PCCP分布式光纤断丝监测技术研究.docx

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PCCP分布式光纤断丝监测技术研究

科技项目申请书

PCCP分布式光纤断丝监测技术研究

南京航空航天大学

2017年2月

简表

3、

4、

[研究内容]针对现在国内外大口径PCCP管道中预应力钢丝因腐蚀断丝造成爆管等问题，研发基于分布式光纤的断丝监测技术。

研究内容主要包括：

1、1、分布式光纤传感器与管道粘结方式研究，光纤布置方式研究；

2、2、断丝引起光纤中的布里渊散射光的频率漂移量与光纤所受的轴向应变关

系研究；

3、通过合理的光纤布设方式实现断丝识别，断丝根数跟踪监测；

4、利用有限元仿真分析，探讨断丝根数与PCCP发生爆管之间的规律。

[研究目标]

针对现在国内外大口径PCCP管道中预应力钢丝因腐蚀断丝造成爆管等问题，研发基于分布式光纤的断丝监测技术，达到预应力钢丝断丝实时在线监测。

填补国内外利用光纤技术监测预应力钢丝断丝的空白。

形成企业自己的知识产权和核心竞争力，掌握利用分布式光纤监测预应力钢丝断丝的的专属技术，有效提升企业在行业中的形象和知名度。

通过创新，达到引领行业发展的目标。

[预期成果]

1、研发基于分布式光纤的断丝监测技术，实现预应力钢丝断丝实时在线监测。

2、提交研究报告，在国内外核心期刊上发表3~5篇研究论文，申请专利1~2项。

一、研究项目的科技依据

[项目背景]

从20世纪40年代起，美国在大口径、长距离高压输水工程中大量使用PCCP。

PCCP在国内的应用始于1988年，目前已广泛应用于我国的水利、电力、市政给排水等多个领域，年设计生产能力已达上千公里。

PCCP管道在生产及运行过程中，由于受到周边各种因素的影响，对PCCP管道的

预应力钢丝产生腐蚀，部分钢丝腐蚀后可进一步发展到断丝，如果PCCP管道的同一部位出现多股断丝，管道强度将显著降低，并最终导致爆管。

因此，在PCCP管道运营过

程中，需要采用有效的技术手段，建立一套针对PCCP管线安全运营的在线监测系统，对PCCP管道进行实时监测，实时发现和记录PCCP管的损坏状态，并及时进行维修处理，减少安全事故的发生。

PCCP作为一种新型组合结构管材，目前国内外众多学者对大口径PCCP管道进行了一些研究，并得出一些有参考价值的结论。

但是对于判断超大口径（如直径2~4m）PCC原型管断丝检测试验及相关的检测技术的研究很少。

意大利有一套PCCP管道断丝检测设备，但技术保密且价格昂贵，因此急需开发具有国内自主知识产权的大口径PCCP管

道的断丝检测技术。

[PCCP管道断丝监测的国内外研究概况]

1、PCCP管道断丝对安全性影响的国内外研究进展

据相关文献，美国在最近的50年中铺设使用的PCCP己发生了多起管道破坏事故。

美国混凝土压力管协会（ACPPA）非常重视PCCP破坏的原因和机理。

他们在有关的技术报导中称:

在已提出破坏报告的118项报告中，大多数是由外部环境对预应力钢丝引发腐蚀所致。

PCCP的破坏或者说预应力钢丝的破坏，在过去的20年中曾归因于很多原因，如保护层质量差，预应力钢丝质量差，管顶覆土荷载超出设计允许值使砂浆开裂损坏，埋置在较为严重的腐蚀环境下却未加任何保护措施等。

MehdiZarghamee（2003）等提出了考虑断丝数量、使用年限、损坏情况和强度极限的风险压力曲线，以及修补断丝的方法。

法国学者Diab（2005）对钢丝不同的受损行为进行了分析，并研究了对的承载能力的影响。

Rregory.J.Henry等分析了美国休斯顿市几起典型PCCP事故的起因，指出了管道埋置深度超过设计值，额外荷载会导致钢丝氧脆现象。

Rregory.J.Henry对2006年美国圣地亚哥市事故的原因进行分析，运用声学光纤监测系统对PCCP进行安全评估。

RudyLoera（2007）建立了可靠性系统，指出系统中最重要的是预应力钢丝，并对断丝的形式、断丝影响区域进行了分析，对纵向裂缝和环向裂缝进行了分析，并指出了断丝和裂缝的危害性。

