新型光纖傳感器在管道滲漏監(jiān)測中的應(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)用湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070)

市政供水、生活污水、工業(yè)廢水等給排問題[1]是民生的基本保障之一。地下綜合管廊對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產(chǎn)損失，事故主要原因是管道長期使用導(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)測系統(tǒng)是地下綜合管廊正常運營的重要基礎(chǔ)。基于此背景下，越來越多的學(xué)者開展了管道滲漏監(jiān)測研究。

滲漏監(jiān)測成為管道安全運行必須首先解決的關(guān)鍵問題。目前管道滲漏常用的監(jiān)測方法主要包括直接觀察法、超聲波漏水監(jiān)測法[3]、氣體示蹤劑監(jiān)測法[4]、壓力傳感器監(jiān)測法[5]、聲壓傳感器監(jiān)測法[6]等。軟件方法包括GPS時間標(biāo)簽法[7]、基于SCADA系統(tǒng)法[8]、負(fù)壓波監(jiān)測法[9]。這些方法存在對滲漏響應(yīng)時間較長、定位精度差以及誤報率較高等問題。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)行長距離、分布式的準(zhǔn)確測量等優(yōu)點，在管道滲漏監(jiān)測中具有巨大應(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)者通過利用光纖布拉格光柵(FBG)[11]、布里淵光時域分析(Brilloulin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)[12]、拉曼光時域反射(Raman Optical Time Domain Reflectometer，TOTDR)[13]等光纖感測技術(shù)，直接對管道溫度進(jìn)行實時測量，完成滲漏監(jiān)測[14]。近年來美國OILTON公司開發(fā)出一種機(jī)載紅外監(jiān)測技術(shù)[15]，通過直接測量輸送物資與周圍土壤的細(xì)微溫差來判斷管道是否發(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)測效果受到季節(jié)氣候和使用地點的溫度變化的影響，其使用范圍受到很大限制。

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

1 管道滲漏監(jiān)測原理

通過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量得到的各點溫度變化趨勢與無滲漏時不一致，通過數(shù)據(jù)分析，結(jié)合出現(xiàn)異常溫度測點的位置，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，管壁上滲漏出來的介質(zhì)由于重力因素，沿導(dǎo)流槽流動。導(dǎo)流槽形狀為波浪狀，其最低點處為測溫點，可實現(xiàn)滲漏介質(zhì)在測溫點匯聚，從而迅速產(chǎn)生較高的溫度差，便于及時地監(jiān)測滲漏情況，減少不必要的損失。

以水為例，探究發(fā)生滲漏后，傳感器測溫點監(jiān)測區(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為從滲漏處到測溫點水的流量(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溫點的時間(s)。

不計熱量損耗，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間(s)。

其中：

(5)

聯(lián)立式(1)～式(5)可以總結(jié)出流速v與測溫點監(jiān)測區(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，溫度沿測溫點監(jiān)測區(qū)域的變化梯度就越大，使得監(jiān)測效果越明顯。

2 有限元仿真分析

采用有限元分析軟件模擬實際實驗情況，通過建立有限元模型，進(jìn)行溫度場的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析。研究滲漏前后兩個階段，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 ℃，施加熱對流載荷，經(jīng)過短暫時間(30 s左右)，新型光纖傳感器經(jīng)過加熱升溫至24 ℃左右，經(jīng)過穩(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)水流過某一測溫點時，其周圍區(qū)域的溫度均會發(fā)生變化，其規(guī)律是測溫點處溫度最低，向左右兩側(cè)溫度逐漸升高，溫度變化蔓延一定區(qū)間后，會穩(wěn)定下來。熱場分析中，在光纖升溫趨于穩(wěn)定后(24 ℃左右)，通過在測溫點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 光纖上測點溫度變化曲線

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

3 實驗內(nèi)容

在被測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 實驗裝置簡圖

實驗采用分布式的光纖光柵傳感器，每個光柵所在位置形成測溫點，光柵每隔15 cm布置一個，一共布置8個，共計8個測溫點。

為便于對管道不同位置滲漏進(jìn)行實驗?zāi)M測試，驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)計在不同位置、角度安裝了3個閥門模擬介質(zhì)滲漏。

