基于FBG机械连接部件微渗漏监测应用
时间：2023-02-10 12:55:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡 健，雒 燕，刘 瑾，魏世杰，何承宗，李明阳，张晨阳
(1.南京审计大学 工程审计学院，江苏 南京 211815；
2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 211100)
大型密闭输送系统如地下综合管廊、隧道、油气管线等结构复杂、规模较大，难以进行一体化施工制造，必须预制部件或分段施工后连接各个部分以形成完整的输送通路。各结构连接处往往成为整个输送系统的薄弱环节。在工程应用中需要设计各种机械连接结构以加强结构连接处的机械强度。长时间运行的机械连接结构最终会出现疲劳、松动、磨损、松脱、契合度降低等失能现象，无法始终维持设计强度。在内容物压力作用、设施老化磨损、第三方破坏、其他外部载荷等不利因素的长期影响下，机械结构连接位置处与一体化部位相比存在更严峻的渗漏风险。连接结构的各类失能现象常以微观形式发育，发生在连接部位的渗漏事故大多以微渗漏形式开展。微渗漏潜伏时间长、不易被察觉，被发现时往往已经产生严重的安全或经济损失。因此，探索可应用于大型密闭输送系统机械连接部位微渗漏的实时检测技术，及时发现发育中的微渗漏风险至关重要。
伴随着渗漏监测技术的发展和细化，国内外开发出多种多样的渗漏检测方法。常用的方法可分为硬件方法和软件方法[1]两大类。硬件方法包括利用声学传感器、示踪剂、压力传感器等进行监测；
软件方法包括负压波监测、小波分析法、数据采集与监视控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系统法、GPS时间标签法、超声波监测法、应力波法等[2-7]。但上述几种方法往往存在灵敏度低、成本高、监测不及时等问题，不适用于输送系统机械结构连接处的微渗漏监测。光纤监测技术抗干扰能力强、精度高、安全稳定，在监测密闭输送系统微渗漏领域具广阔的应用前景。目前，国内外学者[8-10]已经为运输系统的安全监测开发多类光纤传感监测技术。王相超等[11]采用脉冲预泵浦布里渊光时域分析仪(Pulsed Pre-Pump-Brillouin Optical Time-Domain Analysis，PPP-BOTDA)技术对管道侧向变形进行监测，分别测量聚氯乙烯(PVC)管道的侧向变形挠度和变形方向，试验结果表明传感器测量挠度变化与百分表实测值误差在3.68%以内，变形方向的推算值与实测值较为吻合；
朱新民等[12]采用分布式振动光纤并结合压力传感技术开展对输水管道爆管预警系统的研究，通过高频、高精度地采集水压监测数据，建立扰动信号与管道渗漏之间的关系，从而起到爆管预警作用；
REN等[13]提出一种基于时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)干涉型光纤传感器阵列的管道防破坏监测系统，以实现埋地管道的防破坏监测，试验结果表明，通过对解调后的相位信号特征值进行判别，可实现有效的防破坏报警。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感技术对应变和温度具有敏感性，在安全监测领域也越来越受到重视。任亮等[14]利用FBG应变箍传感器测量管道的平均环向应变，实现了对管道局部腐蚀的实时监测；
赵雪峰等[15]提出一种主动加热测温光纤的方法用于监测海底管道，并设计试验和数值模拟分析其可行性，取得了良好的效果；
王德洋等[16]利用FBG传感器测量地面沉降时管道的受力变形规律，为埋地管道安全预警提供一种新方法。
在上述研究基础上，本文针对大型密闭输送系统机械连接结构处存在的微渗漏风险监测问题，设计一种基于FBG的机械连接结构微渗漏监测方法，并设计一系列室内试验分析不同因素对监测灵敏度的影响，为机械连接结构处微渗漏监测领域提供理论基础和技术支持。
