本文是一篇土木工程论文，本文基于生活与工业中各类型管道易受环境因素而发生损伤破坏的背景，以及降低社会财产损失、安全隐患和环境污染的需求，针对管道损伤位置与损伤程度的识别进行了研究。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
自十九世纪初以来，管道运输在运输行业中所占比例日益增大，在油气行业中极为普遍，与铁路、公路、水运、航空并列为五大运输方式[1]。与其他运输方式相比，管道运输具有安全性高、运输效率高、耗能低的优势，是最为合适、经济的运输方式[2]。随着西气东输布局规划的实施，管道运输技术得到了飞速发展，并已成为油气等资源输送的主要渠道。现如今，管道工程正在大规模的开展，具有长远的研究价值和极为重要的战略地位。
作为一种特殊的运输手段，管道运输不仅是连接资源生产商和燃气生产商与市场的纽带，也是将自然资源输送到人类社会生活的桥梁[3]。经过不完全统计，在近30年内，仅输油管道就发生了上千起大小事故，天然气管道也发生了数百起事故，这表明管道运营安全存在着许多潜在的事故隐患[2]。管道安全状况不仅直接关系到相关企业的正常运行，而且关系到国家能源的安全供应、社会稳定、环境保护和经济发展。随着管道工程的大量建设，与其相关的维护保养、监控防护等科学研究也更深层次展开。在管道事故中，由外界环境引发的管道损伤泄露占据很大一部分，所以如何预防管道泄露并及时检测管道受损位置是一个重要的研究课题。根据管道的工作环境可以把管道分为海底管道和城乡地埋管道两大类。对于海底管道，由水流引起的涡激振动与地震波震动是使得管道失效破坏的主要因素。而对于城乡地埋管道，地震波、落石冲击、爆炸冲击、交通荷载的振动冲击是危害管道安全运行的主要原因。下文将对这两类管道的受力特性、受损原因与受损机理进行详细介绍与分析。
海底管道在复杂海洋环境作用下可能发生多种形式的损伤，如管线断裂、海水和海砂冲蚀引起的壁厚减薄、腐蚀穿孔以及管线总体屈曲或局部屈曲等（如图1-1）。在深海高腐蚀性环境下，海管管壁局部厚度被削弱，易形成孔洞[4]。其次，原油中夹杂的海砂会对管壁进行连续地冲刷，会对海管璧进行侵蚀破坏[4]。在复杂海洋环境荷载（如波浪、海流、浮冰、海床滑移）作用下，管道壁易产生裂纹[5]。在循环往复的海洋荷载和砂石的摩擦荷载作用下，海管薄弱位置易发生疲劳断裂。海底管道常见的动力荷载有涡激振动和地震波两大类。
1.2 研究现状
管道健康监测作为一项重要研究课题，已有许多管道损伤检测方法和监测技术被开发与应用。众多学者对管道的检测与监测技术进行了详细的综述。Mutiu Adesina Adegboyed等（2019）[21]探讨了管道泄漏检测技术，总结了管道泄漏的检测和定位方法，并将管道泄漏检测技术归纳为信号传感法与视觉判定法两类，并结合特定的后处理计算方法进行损伤识别。信号传感法包括：声传感、加速计、光纤传感、蒸汽传感、红外温度记录、地面渗透、荧光法、机电阻抗、电容式感应等。视觉判定法是利用训练有素的狗、经验丰富的人员、智能设备、直升机或无人机检测管道周围溢油的传统方法。后处理计算方法包括：大容量平衡法、负压波法、压力点分析、数字信号处理、动态建模、状态估算法；Mohd Ismifaizul Mohd Ismail等（2019）[22]对自来水管道泄漏检测技术进行了综述，将其分为软件检测、硬件检测和常规检测三大类，比较了各种方法的优缺点，对基于硬件的方法进行了重点讨论。
在众多结构损伤检测方法中，光纤传感技术近年来兴起且广受欢迎，现已广泛应用于结构健康监测领域，并逐渐取代了传统的测量方法[23]。其原理为光纤中的光波物理特征参量（如强度、波长、频率、相位和偏振态等）因环境、温度或机械作用发生变化，通过解调这些特征参量可以对外界环境变化进行识别[24, 25]。光纤传感技术的主要优势为：可同时监测多种参量、精度高、敏感、适用于长距离监测、可进行长期连续的常态化监测等。光纤传感元件不仅灵敏度高，而且功能全面，可以测量多种物理参量。光纤传感元件的二氧化硅材料克服了传统传感器不适宜高强度磁场环境的问题，适用于极端恶劣环境下的监测，所以光纤传感技术非常适用于管道的监测环境。光纤传感技术在结构损伤的识别与监控放面已经有了大量的研究与应用，并且与光纤传感监测技术相关的信号处理技术及监测系统也被大量研究与开发。
第二章 光纤传感器的设计
2.1 FBG传感器的基本原理
