新型光纖傳感器在管道滲漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

孫 宇，李文琦，周俊杰，呂 泳

(武漢理工大學(xué) 新材料力學(xué)理論與應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

市政供水、生活污水、工業(yè)廢水等給排問(wèn)題[1]是民生的基本保障之一。地下綜合管廊對(duì)滿足民生基本需求和提高城市綜合承載力發(fā)揮著重要的作用。目前，管網(wǎng)事故頻發(fā)，爆管、滲漏事故造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，事故主要原因是管道長(zhǎng)期使用導(dǎo)致老化、腐蝕介質(zhì)侵蝕結(jié)構(gòu)[2]等。管道屬于地下隱蔽工程，安裝和維護(hù)均比較困難，因此建設(shè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是地下綜合管廊正常運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)。基于此背景下，越來(lái)越多的學(xué)者開展了管道滲漏監(jiān)測(cè)研究。

滲漏監(jiān)測(cè)成為管道安全運(yùn)行必須首先解決的關(guān)鍵問(wèn)題。目前管道滲漏常用的監(jiān)測(cè)方法主要包括直接觀察法、超聲波漏水監(jiān)測(cè)法[3]、氣體示蹤劑監(jiān)測(cè)法[4]、壓力傳感器監(jiān)測(cè)法[5]、聲壓傳感器監(jiān)測(cè)法[6]等。軟件方法包括GPS時(shí)間標(biāo)簽法[7]、基于SCADA系統(tǒng)法[8]、負(fù)壓波監(jiān)測(cè)法[9]。這些方法存在對(duì)滲漏響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、定位精度差以及誤報(bào)率較高等問(wèn)題。光纖傳感器具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，耐高溫，耐高壓，耐腐蝕，可在惡劣環(huán)境下進(jìn)行長(zhǎng)距離、分布式的準(zhǔn)確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在管道滲漏監(jiān)測(cè)中具有巨大應(yīng)用潛力。有學(xué)者利用光纖全分布式傳感器感知由滲漏產(chǎn)生的管道應(yīng)變[10]，分析確定滲漏位置。此類方法需要監(jiān)測(cè)人員具有一定的操作技術(shù)，且成本較高。還有一些學(xué)者通過(guò)利用光纖布拉格光柵(FBG)[11]、布里淵光時(shí)域分析(Brilloulin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)[12]、拉曼光時(shí)域反射(Raman Optical Time Domain Reflectometer，TOTDR)[13]等光纖感測(cè)技術(shù)，直接對(duì)管道溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，完成滲漏監(jiān)測(cè)[14]。近年來(lái)美國(guó)OILTON公司開發(fā)出一種機(jī)載紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)[15]，通過(guò)直接測(cè)量輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差來(lái)判斷管道是否發(fā)生滲漏。此類方法需要滲漏介質(zhì)與環(huán)境之間存在較大溫度差，監(jiān)測(cè)效果受到季節(jié)氣候和使用地點(diǎn)的溫度變化的影響，其使用范圍受到很大限制。

針對(duì)上述不足，提出了一種將新型光纖傳感器應(yīng)用于管道滲漏監(jiān)測(cè)的方法，具有成本較低、且能人工制造溫度梯度的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)非埋置管道的小規(guī)模滲漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及定位。

1 管道滲漏監(jiān)測(cè)原理

通過(guò)將碳纖維和分布式光纖傳感器復(fù)合，制成一種新型的光纖傳感器，利用碳纖維具有導(dǎo)電的性能，在電場(chǎng)作用下發(fā)熱，使光纖整體溫度升高，一旦發(fā)生管道滲漏，則分布式光纖傳感器測(cè)量得到的各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)與無(wú)滲漏時(shí)不一致，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合出現(xiàn)異常溫度測(cè)點(diǎn)的位置，可以推出管道滲漏的位置。

在管道的管壁上設(shè)有導(dǎo)流槽，當(dāng)發(fā)生微量滲漏時(shí)，管壁上滲漏出來(lái)的介質(zhì)由于重力因素，沿導(dǎo)流槽流動(dòng)。導(dǎo)流槽形狀為波浪狀，其最低點(diǎn)處為測(cè)溫點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)滲漏介質(zhì)在測(cè)溫點(diǎn)匯聚，從而迅速產(chǎn)生較高的溫度差，便于及時(shí)地監(jiān)測(cè)滲漏情況，減少不必要的損失。

以水為例，探究發(fā)生滲漏后，傳感器測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度變化梯度與管道滲漏出水的流速關(guān)系可由以下數(shù)學(xué)表達(dá)式推出：

M=ρQ

(1)

式中：M為滲漏水的質(zhì)量流量(g/s)；ρ為水的密度(g/cm3)；Q為從滲漏處到測(cè)溫點(diǎn)水的流量(cm3/s)。

Q=VA0

(2)