1.1 FBG传感器温度测量原理
FBG通过紫外写入的方法永久性地改变纤芯的折射率，使纤芯折射率沿着纤芯轴向呈现周期性变化，从而形成空间相位光栅。光栅在纤芯内形成一个个只会反射特定波长光波的透镜，外界环境条件(温度或应力)会影响其光学性质。
当一束广谱入射光进入光纤时，FBG只会反射指定波长的光，其他波长的光线几乎不受影响地透射传播，其原理如图1所示。反射光波长被称为布拉格波长λB，当反射光波长满足下列条件时被反射：
λB=2neffΛ
(1)
式中：neff为有效折射率；
Λ为光栅间距。
温度与应变的变化均能影响光纤有效折射率及光栅间距的大小，从而导致布拉格波长λB的移位。反射光波长随应变及温度的变化规律可归纳为
(2)
式中：Δλ为布拉格波长变化量；
Pc为光纤光学灵敏系数；
ε为光纤受外力影响发生的轴向应变；
α为热膨胀系数；
ξ为光纤温度光学灵敏系数；
ΔT为温度变化量。
图1 FBG原理示例
由式(2)可知当光纤的应变为0时，其布拉格波长变化量Δλ与温度变化量ΔT呈线性关系，因此FBG可用于测量温度变化。
1.2 基于FBG温度计的微渗漏监测原理
根据干湿球湿度计的测量原理，设计一种基于FBG温度计的微渗漏监测方法，原理如图2所示。其构造为将2支相同的FBG温度计分别置于管道接口上下两侧，其中：一支位于上侧保持干燥，用于测量气温t1；
另一支用纱布包裹温度计球部，固定于机械管道接口下方，示数用t2表示。当监测点发生渗漏时，位于下方的温度计表面纱布被润湿，湿球表面水汽不断蒸发吸热，降低湿温度计示数t2，因此干温度计示数高于湿温度计示数。根据干湿温度计差值Δt的变化，可判断监测点是否发生渗漏。
图2 监测原理示例
由相关规范[17]可知，Δt的变化受温度计所处环境的温度、风速、气压、相对湿度等因素的影响。假设渗漏液体是温度接近气温的水，则Δt满足：
(3)
式中：eω(t1)、eω(t2)分别为对应温度下的饱和水汽压，MPa；
U为空气相对湿度，%RH；
A为温度计的干湿球系数，℃-1，与风速和气温有关；
P为大气压，MPa。由此可知，针对一处管道进行监测时，根据其环境参数的不同，Δt变化幅度也不同。
2.1 试验装置
为了更贴合待测机械管道的实际情况，选择相对密闭的环境进行模拟试验。试验装置包括待测管道、温度传感装置、数据采集装置、风速测量仪、环境湿度计，试验中所需测量的管道为长2 m、内径75 mm的PVC管，管身某处存在微裂隙，形成渗漏点。温度传感装置由3支FBG温度计及固定环组成，分别用于测量管道内液体温度、管道外环境温度及渗漏处温度。试验所用FBG温度计型号为NZS-FBG-TM(E)，测量数据通过跳线传输至FBG解调仪进行分析，FBG解调仪型号为NSZ-FBG-A04；
采用DT-625型湿度计测量环境湿度，AS8336型风速仪测量监测点环境风速。试验装置布置如图3所示。
图3 试验装置示例
2.2 试验过程
根据已有研究文献，为了研究水温对监测结果的影响，分别设计并进行初始水温为室温、高于室温的微渗漏监测试验；
为了研究环境风速对监测结果的影响，设计并进行有风环境下微渗漏监测试验。
试验1：室温水监测试验。将自来水放置足够长时间达到室温，用外力使管道接口处出现微裂隙，用以模拟管道接口渗漏；
然后将室温水倒入待测管道，开始记录FBG温度计数据，并且始终保持管道中有足够的水。试验过程中用风速测量仪记录微裂隙下方FBG温度计处的风速。试验持续记录约2.5 h。
试验2：高温水监测试验。与试验1使用相同装置，并采用恒温壶将自来水加热至50 ℃左右，加热完成后立即将水注入PVC管道中，分别使水温维持恒温和自然冷却至室温进行2次试验，试验过程中同样用风速测量仪记录微裂隙下方FBG温度计处的风速，同时开始记录数据。试验持续记录约2.5 h。
