基于光纤传感器的天然气管道泄漏应力波检测技术研究

【摘要】：管道作为当今的五大运输工具之一，在经济发展和人民生活中发挥着越来越重要的作用。如何维护管道的安全运行，防止管道泄漏的发生已经成为管道工业生产和安全管理部门的重要工作。一旦发生管道泄漏，不但会造成大量的资源浪费，还会造成严重的环境污染，甚至危害人身安全。管道泄漏检测是确保管道安全运行的一个重要方面。目前应用的检测方法多为间接方法，在检测效率、检测速度、定位精度等方面都远远无法达到要求。导波技术作为一种新的检测技术，具有检测效率高、速度快、定位精度高等方面突出的优点，受到越来越多的认可，在很多结构的管道检测中得到了广泛应用。本文主要研究管道泄漏声发射的产生机理以及导波技术在长距离输气管道泄漏检测中的应用，并配合光纤干涉型传感器对波导进行采集、处理，以达到快速、准确地检测到管道泄漏信息的目的。 本文的主要工作包含以下几个方面。 首先，分析了国内外在管道泄漏检测方面的研究现状，并介绍了光纤传感技术在管道泄漏检测中的应用； 其次，对气体管道泄漏声发射的声场以及应力波特性进行了探讨，并对直径273mm，厚度7mm的管道模型进行了数值模拟，得到了不同内压以及不同泄漏孔径的声强、应力强度及轴向位移等参数的特性； 再次，阐述了导波的概念，对空心圆管中的导波理论进行了推导，得到了空心圆管中导波的频散方程，并给出其频散曲线，并通过仿真研究了L(0，1)模态导波在管道中的传播特性； 最后，分析了应力应变对光纤相位的调制机理，选用马赫-曾德光纤干涉仪作为管道泄漏检测的光纤干涉型传感器，并提出了PZT消除环境温度变化引起的相位漂移的方法，以及通过偏振控制器减小偏振光对干涉信号的强度影响，对马赫-曾德光纤干涉型传感器进行了改进。 【关键词】：管道泄漏 光纤传感器 声发射 应力波检测 马赫-曾德干涉仪
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE973.6
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 国内外管道泄漏检测的发展现状11-14
• 1.2.1 国外管道泄漏检测技术发展现状11-13
• 1.2.2 国内管道泄漏检测技术发展现状13-14
• 1.3 光纤传感器在管道泄漏检测中的应用14-16
• 1.3.1 光纤传感器的特点及分类14-15
• 1.3.2 分布式光纤传感器检测管道泄漏15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-18
• 第2章 声发射产生的基本原理及数值模拟18-36
• 2.1 引言18
• 2.2 声发射信号产生机理18-23
• 2.2.1 声波控制方程18-19
• 2.2.2 声发射信号分析方法19-21
• 2.2.3 声源及表面声压的确定21-23
• 2.3 ANSYS 瞬态动力学分析简介23-24
• 2.4 管道泄漏孔处声源特性的数值模拟及结果分析24-35
• 2.4.1 管道泄漏模型的建立24-25
• 2.4.2 管道内压对管道泄漏的影响25-29
• 2.4.3 泄漏孔径对管道泄漏的影响29-34
• 2.4.4 管道泄漏孔模拟结果分析34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第3章 应力波的传播理论及数值模拟36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 导波理论的基本概念36-43
• 3.2.1 导波的定义36
• 3.2.2 群速度和相速度36-38
• 3.2.3 波的频散现象和衰减38
• 3.2.4 圆管中的导波38-42
• 3.2.5 圆管中导波的频散曲线42-43
• 3.3 埋地管道中应力波传播的数值模拟及结果分析43-47
• 3.3.1 埋地管道的模型建立43-44
• 3.3.2 管道中应力波传播特性的数值模拟44-47
• 3.3.3 管道中应力波传播模拟结果分析47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 基于应力波检测的光纤传感器设计49-64
• 4.1 引言49-50
• 4.2 光纤相位调制原理50-53
• 4.2.1 功能型光相位调制50-51
• 4.2.2 应力应变对光纤相位的调制51-53
• 4.3 干涉式光纤传感技术53-58
• 4.3.1 迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪53-54
• 4.3.2 萨格纳克(Sagnac)光纤干涉仪54-56
• 4.3.3 法布里-玻罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪56-57
• 4.3.4 马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪57-58
• 4.4 基于马赫-曾德(MACH-ZEHNDER)干涉仪的光纤传感器设计58-63
• 4.4.1 泄漏检测中的马赫-曾德光纤传感器结构58-59
• 4.4.2 PZT 对温度引起的相位漂移的调制59-61
• 4.4.3 光纤偏振控制器对光偏振态的控制61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果68-69
• 致谢69-70
• 作者简介70

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