光纖光柵傳感技術在水電站壓力鋼管應變監測中的應用研究

楊 斌，段 鵬

（1.國網新源新安江水力發電廠 浙江省建德市 311608；2.上海明華電力技術工程有限公司 上海市 200090）

光纖光柵傳感技術在水電站壓力鋼管應變監測中的應用研究

楊 斌1，段 鵬2

（1.國網新源新安江水力發電廠 浙江省建德市 311608；2.上海明華電力技術工程有限公司 上海市 200090）

壓力鋼管是水電機組的關鍵部件。本文基于電阻應變法和光纖光柵傳感技術，開展了針對壓力鋼管運行全過程的應變形變特點的兩種方法比對試驗研究。研究結果表明，光纖光柵應變法能夠準確、及時地表征鋼管運行過程中的形變行為，且基于光纖光柵應變傳感技術所具有的抗干擾、抗腐蝕、高持久耐性等突出優點，非常適合水電站壩內壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環境下的長期健康性能監測，是今后建設壓力鋼管實時監測系統中應變監測的首選監測技術。

水電機組；壓力鋼管；光纖光柵；實時監測；應變；安全

0 引言

壓力鋼管（特別是壓力鋼管明管段）是水電機組設備中極其關鍵的部件，鋼管一旦失效破壞極可能導致水淹廠房事故，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。研究壓力鋼管的安全狀態，應當考察鋼管部件所承載的應力強度和安全裕度。金屬部件的失效破壞大多均是在應力的主導作用下發生，壓力鋼管往往因水流流速急速變化而承受頻繁的動態應力沖擊，或應力強度過載超越安全極限，最終導致鋼管破裂[1]而引起安全事故。因此，開展壓力鋼管的應力及安全狀態實時監測具有十分重要的意義。

壓力鋼管應力實時監測技術主要包括基于電學、光學及聲學等原理的試驗方法。基于電子學的電阻應變法是采用電橋或電位差計的測量電路，將電阻應變計（片）的電阻變化轉化為電壓（或電流）的變化，是長期以來一直得到穩定推廣應用的成熟技術。基于光學原理的光纖光柵傳感技術是近十年快速發展起來的新技術，因其以光信號進行信息傳輸，具備抗干擾能力強、抗腐蝕、高耐久性能等獨特優勢而得到了廣泛應用，是實現構件（尤其是環境較惡劣條件下）長期監測的優選技術。本文針對水電站壓力鋼管的運行特點和環境對上述兩種方法展開對比試驗研究。

1 研究對象

國內某電站20世紀60年代投運的立式混流式機組，設計容量95MW，設計水頭73m，引水系統為一管一機式，水輪機流量為138m3/s。引水鋼管由卷制鋼板焊接而成，明管規格5200mm×25mm，材質為St3鋼。

因壓力鋼管軸向應變在整個運行過程中變形幅度不大，而且從圓筒形結構的強度理論角度而言不是決定鋼管承載性能的主要因素[2]，故主要分析鋼管環向應變的變化特性。選取了壓力鋼管的兩個不同區域在每一區域非常接近地環向方向布置了光柵應變片和電阻應變片，見現場布置圖1。

圖1 現場應變測點布置示意圖

2 電阻應變法試驗結果

電阻應變片共布置了兩個測點，典型的應變形變過程見圖2（此測點近蝸殼端），記錄了機組從啟動、穩定運行、甩負荷至停機的全過程鋼管變形情況。

圖2 電阻應變法監測鋼管運行全過程

鋼管從啟動到停機的全過程應變監測全面地體現了不同工況階段鋼管的應力變化行為。啟動時刻，因振動等因素鋼管的環向應變呈現了一些特殊的變化，這種變化應當與導葉打開時鋼管的流量急速變化有關，見圖3中的a點。滿負荷運行之后，機組進入了相對穩定階段，此刻因部分靜壓轉化為動壓致使鋼管環向應變有所下降，見圖3中b點。圖3中c點是甩負荷時的應變瞬間變化，顯著地體現了水力沖擊造成鋼管應變陡升劇烈變化的結果；之后機組步入緩慢的停機階段，最后終止于d點。可以發現，d點的應變狀態最終回歸為0，與a點的起始階段相同，這本質上是因為停機終了鋼管的受力狀態和啟動起始前的狀態完全相同。

圖3 鋼管甩負荷全過程的環向應變變化

3 光纖光柵應變法試驗研究

與M點區域電阻應變片臨近布置的光柵點甩負荷工況全過程的鋼管應變變化狀況見圖4。從啟動、甩負荷和停機過程中鋼管應變的整體變化趨勢來看，光纖光柵應變法和電阻應變法的試驗結果幾乎相同，兩種方法的瞬間變化極值也同步體現，這說明光纖光柵應變片能夠靈敏且準確地反映鋼管的應變（或應力）瞬態變化。

圖4中a階段體現了機組滿負荷運行的穩定過程，理論上由于靜水壓力部分轉化為流動動壓，因此壓力降低使得鋼管的環向應變略有降低，如圖中電阻應變法的試驗結果，而光纖光柵應變法在此階段未呈現環向應變降低的特征。造成這一現象，主要是由于試驗中光柵應變片與鋼管采用了膠粘粘貼的界面結合方式，在耦合界面系統中存在一定的系統誤差（因本身這一環向應變變化較小）所致。但這一問題在采用光柵應變片與鋼管表面以機械結合（如焊接）的方式連接之后將會完全避免。

