基于光纖傳感系統的管道動力響應安全檢測與分析

張國寧

(山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

受服務年限及運行環境影響，我國城市供水管道出現了不同程度的損傷，進而引發了城市供水管道泄漏，城市居民生活和工業生產供水均受到嚴重影響[1- 3]。為此，我國學者展開了大范圍的研究。然而，現有研究多是從供水管道修復角度展開，如，引入修補材料等[4- 6]。而在供水管道修復中，管道損傷的快速檢測往往是較大的挑戰。研究開發出行之有效的管道損傷快速檢測技術，不僅有利于快速開展管道泄漏點的修復工作，還可以基于該技術在管道破壞之前便發現損傷，并展開修復，防止問題的產生[7]。本次研究基于現場試驗，深入驗證了MOFDS系統在供水管道損傷檢測中的應用可行性。研究成果為我國城市管道損傷檢測和修復工作提供了借鑒作用。

1 微結構光纖傳感技術

在構建MOFDS系統過程中，需要使用布拉格光柵陣列(Fiber Bragg Grating)作為微結構的傳感單元，具有精度高、使用可靠的特點。據此，結合相關結構模式耦合基本理論，我們可以得出：

R=tan2(kL)

(1)

(2)

式中，R—是反射率，%；P—是橫向傳播距離，m;k—折減系數;L—長度，m;Δλ—帶寬，dB；λB—波長，m;Δn—反射角，(°);neff—有效的反射角，(°)。根據現有研究結果表明，MOFDS系統在檢測領域具有非常好的應用前景，其具備精確高、速度快、能夠長距離應用的優點。綜上所述，將MOFDS系統應用到城市長距離供水管道的損傷監測和中具有很廣闊的應用前景。

2 試驗設計

2.1 工程背景

本次研究依托于我國某城市供水管道修復工程項目，根據現場調查與相關資料查閱顯示，該城市目前市區供水管網總長超過480km，其中，修建于20世紀60年代的供水管網長度超過140km，修建于20世紀70年代的供水管網長度超過80km，修建于20世紀80年代的供水管網長度超過70km，修建于20世紀60年代的供水管網長度接近100km。目前，該城市的管道存在較多問題，其中最為廣泛、頻次最高的問題就是管道的泄漏問題。由于服務年限較長，管道出現了老化損傷、漏失率高和維修率高。

2.2 光纖布置

根據調查，本次研究的小區管道修建于20世紀70年代，后經歷過斷斷續續的多次維修與修補。根據調查顯示，沿該小區的供水管道分布有不同長度、不同類型的管道損傷結構。本次試驗的研究對象為長度為10m供水管道，通過試驗段上不同檢測位處粘貼微結構光纖，實現對振動荷載下管道聲波信號檢測。

2.3 試驗方案

為深入分析MOFDS系統在城市供水管道損傷檢測中的應用可行性，本次現場試驗研究共設計了不敲擊、正點敲擊、相鄰檢測位敲擊及持續振動荷載共4種條件下供水管道的檢測試驗。本試驗的主要目的在于驗證MOFDS系統在城市供水管道損傷檢測中的應用可行性，因此設計了兩部分試驗。其中，第一組試驗是利用持續的振動荷載對管道進行敲擊，獲得聲波信號的3D展示圖，從而驗證MOFDS系統的應用性能；第二組試驗是在供水管道上不敲擊或通過敲擊不同地方，探討MOFDS系統的檢測性能及其在供水管道損傷定量分析中的應用可行性。