BrianJ.Mergelas（2007）对管道进行了风险分析和风险管理的研究，并通过检测管道断丝情况、断丝数量及所处位置。

研究了利用电磁和涡电流综合技术监测断丝情况，并对断丝的发展趋势进行了预测。

Graham.E.C.Bell利用声监测数据分析断丝、分层和滑移对管道承载能力的影响；John.J.Galleher结合监测数据和爆管报告对PCCP的管道接口等薄弱环节进行重点分析和研究。

在国内，张社荣使用ANSYS模拟PCCP从制造、施工和运行过程的受力状态并分析了PCCP变形、应力和裂缝在不同荷载下的分布规律;胡少伟结合南水北调工程，围绕超大口径PCCP结构做了原型观测、理论解析和数值模拟等研究，提出PCCP结构承载安全评价理论和质量控制体系。

相比国外的研究，我国PCCP研究进度相对滞后，多数是对生产工艺技术改良和使用CAE软件结构模拟分析，而断丝对PCCP结构承载影响研究也同样较少，尤其是断丝监测、断丝精确定位和断丝状态下管道的极限承载能力这几方面研究在国内没有明确理论和规范可依。

目前，PCCP管道断丝监测技术包括电磁法检测和声检测，电磁法检测是在PCCP管道中沿轴线连续移动电磁波探测设备,探测每一管段中预应力钢丝的状态。

通过探测估计每一管段中预应力钢丝的断丝数量,为PCCP评估提供重要的基准。

声监测通过安装在PCCP内部或外壁的传感器监测经由管道中水体传递的声活动。

通过持续监测声活动,将管道中的每一声事件与钢丝断裂的声准则相比较,滤去环境噪声后,剩下的声事件包含断丝的基本声特征,再通过信号处理进行详细分析评价。

加拿大PureTechnologies公司开发了基于光纤传感器及光学数据采集系统的光纤声监测系统,将PCCP声监测技术推上了一个新的高度。

2、分布式光纤监测技术国内外研究进展分布式光纤传感器作为近二十年内才发展起来的新型监测技术，经历了理论研究、传感器研制、室内试验、工程应用等阶段。

目前，已有多家公司可提供性能稳定的，依托商业化的传感器，国内外学者进行了一系列室内试验和现场应用，主要进行了分布式光纤传感器标定，研制新型传感器封装方式，开发新的应用领域等工作。

欧美国家较早对分布式光纤监测展开了应用性研究。

美国的佛蒙特大学的研究小组较早取得了成果，Fuhr和Hustom将光纤传感技术在钢筋混凝土结构的健康监测领域做了很多有益的探索。

1989年他们将光纤传感器安装到一个桥梁上监测了振动响应，并与传统方法的测量结果做了对比；接着这个小组在1991年又将这一技术运用在一座新建的大楼中，检测了结构的温度、应变、风荷载、振动等健康状态参数；在1995年又用光纤传感技术监测了钢筋的腐烛情况。

在国内，重庆大学在1992年较早开始了光纤传感技术研究，由其结构研究中心在黄尚廉院士的带领下对此技术在土木工程中的应用开展了广泛的研究，而现在也逐渐的应用到更多的领域，可以实现通过对温度场的实时测量对电力系统中的高压电缆进行监测，也可以识别地下电缆的异常温度点，而且相关报道中也出现了BOTDA在风力

发电机的风机叶片中的健康监测方法。

在试验室研究方面，吴智深对基于BOTDR的光纤变形检测特性进行了试验研究，包括光纤拉伸和压缩试验。

索文斌提出了釆用等强度梁和BOTDR标定传感光纤的温度

频移系数及应变频移系数的方法，将普通通讯光纤标准化为分布式光纤传感器进行标定。

高俊启通过将分布式传感光纤布设在钢筋和混凝土表面，通过静载试验研究了试验梁性能，同时对BOTDR的测量误差进行了分析。

Takeda等人釆用BOTDR对飞机机身的CFRP片状结构的制造过程及后期加载进行了应变检测，提出通过分析布里渊频谱提高空间分辨率及识别动态应变，依托上述技术建立了飞行器应变检测系统。

