PCCP遠程無線實時監測系統研究

齊海銘，宋建國，崔友國

1 研究背景

預應力鋼筒混凝土管 (Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是指在帶鋼筒的混凝土管芯上螺旋纏繞高強鋼絲，并覆蓋砂漿保護層而制成的管材。PCCP作為一種新型的輸水管材，具有壽命長、抗震性好、防滲漏等優點，被廣泛應用于水利、電力、市政給排水等領域。

PCCP的強度取決于纏繞在管芯上的高強鋼絲，鋼絲在管芯上產生均勻的預應力，能夠抵償由內壓和外荷載產生的拉應力。但是在施工及運行過程，多種原因會造成鋼絲損傷或腐蝕：1）鋼絲氫脆現象；2）制造缺陷；3）砂漿保護層裂縫；4）腐蝕等。鋼絲損傷到一定程度后出現斷裂，引起管道強度下降，同一部位將出現更多斷絲，最終導致爆管等公共安全事故。據調查，1942～2006年美國共發生了399次爆管事故，墨西哥、南非、沙特阿拉伯、利比亞人工河工程均出現過大規模的PCCP爆管事故[1]。我國PCCP的應用始于20世紀80年代，截止目前已累計生產管材超過5000km，國外PCCP爆管事故頻發，給我國的PCCP安全運行管理敲響了警鐘。對新鋪設PCCP的質量檢測、舊管線存在的缺陷檢修等方面有巨大需求[2-5]。

PCCP管道工程的復雜多樣性促使管道檢測與監測技術向著裝備智能、運行自主、位置可測的方向發展，以提高其在工程中的實用性。目前應用較多的方法包括回聲檢測法、電磁檢測法、聲波監測法、光纖光柵應變檢測法等，其中比較知名的當屬加拿大Pure公司開發研制的P-Wave電磁檢測技術與SoundPrint聲發射監測技術[1-6]。雖然目前對PCCP管預應力鋼絲斷絲的檢測已有了一些檢測方法和實踐應用，但在PCCP實時監測方面的研究與應用還很少。

本文在深入研究PCCP管道斷絲和泄漏機理的基礎上，結合國內外的最新研究成果，自主研發完成了PCCP管道斷絲、泄漏實時遠程無線監測系統，融合了溫度、濕度、應變等多傳感器檢測數據，實現PCCP健康分析與評估，有效預防爆管等突發性事故。

2 PCCP失效的監測因素分析

根據相關的文獻和PCCP管道內水壓力試驗結果，PCCP的管道結構受力過程可分為五個階段，即預應力鋼絲作用階段、管芯混凝土彈性階段、管芯混凝土塑性階段、鋼筒和鋼絲屈服階段、管道破壞階段。在混凝土管芯成型后，纏繞在管芯外側的環向預應力鋼絲會產生預壓應力，在管道正常運行過程中承擔部分內水壓力，避免管芯混凝土不抗拉產生裂縫。此時，管道內水壓力較小，管道處于彈性狀態。隨著內水壓不斷增大，管芯混凝土會進入塑性階段，產生裂縫，隨后裂縫擴展成通縫，內水壓力的承載主體從管芯混凝土變成鋼絲和鋼筒。當內水壓力繼續增大時，預應力鋼絲和鋼筒進入屈服階段，管道發生徑向變形，鋼筒焊縫開裂產生水滲漏甚至爆管，最終喪失承載能力[7]。

通過上述對PCCP失效過程的分析，可以將鋼絲斷裂或混凝土塑性裂變引起的管材徑向應變、管材混凝土孔隙的溫度和濕度變化等因素作為PCCP安全運行的監測對象。

3 系統總體設計

本文設計的PCCP遠程監測系統如圖1所示，沿著管道走向在地面設置塔桿式監測節點，每個節點有獨立的ID識別號和經緯度坐標，各節點通過GPRS/3G/4G通信網絡將數據發送至遠程監測中心，由上位機軟件實現數據分析、結果顯示、異常報警、故障管道定位等功能。

圖1 整套監測系統組成框圖

每個監測節點由傳感器子系統、太陽能供電子系統、無線數傳子系統組成，如圖2所示。

圖2 每個監測節點組成框圖

本系統的運行過程智能、高效、可靠，通過傳感器采集管道的相關參數，通過鎧裝電纜將數據送入塔桿上的數據采集器，數據組幀打包后由無線數傳模塊通過GPRS/3G/4G等網絡傳輸至Internet網絡，最后傳輸至監測中心。本系統的優點包括：

1）不需要對PCCP進行穿孔等破壞性操作，避免監測系統的引入加速PCCP失效；

2）PCCP生產過程中預先埋入防水耐壓式傳感器，簡化了后續施工過程；

3）采用多傳感器融合的技術，同時監測溫濕度、應變以及動態損傷過程，可以更全面、更迅速的捕捉PCCP的運行狀態；

4）塔桿數據采集系統采取太陽能電池自主供電、低功耗遠程無線數據傳輸技術，大大降低了人力、物力成本；

5）各監測節點有唯一的ID識別號和經緯度坐標，在故障監測同時也實現精確定位。

4 各子系統的設計與實現

4.1 太陽能供電子系統設計

由于該監測系統工作與野外空曠環境，采用遠程集中供電方式顯然施工與維護成本較高，因此本文設計了自主太陽能充電與供電系統，如圖3所示。

圖3 自主太陽能充電與供電原理圖

采用工業級太陽能電池板，工作溫度-40℃～120℃，采用防水防風結構設計，采用2組并聯冗余工作方式，避免單點失效；通過Buck升壓電路及穩壓設計，太陽能供電輸出穩定的+14 V（穩定度±5%），額定輸出功率50 W；蓄電池采用免維護鉛酸電池，容量為12 V/7.2 AH。