试验3：有风环境监测试验。与试验1使用相同装置，并将风扇放置于管道一侧，风向沿管道对准微裂隙下的FBG湿温度计。其余操作与试验1保持一致。
3.1 室温水监测试验
图4为试验1结果。由图4可知：在试验过程中监测环境的干温度计示数较为稳定，当注入室温自来水的管道接口处出现渗漏时，贴合于管道接口的湿温度计示数随着时间推移不断降低，干湿温度计示数的温度差相应地快速上升；
经过1 000 s左右后湿温度计示数变化幅度大幅下降，随后保持在一定范围内，温度差表现为先快速上升后趋于稳定。在温度差最开始的上升阶段，从管道渗漏出的水接触到湿温度计后发生蒸发，带走湿温度计周围的热量；
温度差稳定阶段意味着湿温度计周围水分蒸发带走的热量与环境温度达到平衡状态。由温度差的变化趋势可明显看出，在渗漏刚发生时FBG温度计可迅速对渗漏产生反应，并在1 800 s左右形成稳定温差，约1.81 ℃。根据FBG温度传感器实时监测得到的温差变化数据，可及时发现管道接口处发生的渗漏现象，且当干湿温度计温差越大时监测预警误报的可能性越小。为了尽可能排除环境因素的影响，取稳定温差的一半即0.9 ℃为报警阈值。0.9 ℃远大于FBG温度传感器的精度，因此当干、湿温度计差值达到报警阈值时，可认为已经发生渗漏。由图4可知，当渗漏发生600 s后，温度差已达0.93 ℃，因此取600 s为室温水渗漏监测时的预警响应时间。
图4 室温水监测试验结果
3.2 高温水监测试验
高温水监测试验中将水体温度控制在(50.00±1.00)℃，取试验数据前200 s进行分析。图5所示为50.00 ℃恒温水监测试验结果。由图5可知，当水体温度维持在50.00 ℃时，温度差基本保持稳定，平均温度差为22.83 ℃。这是因为此时渗漏水体温度远高于环境温度，湿温度计示数受高温水体影响较大，抵消了水分蒸发带来的热量损失。FBG温度传感器可通过识别高温水渗漏造成的干湿温度计温差，从而对渗漏的发生进行预警。取10.00 ℃为报警阈值，当FBG温度传感器监测到温度差处于异常状态持续20 s时，可认为机械连接部件正在发生渗漏。
图5 50 ℃恒温水监测试验结果
3.3 水温对监测结果的影响
为了更好地分析水温变化对监测结果的影响，对水温从50.00 ℃自然冷却至室温的条件进行监测试验。图6所示为试验结果。由图6可知，记录气温的干温度计示数始终保持稳定，而监测点下方的湿温度计示数持续下降，温度差表现为先大幅度下降随后缓慢上升。在注入远高于室温的自来水的管道出现渗漏时，贴合于管道渗漏处的湿温度计受水温影响较大，因此试验开始时湿温度计示数远高于干温度计示数；
在试验过程中，由于管道内的水高于环境温度，热量不断从水传递至环境中，水温持续下降，同时干、湿温度计示数差相应地不断降低；
经过4 800 s左右后温度变化幅度大幅下降，随后保持在一定范围内。温度变化时间跨度长，温度计持续对温度产生反应。
图6 水体自然冷却监测试验结果
为了更清晰地反映不同时间段内温度的变化，分别选取试验过程中0～8 000 s 前后2个阶段的试验数据进行详细分析，试验结果如图7和图8所示。
图7为水体自然冷却监测试验中时间进程4 000～8 000 s的试验结果图。由图7可知：当试验进行至4 000 s时，湿温度计示数仍在快速下降，干温度计示数相对稳定，并且湿温度计示数大于干温度计示数，干、湿温度计示数差值与湿温度计示数变化趋势保持一致；
当试验进行至4 800 s时，湿温度计示数与干温度计示数近乎相同，干温度计示数仍保持稳定，湿温度计示数下降幅度变缓，随后温度差变化趋势与湿温度计示数变化趋势相反，开始缓慢上升；
当试验进行至7 500 s时，湿温度计示数相对稳定，温度差也同样趋于稳定，并在8 000 s 左右形成稳定温差，约1.17 ℃。
图7 水体自然冷却监测试验4 000 s后结果
图8 水体自然冷却监测前80 s结果