式中：V為滲漏處水的流速(cm/s)；A0為管道滲漏位置的面積(cm2)。

m=Mt0

(3)

式中：m為滲漏出的水的質(zhì)量(g);t0為水從滲漏處流至測(cè)溫點(diǎn)的時(shí)間(s)。

不計(jì)熱量損耗，假設(shè)水與新型光纖傳感傳感器接觸后熱量完全交換，且熱量交換時(shí)間較短，其關(guān)系為

q0=cmΔT=Φt1

(4)

式中：q0為水流與傳感器交換的熱量(J)；c為水的比熱容(J/(kg·℃))；ΔT為水溫升高量(℃)；Φ為熱流量(W)；t1為水流與傳感器完成熱量交換的時(shí)間(s)。

其中：

(5)

聯(lián)立式(1)～式(5)可以總結(jié)出流速v與測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度的變化關(guān)系為

(6)

由式(6)可以看出，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)介質(zhì)滲漏速度越大，溫度沿測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的變化梯度就越大，使得監(jiān)測(cè)效果越明顯。

2 有限元仿真分析

采用有限元分析軟件模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，通過(guò)建立有限元模型，進(jìn)行溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。研究滲漏前后兩個(gè)階段，光纖傳感器處的溫度分布及變化規(guī)律。其中相關(guān)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

建立有限元分析模型，如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

假設(shè)環(huán)境溫度為17 ℃，施加熱對(duì)流載荷，經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間(30 s左右)，新型光纖傳感器經(jīng)過(guò)加熱升溫至24 ℃左右，經(jīng)過(guò)穩(wěn)態(tài)分析，溫度分布如圖2所示。

圖2 模型施加熱荷載后溫度分布圖

當(dāng)水流過(guò)某一測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，其周圍區(qū)域的溫度均會(huì)發(fā)生變化，其規(guī)律是測(cè)溫點(diǎn)處溫度最低，向左右兩側(cè)溫度逐漸升高，溫度變化蔓延一定區(qū)間后，會(huì)穩(wěn)定下來(lái)。熱場(chǎng)分析中，在光纖升溫趨于穩(wěn)定后(24 ℃左右)，通過(guò)在測(cè)溫點(diǎn)處施加水流溫度作為外載(取18 ℃)，并進(jìn)行60 s的瞬態(tài)分析，60 s后光纖的溫度分布如圖3所示。發(fā)生滲漏后光纖的溫度分布如圖4所示。

圖3 發(fā)生滲漏后光纖的溫度分布圖

圖4 光纖上測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

由圖3和圖4可以看出：測(cè)溫點(diǎn)處溫度降低最大，經(jīng)過(guò)60 s的瞬態(tài)分析后，對(duì)比滲漏前降低了4 ℃左右。溫度影響區(qū)域在測(cè)溫點(diǎn)左右(10 cm)，在其他測(cè)溫點(diǎn)處溫度并無(wú)變化(依然為24 ℃)。通過(guò)溫度分布趨勢(shì)和變化量可以驗(yàn)證使用此新型傳感器對(duì)滲漏監(jiān)測(cè)的可行性。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在被測(cè)管道底部安裝新型光纖傳感器，其結(jié)構(gòu)形式為：采用碳纖維束包裹分布式光纖光柵傳感器，碳纖維層外側(cè)設(shè)有保護(hù)層、隔熱材料，管壁上設(shè)有導(dǎo)流槽，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)采用分布式的光纖光柵傳感器，每個(gè)光柵所在位置形成測(cè)溫點(diǎn)，光柵每隔15 cm布置一個(gè)，一共布置8個(gè)，共計(jì)8個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。

為便于對(duì)管道不同位置滲漏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計(jì)在不同位置、角度安裝了3個(gè)閥門模擬介質(zhì)滲漏。

進(jìn)行模擬滲漏前，采用13 V、0.9 A的交流電對(duì)碳纖維層進(jìn)行加熱。在實(shí)驗(yàn)中，碳纖維束包裹光纖光柵傳感器，再用環(huán)氧樹脂封裝。其優(yōu)點(diǎn)是既能保證傳感器不會(huì)有漏電隱患，又能將絕大部分熱量傳遞給光纖光柵傳感器。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

工況①：?jiǎn)吸c(diǎn)滲漏。在對(duì)碳纖維層加熱完成后，分別記錄3處不同位置的閥門獨(dú)立發(fā)生滲漏時(shí)，其附近測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況。

工況②：多點(diǎn)滲漏。在對(duì)碳纖維層加熱完成后，將3處閥門打開，同時(shí)發(fā)生滲漏，記錄此3處附近測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況。

閥門安裝位置如圖7所示。1號(hào)閥門的位置對(duì)測(cè)溫點(diǎn)1影響最大；2號(hào)閥門的位置對(duì)測(cè)溫點(diǎn)5影響最大；3號(hào)閥門的位置對(duì)測(cè)溫點(diǎn)8影響最大。主要研究1、5、8這3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化情況。