圖4 光纖光柵法與電阻應變法監測對比過程

另外一個值得注意的現象是，兩種方法測量結果的峰值并非絕對等同，見圖5。形成這一現象的原因極可能是光纖光柵應變采集系統在表征鋼管應力應變變化時的輸出比例系數需要進一步修正，通過試驗室標準試件拉伸試驗以及與電阻應變法在標準試件上的進一步比對論證試驗，完全可以解決這一問題并能夠真實反映鋼管應力應變變化。

圖5 光纖光柵法與電阻應變法監測環向應變峰值的比較

通過光纖光柵應變測試技術的現場試驗，以及與電阻應變法對鋼管實時應變變化的比對論證試驗，可以得出光柵應變系統能夠獲得鋼管應力變化過程的真實反映，而且能夠在鋼管實際應變確實發生變化的時刻做出及時地表征和體現（甩負荷工況下的變化趨勢與電阻應變法試驗結果趨勢幾乎完全重合），至于應力峰值的差別問題可通過系列試驗得到完全解決。

因此，從表征構件應變變化過程的角度而言，光纖光柵應變系統具備了能夠真實反映鋼管應力變化行為及程度的現場實時監測能力。

4 光纖光柵傳統傳感器的優點

目前適合于結構健康監測的應變傳感器主要有應變片、振弦式應變計、光纖光柵應變傳感器。應變片價格低廉，但耐久性較差，一般壽命不超過6個月，且為電信號輸出。振弦式應變計價格較高，目前多用的進口產品價格更高，耐久性一般為3～5年，其信號也為電信號。光纖光柵應變傳感器精度高、價格適中、為光信號輸出，但測試設備價格相對較高。

與普通機械、電子類傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優點：

（1）抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳輸的光信號不受電磁干擾的影響。

（2）電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質構成的，而且無需電源驅動，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產中使用。

（3）難腐蝕，化學性能穩定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學穩定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環境中使用。

（4）體積小、重量輕，幾何形狀可塑。

（5）傳輸損耗小：可實現遠距離遙控監測。

（6）傳輸容量大：可實現多點分布式測量。

（7）測量范圍廣：可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。

（8）光柵的長度小，只有毫米級，測量值空間分辨率高。

（9）輸出線性范圍寬，在10000微應變范圍內波長移動與應變有良好的線性關系，頻帶寬，信噪比高。

除了上述優點外，Alavie（1994）等人將布拉格光柵傳感器埋入碳纖維復合材料，測其應變的實驗表明：在0～2000 循環320000次后，光纖傳感器仍沒有出現劣化現象；Morey（1996）通過加速老化試驗，認為光纖布拉格光柵存活壽命大于25年。這些優點是其他傳感器無法比擬的。

5 金屬基焊接式光纖光柵應變傳感器簡介

從上述分析中可以看出，光纖光柵傳感器是一種高精度、高耐久性、施工簡單、不受電磁干擾、準分布測量的傳感器，尤其適用于具有較高耐久性要求的大型結構健康監測，是目前國際和國內大型結構應變監測中較為廣泛采用的傳感器。

根據水電站壓力鋼管普遍處于潮濕環境的特點和要求，可選用金屬基焊接式光纖光柵應變傳感器，它采用無膠粘封裝技術，克服了傳統膠封光纖光柵傳感器不可跨越的耐久性問題，其標距可以根據客戶的需要定制。它具有結構簡單、量程大、工程布設方便、應變測試精度高、耐久性好、穩定可靠，使用壽命大于20年，其性能如下表1所示。

表1 光纖光柵應變傳感器性能指標

6 結論與建議

通過本文兩種應變監測方法的對比試驗研究結果來看，光纖光柵應變監測獲得了與電阻應變監測下的幾乎完全相同的鋼管應變變化趨勢，能夠同步實時表征鋼管形變變化瞬態時點的真實應變行為及特征，具備抗腐蝕、高耐久性、抗電磁干擾、高疲勞壽命以及長距離信號傳輸等電阻應變傳感器所無法比擬的長期在線性能監測優勢，尤其是金屬基傳感器與被測表面的焊接連接方式使得監測數據精度和穩定性更高，很適合水電站壩內壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環境下的長期健康性能監測。

[1] 馬元珽.波蘭Lapino水電站壓力鋼管破裂的調查和分析[譯].水利水電快報，2002，23（6）：1～3.

[2] 徐芝倫.彈性力學簡明教程[M].北京：高等教育出版社，1990.

楊 斌（1972—），男，工程碩士，高級工程師，從事水電站設備安全技術研究及管理。

段 鵬（1980—），男，高級工程師，從事金屬結構設備安全技術試驗研究及管理。

The Research of the Fiber Bragg Grating （FBG）Sensor Technology in the Hydropower Unit Penstock

YANG Bin，DUAN Peng
（1. State Grid XinYuan Company Xinanjiang Hydropower Plant Jiande 311608，China；2. Shanghai Ming Hua Electric Power Technology Engineering Co.，Ltd.Shanghai 200090，China）

Penstock is a key component of a hydropower unit.Based on the different characters of strain change and shape change during the process of penstock operation，this paper is to make a comparison between the electrical resistance strain gauge and fiber bragg grating （FBG）sensor technology.According to the research result from the paper，the FBG strain gauge can effectively and timely express the shape change of penstock. In addition，since the FBG sensor technology is drought-tolerant，corrosion resistant and long lasting，it is suitable to supervise the health state of the penstock exposed in the moisture and erosion environment in a hydropower dam，and thus will be the first choice for strain gauge supervision during the penstock construction.

hydropower unit；penstock；fiber bragg grating（FBG）；timely supervision；strain change；afety