3 MOFDS系統損傷監測初步應用分析

當利用持續振動荷載沿管道方向對供水管道進行敲擊時，可得到供水管道完整的振動信號，試驗結果如圖1所示。圖1為振動信號下管道信號的3D展示圖，圖中x軸表示不同檢測檢測位的相對空間位置，y軸則為時間，z軸表示的是振動信號的強度。由圖可知，在供水管道中，振動所造成的聲波信號的傳輸是逐漸衰退的，且衰退速度高于聲波在完整管道傳遞中的衰減速度，這說明各管道階段中均存在損傷。此外，不同檢測位下，聲波信號的衰減速率不同。經過細致對比時間和空間檢測位坐標，我們可以發現，在第4檢測位、第14檢測位和第27檢測位附近，振動聲波信號的衰減速率要顯著高于其他檢測位的衰減速率，而第9檢測位和第19檢測位處衰減速率則顯著低于其他檢測位的衰減速率。根據上述試驗結果我們可以判斷，該供水管道在第4檢測位、第14檢測位和第27檢測位處的損傷較為嚴重，因此相對而言，振動聲波的損耗率也顯著高于其他檢測位；而在第9檢測位和第19檢測位處管道較為完整，管道的損傷程度很小，因此聲波信號的損耗程度也相對較小，振動聲波的衰減速率也很慢。

圖1 持續振動荷載影響下全管道振動信號三維顯示結果

4 管道監測信號定量分析

4.1 無干擾荷載

基于現場試驗，得到不敲擊條件下城市供水管的振動聲波信號試驗結果如下圖2所示。由圖2可知，在無敲擊的條件下，城市供水管道上反饋回來的信號是比較微弱的，由此可見，系統初始干擾信號的干擾程度可以忽略不計。進一步觀察圖2可知，系統導致的信號強度均地域0.06，而檢測裝備可檢測到的最大信號強度是3.14。綜上所述，無敲擊干擾條件下干擾信號的干擾程度低于5%，這對于整體試驗結果是可以接受的，因此可見，本次試驗的干擾因素是可以忽略不計的，其對檢測試驗結果的影響很小。

圖2 無干擾條件下管道振動信號試驗結果

4.2 正點敲擊與鄰近點敲擊對比

鄰近敲擊和正點敲擊情況下，供水管道的電信號反饋結果如圖3所示，圖3(a)與圖3(b)分別代表了敲擊相鄰檢測位及敲擊對應檢測位兩種不同情況下城市供水管道的振動信號試驗結果。由圖3可知，當利用鐵錘敲擊管道后，管道開始劇烈震動，并反饋出比較強烈的振動信號；而隨著振動波的不斷傳播，MOFDS系統所收到的振動信號則展示出類阻尼振動的變化趨勢，即管道的信號隨振動時間呈現出指數型衰減的變化趨勢。同理，正點敲擊情況下，振動信號也表現出的相同的變化趨勢。進一步對比臨近敲擊(2m)和正點所獲得的信號之間的差異，由圖4可知，當錘子進行正點敲擊情況下，最大的信號強度能夠達到2.8；而敲擊相鄰檢測位條件下，檢測位所能檢測到的最大信號強度值較正點敲擊檢測位條件下降低35.71%。筆者認為，當管道不同檢測位之間存在不同程度的損傷時，敲擊情況下管道的動力響應特征信號會被弱化，聲波信號在供水管道中傳播也會發生損耗，因此反饋回來管道的振動信號強度也有所降低。綜上所述，通過在供水管道不同檢測位處合理的設置多個MOFDS系統檢測檢測位，當在管道不同的部位進行敲擊后，反饋到系統中的信號強度就存在一定的差異，因此可以清楚了解到供水管道損傷發生的具體位置；此外，信號強度的不同也可以在一定程度定量反應管道的損傷程度。

圖3 正點敲擊與鄰近點敲擊驗管道振動信號試驗結果

5 結語

(1)持續振動荷載下，振動所造成的聲波信號在供水管道上的傳輸是逐漸衰退的，且衰退速度高于聲波在完整管道傳遞中的衰減速度，這說明各管道階段中均存在損傷。不同檢測位下，聲波信號的衰減速率不同，由此可以初步判斷供水管道的損傷發生點。

(2)當錘子進行正點敲擊情況下，最大的信號強度能夠達到2.8；而敲擊相鄰檢測位條件下，檢測檢測位所能檢測到的最大信號強度值較正點敲擊檢測位條件下降低35.71%，基于MOFDS系統可以初步定量分析供水管道的損傷程度。

(3)本次研究所探討的情形較少，檢測結果也僅能判斷供水管道損傷發生具體位置和大致程度，不能判斷損傷的類型，下一步可以針對信號的不同特征，開展損傷類型的判斷研究工作。