在试验过程中当湿温度计示数快速下降时，湿温度计示数高于干温度计示数，说明此时湿温度计示数受管道内水体温度变化影响更大，温度差变化趋势也与湿温度计示数保持一致；
当干、湿温度计示数趋于相同时，温度差达最低点，随后温度差开始缓慢上升，说明此时水分蒸发造成的热量损失大于热水带来的热量，因此会出现湿温度计示数下降而温度差上升的现象；
随着试验的进行，管道内的水体温度趋于室温，湿温度计示数也趋于稳定，最终形成稳定温差。
图8为水体自然冷却监测中前80 s的试验结果。由图8可知，在渗漏初期FBG温度计可对温度变化迅速产生反应，温度差整体呈下降趋势，在80 s内温度差降低超过2.00 ℃，高温液体渗漏后温度改变速率明显大于常温下液体渗漏温度改变速率。与图5相比，当水温自然冷却时干、湿温度计差值也随之呈下降趋势，这也说明在水温远大于室温的情况下，温度差受水温影响更大。
由上述分析可知：当水温接近室温时，FBG可以产生反应，识别温度差异，对渗漏进行预警。当水温远高于环境温度时，FBG可以在较短时间内迅速对温度的变化产生反应，从而有效地对渗漏进行预警；
从50.00 ℃至室温的不同温度下FBG传感器都可识别温度差的变化，实现对渗漏风险的及时预警。因此，本方法更适用于监测渗漏液体温度远大于环境温度的情况。
3.4 有风环境监测试验
图9所示为试验3有风环境监测的试验监测结果。
图9 有风环境监测试验结果
由图9可知：在试验开始阶段干温度计示数呈上升趋势，湿温度计示数呈下降趋势；
随着试验的进行，干温度计示数出现小幅下降，湿温度计示数小幅上升，随后二者均趋于稳定；
干、湿温度计示数差呈现出与干温度计示数相同的变化趋势。在试验开始阶段，由于干温度计周围空气与风扇吹出的风相互摩擦，使空气分子动能加强，干温度计示数出现上升现象；
同时在高风速影响下，湿温度计处的渗漏水分蒸发作用加强，周围空气被带走更多热量，使湿温度计示数快速下降；
随着试验的进行，高温区域将热量对流给低温区域，高风速扰动的空气造成的影响被周围空气缓和，干温度计示数出现小幅下降，湿温度计示数出现小幅上升，最终趋于稳定，温度差也在出现小幅下降后趋于稳定，约2.28 ℃，比同条件下风速为0 m/s的试验1的稳定温差提高约0.47 ℃。试验3中的平均风速为1.3 m/s，可见风速的增加对稳定温差的提高有积极作用。由图9还可知，当试验进行至约300 s时温差达0.97 ℃，远大于FBG温度计的精度，通过FBG传感器监测得到渗漏造成的明显温差变化可作为判定机械连接部件出现渗漏的依据。
针对大型密闭输送系统机械连接结构处存在的微渗漏风险问题，设计一种机械连接结构微渗漏监测方法。为了探究不同因素对监测效果的影响，设计进行一系列室内试验，表1所示为试验得到的参数，对比分析得到如下结论：
表1 试验渗漏监测结果参数
(1) 当渗漏水体温度为室温时，利用本方法进行监测得到的温差可达1.81 ℃，说明此方法可用于机械管道微渗漏监测。
(2) 当渗漏水体温度高于气温时，FBG传感器反应更加迅速。对于50 ℃水体渗漏监测，本装置能够持续监测到平均22.83 ℃的温差，有效预警机械管道中发生的微渗漏，同理此法也适用于水体温度远低于环境温度的微渗漏监测。
(3) 高风速能够加快渗漏水分蒸发，带走更多热量，缩短监测装置响应时间。在1.3 m/s风速条件下监测室温水的稳定温差增加0.47 ℃。因此，此方法也适用于有风环境下的机械管道微渗漏监测。
本方法对报警阈值的取值较为保守，在实际应用中还可通过调整阈值大小控制预警响应时间。在实际应用时应该根据环境条件进行参数修正，以实现更好的监测效果。今后可结合波分复用技术对本方法进行改进，利用分布式光纤技术实现分布式监测，同时对相关因素对本方法的影响进行定量研究，使本方法可更好地适应各种工况，以便更快、更精准地实现对机械连接结构处存在的微渗漏风险的分布式监测。
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