進(jìn)行模擬滲漏前，采用13 V、0.9 A的交流電對碳纖維層進(jìn)行加熱。在實驗中，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)點是既能保證傳感器不會有漏電隱患，又能將絕大部分熱量傳遞給光纖光柵傳感器。實驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 實驗現(xiàn)場圖

工況①：單點滲漏。在對碳纖維層加熱完成后，分別記錄3處不同位置的閥門獨立發(fā)生滲漏時，其附近測溫點的溫度變化情況。

工況②：多點滲漏。在對碳纖維層加熱完成后，將3處閥門打開，同時發(fā)生滲漏，記錄此3處附近測溫點的溫度變化情況。

閥門安裝位置如圖7所示。1號閥門的位置對測溫點1影響最大；2號閥門的位置對測溫點5影響最大；3號閥門的位置對測溫點8影響最大。主要研究1、5、8這3個測溫點的溫度隨時間的變化情況。

圖7 閥門安裝位置示意圖

最小閾值測試：該方法需要滲漏介質(zhì)對感溫光柵區(qū)域有溫度上的影響，因此必須通過實驗測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，待各測溫點數(shù)據(jù)超過室溫，調(diào)整激勵的電壓直到光纖傳感器測量溫度高于室溫6 ℃且穩(wěn)定后，采集在整個過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算流量。采用1 min滲漏計時，經(jīng)過多次實驗和滲水量的調(diào)整，對比分析得出此法能夠監(jiān)測的最小水流量為180 mL/min。

4 實驗結(jié)果分析

將光纖傳感分析儀分析軟件中的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制各個測溫點的溫度隨時間變化的曲線。加熱階段結(jié)束時，打開1號閥門，可觀察到接收滲漏位置(此處為測溫點1)的溫度較其他測溫點有較大變化，如圖8所示。

圖8 測溫點溫度隨時間變化曲線

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

圖11 測溫點8溫度變化曲線

工況①分析：3個測溫點變化趨勢一致，以測溫點1為例，如圖9所示，0～30 s時為管道及光纖處于室溫18 ℃的情況；30 s開始到130 s時為碳纖維被加熱，光纖溫度隨之升高并趨于穩(wěn)定的過程；從130 s開始到175 s為測溫點采集溫度變化的過程；175 s后為關(guān)閉閥門，滲漏解除，溫度逐漸回升的過程。

圖9 測溫點1溫度變化曲線

圖10 測溫點5溫度變化曲線

分析以上3個測溫點采集溫度變化的過程可得各測溫點降溫速率如表2所示。

表2 測溫點降溫速率表

3個點的監(jiān)測滲漏效果都比較明顯，在滲漏處均有5 ℃左右的溫度波動，且對滲漏的響應(yīng)時間均較短暫，可以從分析軟件很直觀地觀察到測溫點溫度降低，驗證了此法對于微量滲漏監(jiān)測的有效性。測點8降溫速率較其他點慢，分析原因可得，在滲漏時，管道斜壁側(cè)水流呈噴射式流出，會使測溫點較難捕捉到水流，使其降溫速率下降。

工況②情況下，3處閥門同時打開，3個測點的溫度變化情況如圖12所示。

圖12 3個測點溫度變化曲線

工況②分析：從圖12中可以看出，每個點數(shù)據(jù)的變化趨勢與單獨滲漏的變化趨勢相同。3個受水溫影響的測溫點均能下降5～6 ℃，其中測溫點8溫度開始降低的時間比其余兩點早10 s,分析原因，此點位置距離測溫點較近，且此處導(dǎo)流槽匯聚水流效果較好，相對其余兩處測溫點可更早地顯示出溫度下降情況。3點同時發(fā)生滲漏的曲線結(jié)果可與單獨發(fā)生滲漏的結(jié)果相對應(yīng)，雖有較小差別，但均有較明顯的溫度下降，結(jié)合該測溫點的位置，由此得出發(fā)生滲漏的大致位置，再次驗證了此法用于監(jiān)測管道滲漏的有效性。

5 結(jié)束語

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