圖7 閥門安裝位置示意圖

最小閾值測(cè)試：該方法需要滲漏介質(zhì)對(duì)感溫光柵區(qū)域有溫度上的影響，因此必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出光纖傳感器能響應(yīng)的最小滲漏量。

通電使得碳纖維層溫度升高，待各測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)室溫，調(diào)整激勵(lì)的電壓直到光纖傳感器測(cè)量溫度高于室溫6 ℃且穩(wěn)定后，采集在整個(gè)過(guò)程中光纖傳感器的溫度數(shù)據(jù)。

打開閥門模擬滲漏，并用量筒接收滲漏水的體積以計(jì)算流量。采用1 min滲漏計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和滲水量的調(diào)整，對(duì)比分析得出此法能夠監(jiān)測(cè)的最小水流量為180 mL/min。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將光纖傳感分析儀分析軟件中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線。加熱階段結(jié)束時(shí)，打開1號(hào)閥門，可觀察到接收滲漏位置(此處為測(cè)溫點(diǎn)1)的溫度較其他測(cè)溫點(diǎn)有較大變化，如圖8所示。

圖8 測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

單獨(dú)分析接收滲漏的測(cè)溫點(diǎn)1、5、8在工況①中不同階段的溫度變化趨勢(shì)，如圖9～圖11所示。

圖11 測(cè)溫點(diǎn)8溫度變化曲線

工況①分析：3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)變化趨勢(shì)一致，以測(cè)溫點(diǎn)1為例，如圖9所示，0～30 s時(shí)為管道及光纖處于室溫18 ℃的情況；30 s開始到130 s時(shí)為碳纖維被加熱，光纖溫度隨之升高并趨于穩(wěn)定的過(guò)程；從130 s開始到175 s為測(cè)溫點(diǎn)采集溫度變化的過(guò)程；175 s后為關(guān)閉閥門，滲漏解除，溫度逐漸回升的過(guò)程。

圖9 測(cè)溫點(diǎn)1溫度變化曲線

圖10 測(cè)溫點(diǎn)5溫度變化曲線

分析以上3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采集溫度變化的過(guò)程可得各測(cè)溫點(diǎn)降溫速率如表2所示。

表2 測(cè)溫點(diǎn)降溫速率表

3個(gè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)滲漏效果都比較明顯，在滲漏處均有5 ℃左右的溫度波動(dòng)，且對(duì)滲漏的響應(yīng)時(shí)間均較短暫，可以從分析軟件很直觀地觀察到測(cè)溫點(diǎn)溫度降低，驗(yàn)證了此法對(duì)于微量滲漏監(jiān)測(cè)的有效性。測(cè)點(diǎn)8降溫速率較其他點(diǎn)慢，分析原因可得，在滲漏時(shí)，管道斜壁側(cè)水流呈噴射式流出，會(huì)使測(cè)溫點(diǎn)較難捕捉到水流，使其降溫速率下降。

工況②情況下，3處閥門同時(shí)打開，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況如圖12所示。

圖12 3個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線

工況②分析：從圖12中可以看出，每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與單獨(dú)滲漏的變化趨勢(shì)相同。3個(gè)受水溫影響的測(cè)溫點(diǎn)均能下降5～6 ℃，其中測(cè)溫點(diǎn)8溫度開始降低的時(shí)間比其余兩點(diǎn)早10 s,分析原因，此點(diǎn)位置距離測(cè)溫點(diǎn)較近，且此處導(dǎo)流槽匯聚水流效果較好，相對(duì)其余兩處測(cè)溫點(diǎn)可更早地顯示出溫度下降情況。3點(diǎn)同時(shí)發(fā)生滲漏的曲線結(jié)果可與單獨(dú)發(fā)生滲漏的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，雖有較小差別，但均有較明顯的溫度下降，結(jié)合該測(cè)溫點(diǎn)的位置，由此得出發(fā)生滲漏的大致位置，再次驗(yàn)證了此法用于監(jiān)測(cè)管道滲漏的有效性。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于分布式光纖光柵傳感器的測(cè)溫原理，提出了一種新型監(jiān)測(cè)管道滲漏的方法，采用模擬實(shí)際滲漏的實(shí)驗(yàn)方式驗(yàn)證了此方法的有效性，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性。但各測(cè)點(diǎn)存在監(jiān)測(cè)效果有較小差別的現(xiàn)象，分析可得以下幾點(diǎn)原因：①各個(gè)閥門的滲漏量即使控制在一定范圍內(nèi)，也無(wú)法保證每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)接收水的流量相同，在一定范圍內(nèi)，接收流量越大的測(cè)溫點(diǎn)溫度變化越明顯。②每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)周圍導(dǎo)流槽匯聚水流的效果不同，匯聚水流越多的點(diǎn)溫度下降越明顯。