Strain-based structural health monitoring of a pipeline using distributed fiber optics

This thesis presents a comprehensive study on the structural health monitoring of pipelines subjected to internal pressure, employing distributed fiber optics as the primary method of detection. SHM of pipelines plays a leading role in ensuring safety conditions, preventing leaks and maintaining operational efficiency. Interest in this topic has been growing steadily and is expected to continue due to the expansion in the energy sector and the continuous need for infrastructure for fluid transportation. The research focuses on the implementation and validation of innovative techniques for damage detection in aluminum pipelines using BOTDA-distributed fiber optics. A critical aspect of the study involved applying a helical setup for the fiber optics, using two distinct pitch angles (10° and 20°). The study began by verifying the helical setup's effectiveness in strain measurement, aligning closely with analytical models under two different pressure loads (40 and 80 psi). Then it continued studying the strain response of the fiber after damaging the pipe with two circular notches and two crack-troughs. Previous numerical analysis simulation helped predict the fiber behavior under the damage scenario described. A significant challenge was the high noise levels in the acquisition system, which decreased the signal-to-noise ratio and jeopardized the detection of surface notches. Other negative factors contributing included the out-of-roundness of the pipeline and the flexibility of the silicone medium used for attaching the fiber optics, affecting strain transfer from the pipeline to the fiber. Despite these obstacles, the project achieved notable successes, including the validation of the helical setup and the successful detection of through-cracks in both setups (10° and 20°). One of the most significant achievements was the development and application of the Moving Mahalanobis Distance, an implementation of the normal Mahalanobis Distance statistical method used to detect outliers in a set of data. The moving Mahalanobis distance helped detect damages and distinguish real damages from fault alarms. This method proved to be more robust than the traditional Mahalanobis Distance, especially for signals with a high number of elements.

Questa tesi presenta uno studio approfondito sul monitoraggio della salute strutturale delle pipeline soggette a pressione interna, impiegando la fibra ottica distribuita come metodo principale di rilevamento. Il monitoraggio strutturale delle pipeline gioca un ruolo fondamentale nel garantire condizioni di sicurezza, prevenire perdite e mantenere l'efficienza operativa. L'interesse in questo argomento è in costante crescita e ci si aspetta che continui a causa dell'espansione continua nel settore energetico e del continuo bisogno di infrastrutture per il trasporto di fluidi. La ricerca nello specifico, si concentra sull'implementazione e la validazione di tecniche innovative per il rilevamento di danni in pipeline di alluminio utilizzando fibre ottiche distribuite BOTDA. Un aspetto critico dello studio ha coinvolto l'applicazione di un setup elicoidale per la fibra ottica, utilizzando due diversi angoli di inclinazione (10° e 20°). Lo studio ha avuto inizio verificando l'efficacia del setup elicoidale nella misurazione della deformazione, rispetto ai modelli analitici sotto due diversi carichi di pressione (40 e 80 psi). Successivamente, ha continuato studiando la risposta alla deformazione della fibra dopo aver danneggiato la pipeline con due intagli circolari e due cricche passanti. Precedenti simulazioni di analisi numerica hanno aiutato a prevedere il comportamento della fibra per lo scenario di danneggiamento descritto. Una sfida significativa è stata rappresentata dai livelli elevati di rumore nel sistema di acquisizione, che hanno ridotto il rapporto segnale-rumore e non hanno permesso il rilevamento di intagli sulla superficie della pipeline pressurizzata. Altri fattori negativi includono l'irregolarità nella forma della pipeline e la flessibilità del silicone usato per attaccare la fibra ottica, che hanno influenzato il trasferimento della deformazione dalla pipeline alla fibra. Nonostante questi ostacoli, il progetto ha raggiunto successi notevoli, tra cui la validazione del setup elicoidale e il rilevamento di cricche passanti in entrambe le configurazioni (10° e 20°). Uno dei risultati più significativi è stato lo sviluppo e l'applicazione della Mahalanobis Distance Mobile, un'implementazione del metodo statistico della Mahalanobis Distance standard utilizzato per rilevare valori anomali in un insieme di dati. La distanza di Mahalanobis mobile ha aiutato a rilevare danni e a distinguere danni reali da falsi allarmi. Questo metodo si è dimostrato più robusto rispetto alla tradizionale Distanza di Mahalanobis, specialmente per segnali con un elevato numero di elementi.