波。實驗表明，光纖光柵測量結(jié)果最大值與電阻應(yīng)變片測量值基本吻合。從 REF _Ref175209527 \h \* MERGEFORMAT 圖7.30中還可以看出, 對于簡支管道, 管道中間反應(yīng)最大, 然后向兩端逐漸減小，試驗測試結(jié)果的分布趨勢與梁在簡支約束下理論分析結(jié)果的趨勢相同。

圖7. SEQ 圖7. \* ARABIC 31 管式光纖光柵與應(yīng)變片測量值比較

針對不同的工況，我們對海底管線模型進行了13組不同的垂直方向El Centro地震波激勵。試驗時間跨度為一個月。 REF _Ref175209837 \h \* MERGEFORMAT 圖7.31比較了3#管式光纖光柵傳感器和應(yīng)變片的應(yīng)變測量最大值。試驗結(jié)果顯示，在這13種不同的工況下，管式光纖光柵應(yīng)變測量值與應(yīng)變片符合的很好。試驗說明光纖光柵傳感器具有良好的長期測量穩(wěn)定性。

圖7. SEQ 圖7. \* ARABIC 32 海底管線模型垂直方向各個部位最大應(yīng)變與懸高關(guān)系

由于海底面高低不平，鋪設(shè)在海底面上的管線懸高也會有所不同，本節(jié)研究了不同懸高情況下的海底管線受地震波影響時各個部位的應(yīng)變變化趨勢。 REF _Ref175209886 \h \* MERGEFORMAT 圖7.32給出了在相同垂直地震波(El Centro波)作用下，海底管線模型垂直方向2#、3#及4#傳感器部位最大應(yīng)變與懸高變化的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著懸高的增加，海底管線跨中及1/4跨部位的應(yīng)變也隨之增加。

1.1.5 小結(jié)

我們利用自行開發(fā)的光纖光柵應(yīng)變傳感器監(jiān)測了海底管線模型在不同工況下的應(yīng)變反應(yīng)特性，結(jié)果表明：

1． 金屬管式封裝是一種有效的光纖光柵傳感器封裝技術(shù)，它不僅具有裸光纖光柵的本質(zhì)優(yōu)點，而且外形牢固可靠，能夠勝任于惡劣環(huán)境下的應(yīng)變監(jiān)測。

2． 對于不同的基體材料，光纖光柵傳感器具有不同的應(yīng)變靈敏系數(shù)。

在海底管線模型振動試驗中，利用管式光纖光柵傳感器成功監(jiān)測了模型的應(yīng)變反應(yīng)，結(jié)果表明，海底管線跨中及1/4跨部位的應(yīng)變隨著管線懸高的增加而增加。