控制單元同時檢測太陽能輸出電壓V1與蓄電池電壓V2。當陽光充足時，V1-V2≥0.7V門限值，則控制單元實現太陽能輸出給負載電路供電，同時檢測當V2≤放電門限時，實現太陽能給蓄電池充電；當光照條件變差，0V≤V1-V2≤0.7V時，則控制單元實現太陽能輸出給負載電路供電，不再給蓄電池組充電；當V1≤V2時，通過二極管線或實現蓄電池組給負載供電；當V2≤放電門限時，則控制單元斷開蓄電池輸出開關，保護電池避免過放電，等待陽光充足后系統再恢復供電、充電。

4.2 傳感器子系統的設計

根據PCCP的失效模式，選取預埋式溫濕度傳感器、卡箍帶應變傳感器，如圖4所示。

圖4 PCCP監測傳感器的布置

4.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器預埋在PCCP的外部砂漿防護層中，通過監測絕對溫度、相對濕度變化來表征PCCP鋼筒及混凝土的滲漏情況。

傳感器采用銅燒結防水外殼，水分子無法進入，而空氣分子可以進入，傳感器檢測的是金屬濾網內部腔體的空氣相對溫度、濕度。采用瑞士Sensirion公司推出了SHT15單片數字溫濕度集成傳感器，濕度測量量程為0～100%RH（測量精度±2.0%RH），溫度測量量程為-40～+120 ℃（測量精度±0.3℃），響應時間約3 s。溫濕度傳感器外形見圖5。

圖5 溫濕度傳感器外形圖

SHT10的供電與信號采集變送器放置在塔桿信號箱中，將STH15輸出的串行數據變送為0～5V的電壓信號。溫濕度傳感器信號變送原理見圖6。

圖6 溫濕度傳感器信號變送原理

4.2.2 應變傳感器

采用卡箍式鋼帶纏繞在PCCP外部保護層，卡箍接頭位置用螺栓緊固，螺栓可以預埋在PCCP中，卡箍帶處于預拉緊狀態緊貼在管道外壁，PCCP管壁的彈性和塑性變化引起卡箍帶的應變。用自帶補償的電阻式應變片來測量卡箍帶的應變，如圖7所示，電阻式應變片采用T-1型502膠粘貼在卡箍帶表面，傳感器引線連接到無線數傳子系統的數據采集卡。

圖7 應變傳感器粘貼方式

本文采取的應變片型號為BX350-10AA，敏感刪尺寸為10 mm×4mm，基底尺寸為 18mm×9mm，量程為±5000με，測量精度為1%，為了提高測量精度和可靠度，每個卡箍帶粘貼4個傳感器并取測量結果的平均值，應變與電阻換算關系如下公式所示：

式中，ΔR為傳感器電阻的變化值；R0為傳感器電阻初始值，粘貼后由兆歐表精確測量；K0為金屬材料的應變靈敏系數，在材料彈性極限范圍內為常數。

4.3 無線數傳子系統設計

本文設計的無線數傳子系統由天線、GPRS通信模塊、SIM卡、數據采集卡四部分組成。其中，數據采集卡兼容模擬量、電流量、RS-485、RS-232等接口，讀取各類傳感器的數據；GPRS模塊由ARM處理器、存儲器、射頻模塊及功率放大器等組成，配合SIM卡和天線將該監測節點的組幀數據按照通信協議無線發送至運營商的服務器，實現了無線數傳功能。數傳子系統組成原理見圖8。

圖8 數傳子系統組成原理

4.4 監視子系統設計

監視子系統由GPRS/互聯網數據中轉服務器及其協議、虛擬串口協議、計算機及監視軟件組成，建立GPRS-DTU模塊與監視計算機虛擬串口之間透明傳輸通道，采用組態軟件編制監視軟件，可以按照設備ID順序，直接讀取各個GPRS-DTU模塊的采集數據，在軟件相應參數位置和曲線中顯示結果。軟件中可以設置各個參數的報警閾值，當某參數的數據超過閾值時，軟件將發出警報提醒值班人員。監視子系統的通信過程描述見圖9。

此外，監視系統不僅可以讀取遠程遙測數據，還可以返向遠程發送指令，GPRS-DTU模塊可以通過RS-485串口（例如Modbus儀表協議）或者12V脈沖指令對管道閥門、配電箱繼電器等關鍵環節進行打開與關閉控制，實現遠程及時搶修，避免次生災害的發生。

5 系統試驗驗證

將上述各子系統進行集成，采用單個GPRS-DTU模塊插入SIM卡遠程通信，在監視計算機軟件中實現了PCCP傳感器數據的采集，數據更新速率為幀/0.5s，系統工作穩定。單節點監測系統設備見圖10。

圖10 單節點監測系統設備

監視軟件頁面見圖11。

圖11 監視軟件頁面

6 結論

本文依據PCCP運行的失效原理分析，提出了一種PCCP遠程無線安全監測系統的設計方法，用于對PCCP進行健康評估與管理。該系統采用溫度、濕度、應變檢測等多種智能傳感技術，野外監測設備利用太陽能電池、鋰電池綜合配電方式，通過GPRS/3G/4G等無線通信手段將PCCP監測數據傳送至監測中心。通過系統集成、調試和試驗驗證，本系統運行穩定，可遠程實現PCCP的遠程安全監測功能。

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