基于主动加热测温法的海底管道悬空监测与评定

摘要

海上油气资源的高效开采与利用，对于面临日益严重的能源危机的现代社会的进一步发展至关重要。海底管道系统是海上油气资源的运输的“生命线工程”，是极其重要的资产。为了确保海底管道系统在服役期内的安全运行，海底管道的冲刷悬空监测是工程中所面临的一个重要问题。本文引入了主动加热测温法的冲刷悬空监测技术，并在此基础上进行了一系列的研究工作，主要内容如下:
　　1.主动加热测温法的理论推导。本文针对海底管道的冲刷悬空监测的问题，分别将在介质沙和介质水中的传热学问题进行简化，通过“瞬态热流法”和“集总参数法”，求出了在两种介质中加散热过程中的温度变化的解析解，为后文的分析提供了理论基础。
　　2.介绍了基于主动加热测温法的海底管道悬空监测系统的构成及其用于悬空监测的室验过程。监测系统由热缆、数据采集单元和数据处理单元三个基本部分组成。热缆沿海底管道平行布置，可以在加热的过程中，实现温度的采集。为验证此监测系统的可行性，在实验室搭建了小型的海底管道悬空监测的试验环境，进行了三次模拟实验，获得了加散热过程中热缆的温度变化曲线。通过分析采集到的温度数据，进行特征提取或模式识别，可以识别其周边的介质是沙或是水，得到海底管道的悬空段位置和长度。
　　3.介绍了适用于近海段的基于DS18B20的海底管道冲刷悬空监测系统，提出了“三指标法”。采用价格低廉、使用方便的DS18B20温度传感器作为监测系统中热缆的温度监测元件，并提出“三指标法”进行数据分析，获得悬空段长度。“三指标法”的三个指标是指平均温度、温度曲线符合度和加热段温度波动。
　　4.介绍了适用于远距离海底管道的基于BOTDA的冲刷悬空监测系统。考虑到光纤传感技术的诸多优点和其应用于海底管道监测的独特优势，利用分布式光纤传感器作为热缆中的温度传感元件，以此搭建悬空监测系统。从试验得到的温度曲线的数据中提取了三个特征:平均温度、时间稳定性和空间连续性。
　　5.初步探讨了神经网路算法用于悬空监测的前景。基于DS18B20的海底管道冲刷悬空监测系统，一个两层BP神经网络通过一次试验数据得到了训练，并将其应用于另两次试验数据，成功实现了沙水的介质识别，并有极高的正确率。神经网络应用于悬空监测，展现了良好的通用性和抗噪能力，可望面对实际应用中遇到的各种挑战。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 海底管道的重要性

1．1．2 海底管道的事故及原因

1．1．3 海底管道的冲刷悬空的产生原因和危害

1．2 当前研究现状

1．2．1 海底管道冲刷悬空的应对方法

1．2．2 海底管道冲刷悬空的监测方法

1．2．3 主动加热测温法

1．3 本文的主要工作

2 主动加热测温法的理论背景

2．1 海床中的温度变化解析解

2．2 海水中的温度变化解析解

2．3 加热时的温度波动特征

3 监测系统和实验

3．1 海底管道冲刷悬空监测系统

3．1．1 基于DS18B20的冲刷监测系统

3．1．2 基于BOTDA的冲刷监测系统

3．2 海底管道冲刷悬空监测实验

3．2．1 悬空监测实验设置

3．2．2 悬空监测实验过程

4 基于DS18B20的冲刷悬空监测系统和三指标法

4．1 基于DS18B20的冲刷悬空监测系统的优点和适用范围

4．2 基于DS18B20的冲刷悬空监测实验结果和三指标法

4．2．1 悬空监测实验中各阶段的温度变化特征

4．2．2 悬空监测实验结果对泛化解析解的符合度

4．2．3 悬空监测实验加热段的温度波动特征

4．2．4 三指标法综合特征值TIE

4．3 基于DS18B20的冲刷悬空监测系统和三指标法的讨论

4．4 本章小结

5 基于BOTDA的冲刷悬空监测系统

5．1 光纤传感技术概述

5．2 分布式布里渊光纤传感原理简介

5．3 基于BOTDA的冲刷悬空监测试验的试验结果和分析

5．4 对基于BOTDA的冲刷悬空监测试验的试验结果结果的讨论

5．5 本章小结

6 冲刷悬空监测系统的BP神经网络算法

6．1 神经网络算法的优点及应用

6．2 BP神经网络算法用于海底管道悬空监测

6．2．1 BP神经网络的结构

6．2．2 BP神经网络算法的步骤

6．2．3 神经网络在冲刷悬空监测的应用

6．3 BP神经网络对悬空监测试验结果的分析

6．3．1 神经网络输入数据规格化

6．3．2 神经网络模式识别结果

6．3．3 神经网络的抗噪能力

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