光纤传感监测技术的原理为：因外部激励信号使光纤中的光波物理特征参量（如强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，通过解调这些特征参量可以对外界环境变化进行识别，从而对物理参数（应变、应力、位移、温度等）进行监测。在以应变模态振型为参量依据的损伤监测方法中，本监测系统选择了对应变参量敏感度较高的FBG传感器。FBG传感器在光纤传感技术元件中，对应变、温度和位移参量较为敏感，可以较为灵敏地感应到应变参数的变化。FBG传感器对于应变的测量精度可精确到1με，且单个FBG的响应时间小于0.01s，应变测量幅度可超过10000με[65]。除了对应变有着高灵敏度和精确度的特点，FBG传感器还以其体积小、重量轻、几何适应性高、可多点或分布式测试的特点而实现多个FBG传感器的串联集成，从而实现准分布式的监测[66]。单个光学解调仪通道可同时监测多个串联的FBG。此外FBG传感器还具有电绝缘、安全防爆、耐腐蚀、化学成分长期稳定、抗电磁干扰[66]、可在有危险放射性或有毒的恶劣环境中工作的优点[67]，非常适用于管道所处的恶劣环境。
FBG传感器以其独有的对应变灵敏度高、测量精度高、测量范围大且可以实现准分布式监测、易于设计排布与集成、可以在恶劣环境下工作等优势，适合作为管道应变动态监测的传感元件，可以为管道的应变模态振型数据提供良好的应变数据基础。另外，由于FBG传感器的光纤与光栅都比较脆弱，易因受到弯折而断坏，所以需要对裸FBG传感器进行封装设计。可以在保证FBG传感器监测性能的同时又可以对光纤与光栅进行保护，提高FBG传感器的适用性与稳定性。
2.2 适应管道测试的FBG传感器设计
由于FBG传感器的光栅可以经串联而实现对结构的准分布式监测，所以本章根据管道结构应变模态振型的测点排布需求对光栅的串联排布进行了设计。其中，所设计的半圆柱体式FBG传感器光栅排布间距较长，在目标管道上可以实现轴向均匀的测点布设，用于管道轴向宏观上的整体监测；所设计的圆柱体式FBG传感器光栅排布较密，可用于管道脆弱处、易发生破坏处的局部监测，可将管道损伤更精准的监测出来。同时，为了保护FBG传感器中脆弱的光纤与光栅，在不影响FBG传感器的监测灵敏度与精准度的前提下，还需要通过封装以提高FBG传感器的适用性、稳定性与耐久性。本章节对两种封装FBG传感器的设计、封装工艺与制作流程进行了详细的介绍，并对两种FBG封装传感器的动态感知性能进行了实验测试。
2.2.1 半圆柱体式封装FBG传感器的设计
一方面为了在管道上可以实现轴向均匀的测点布设，用于管道轴向宏观上的整体监测，从而得到管道的应变模态振型；另一方面为了实现对FBG传感器中光纤与光栅的保护，增加FBG传感器的耐用性与稳定性。我们设计了半圆柱体式封装FBG传感器。以下是关于半圆柱体式封装FBG传感器的设计与制作工艺的详细介绍。
我们取一钢管作为封装FBG传感器的应用对象。管轴向长1.5m，外径25mm，内径23mm。首先进行测点布置，由于管道为空心圆柱体结构，在对管道进行大单元划分时，每个单元沿管轴向排布，所以我们将测点也沿着管轴向排列，使得所有测点在同一条直线上与管轴平行。我们计划布置6个测点，将测点相对集中的布置在管轴向的中央，第一个测点布置在距管一端30cm处，每个测点距离15cm且可以连接成一条直线，第六个测点距离管另一端45cm，测点位置示意图如图2-1所示。每个测点位置即为FBG的布置位置，我们用光纤将设计好间距的各个FBG通过光纤焊接机（如图2-2）连接起来，形成了未封装的裸FBG传感器。
第三章 应变模态分析 .................... 32
3.1 基于传递函数的频域分解法 .......................... 32
3.2 输出响应的传递比函数与模态参数的关系 ...................... 33
第四章 功率谱密度传递比法的实验验证 ....................... 48
4.1 实验简介 ............................ 48
4.2 应变时频分析 .............................. 49
第五章 管道损伤识别 ...................... 106
5.1 有限元数值计算 ......................... 106
5.1.1 管道模型及工况介绍 ..................................... 106
5.1.2 模型管归一化应变模态振型的计算 ............................. 109
第五章 管道损伤识别
5.1 有限元数值计算
5.1.1 管道模型及工况介绍
模型管运用有限元分析软件ANSYS建立，采用solid185单元模拟并进行分析。模型管长1.5m，管内径为23mm，外径25mm。假设管是由分布均匀的钢材质构成，材料弹性模量为310GPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。单元划分时，将模型管沿管轴向与环向分别切分为22段，总计484个六面体单元。因本论文损伤识别只精确于管的轴向位置而不考虑环向位
