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基于光纤分布式声波传感的管道流速及泄露监测技术研究
| 论文题名： | 基于光纤分布式声波传感的管道流速及泄露监测技术研究 |
| 关键词： | 管道流速;泄露监测;流致振动效应;光纤分布式声波传感系统 |
| 摘要： | 管道运输和铁路、航空、公路、水运一起并称为五大运输业，共同组成了联系世界的物质运输网络。其中，石油、天然气等战略资源严重依赖管道进行长距离运输，但由于管道老化、外界破坏等因素导致的管道安全事故时有发生，管道监测成为保障管道正常运行的有力手段。然而，随着管道运输里程的逐年增加，传统的管道监测技术难以实现无盲时、盲区的实时监测，分布式全天候管道运行状态监测的难度在不断加大，管道安全运行面临着严峻的挑战。本论文面对分布式全天候管道运行状态监测的需求，开展了管道流速测量及泄露监测的理论与实验研究。提出了一种将光纤分布式声波传感技术与管道流固耦合效应相结合的管道运行状态监测方案，利用单根光纤实现了长距离管道的流速、泄露的非侵入监测，在保障长距离管道网络安全运行方面具有良好的应用前景。主要研究内容如下： （1）根据流致振动效应建立了基于光纤分布式声波传感系统的管道流速、泄露监测理论模型，并利用Fluent软件仿真分析流速与管壁压力变化关系，验证了该模型的正确性，论证了非侵入流速测量方案的可行性。推导管道泄漏监测理论，构建管道泄漏口径预测模型，并系统地研究了泄露定位的方法和传感单元布设对泄露定位精度的影响。 （2）开展了基于光纤分布式声波传感技术的管道泄漏监测研究，搭建了管道泄漏监测系统，系统的研究了管道泄漏口径大小响应特性及定位方法。结果显示，通过监测泄露振动信号能够实现管道泄漏口径的预测及泄漏点的定位，采用25mm口径的PVC通过计算时域统计特征实现了2.5mm-9.8mm范围内泄露口径的预测；通过监测泄露振动波沿管道的传递特征，实现了厘米级的泄露定位，定位误差仅为4.5%。 （3）开展了基于流致振动效应的管道非侵入、分布式的流速测量研究，系统的研究了单管段、长距离管道在不同流速条件下的响应特征。采用PVC单管段在0-3.6m/s流速范围进行了非侵入流速测量方案的探究。结果显示，通过监测流致振动信号特征可以实现管道流速的非侵入测量，在3.6m/s时流速测量灵敏度为0.03998rad/(m·s-1)，测量误差稳定在10%以内。将单管段结果推广至长距离管道的流速测量，分别于实验室（25m长PVC管道）和实地测试（20m长钢管）条件下开展实验，实验结果表明该方案具备分布式的管道流速测量能力且T检验结果显示其空间一致性良好。 |
| 作者： | 李通达 |
| 专业： | 光学工程 |
| 导师： | 闫志君 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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