Zhang利用BOTDR对裂缝进行了监测并分析其应用于裂缝监测的可行性。

Zou通过试验提出了利用布里渊散射的光纤应变判断裂缝开展过程。

Lu等人将BOTDA裂缝监测技术应用于某沥青铺装层的裂缝监测中。

钱振东等人开展了基于BOTDA的桥面板疲劳裂缝监测研究，利用光纤应变得到了疲劳扩展模型。

[应用前景]综合国内外研究和工程情况，PCCP断丝对安全性的影响研究远远不能满足工程需要，基础理论研究不够深入，相关试验研究也很少。

由于资金和试验设备的限制，PCCP的现场原型试验的结果远不能满足国内对结构以及理论深入研究的要求。

断丝现象的发生对正常使用极限状态影响较大，一旦发生断丝，PCCP开裂内水压力会有所降低，当断丝范围较大时，在预应力、管体自重、土压力及流体自重等综合作用下，失去承载能力无法继续承担内水压力，在内水压力作用下会发生爆管事故。

因此，在PCCP的

运行过程中，应通过有效监测手段对PCCP断丝情况进行严密监控，防止爆管事故的发生。

随着我国经济发展和PCCP管道的广泛应用，断丝监测技术在该领域具有非常广阔的应用前景。

二、研究内容和技术经济指标

[研究内容]

本项目将围绕PCCP管断丝监测关键技术，从断丝机理、断丝与管道爆管规律、分布式光纤断丝监测技术等方面开展研究。

主要包括：

1、调研PCCP管国内外的发展应用情况，搜集国内外PCCP管失效资料，分析管道失效的主要原因，针对问题提出利用BOTDA分布式光纤监测断丝的实施方案，解决预应力钢丝断丝、管道难以预警等问题；

2、分布式光纤传感器与管道粘结方式研究，光纤布置方式研究；

3、断丝引起光纤中的布里渊散射光的频率漂移量与光纤所受的轴向应变关系研究；

4、通过合理的光纤布设方式实现断丝识别，断丝根数跟踪监测；

5、利用有限元仿真分析，探讨断丝根数与PCCP发生爆管之间的规律。

三、研究方法和技术路线

[研究方法]

结合PCCP管的具体特点，以理论分析为基础，室内试验为依据，数值模拟为手段，将理论分析与基于物理力学试验成果的数值分析有机结合起来进行光纤断丝监测研究。

1.调研PCCP管国内外的应用情况以及存在的问题，结合国内外PCCP管失效案例分析PCCP管的破坏机理及影响因素。

调研、总结国内外断丝监测常用方法及优缺点；

2.针对PCCP管断丝而引起的爆管问题，提出采用光纤传感器实时监测管道运行和钢丝断裂预警监测设想，用来解决由于钢丝断丝监测难的问题；

3.验证利用光纤传感器监测管道健康状况的可行性，利用模拟试验和有限元软件仿真计算两种手段开展研究；

4.试验验证：

设计科学合理的试验方案，利用分布式光纤传感技术实时监测实时监测情况，研究断丝引起PCCP管道局部变形与BOTDA频移之间的关系。

实现光纤对断丝的有效监测；

5.有限元软件模拟：

根据试验管材和实际工程中PCCP原型管建立模型，正确定义材料属性，选择合适的单元体和准确的边界关系，模拟出钢丝断裂根数与管道失效的关系。

6.通过试验验证和有限元软件分析结合，为利用光纤传感技术监测断丝提供技术支持。

[技术路线]

图2为研究技术路线。

图2.研究技术路线

四、研究工作进度安排及目标

序号

时间段

主要工作内容

主要目标

1

2016年6月~2016年12月

资料收集分析确定试验方案

对PCCP管的工程特性、工程应用效果以及工程建设和运行过程中的破坏问题进行全面系统的分析归纳。

2

2017年1月

~2017年7月

材料室内测试，模型试验及

监测

通过室内试验