胡 健，雒 燕，劉 瑾，魏世杰，何承宗，李明陽，張晨陽

(1.南京審計大學(xué) 工程審計學(xué)院，江蘇 南京 211815；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

大型密閉輸送系統(tǒng)如地下綜合管廊、隧道、油氣管線等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模較大，難以進行一體化施工制造，必須預(yù)制部件或分段施工后連接各個部分以形成完整的輸送通路。各結(jié)構(gòu)連接處往往成為整個輸送系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。在工程應(yīng)用中需要設(shè)計各種機械連接結(jié)構(gòu)以加強結(jié)構(gòu)連接處的機械強度。長時間運行的機械連接結(jié)構(gòu)最終會出現(xiàn)疲勞、松動、磨損、松脫、契合度降低等失能現(xiàn)象，無法始終維持設(shè)計強度。在內(nèi)容物壓力作用、設(shè)施老化磨損、第三方破壞、其他外部載荷等不利因素的長期影響下，機械結(jié)構(gòu)連接位置處與一體化部位相比存在更嚴峻的滲漏風(fēng)險。連接結(jié)構(gòu)的各類失能現(xiàn)象常以微觀形式發(fā)育，發(fā)生在連接部位的滲漏事故大多以微滲漏形式開展。微滲漏潛伏時間長、不易被察覺，被發(fā)現(xiàn)時往往已經(jīng)產(chǎn)生嚴重的安全或經(jīng)濟損失。因此，探索可應(yīng)用于大型密閉輸送系統(tǒng)機械連接部位微滲漏的實時檢測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)育中的微滲漏風(fēng)險至關(guān)重要。

伴隨著滲漏監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和細化，國內(nèi)外開發(fā)出多種多樣的滲漏檢測方法。常用的方法可分為硬件方法和軟件方法[1]兩大類。硬件方法包括利用聲學(xué)傳感器、示蹤劑、壓力傳感器等進行監(jiān)測；軟件方法包括負壓波監(jiān)測、小波分析法、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)法、GPS時間標簽法、超聲波監(jiān)測法、應(yīng)力波法等[2-7]。但上述幾種方法往往存在靈敏度低、成本高、監(jiān)測不及時等問題，不適用于輸送系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)連接處的微滲漏監(jiān)測。光纖監(jiān)測技術(shù)抗干擾能力強、精度高、安全穩(wěn)定，在監(jiān)測密閉輸送系統(tǒng)微滲漏領(lǐng)域具廣闊的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外學(xué)者[8-10]已經(jīng)為運輸系統(tǒng)的安全監(jiān)測開發(fā)多類光纖傳感監(jiān)測技術(shù)。王相超等[11]采用脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析儀(Pulsed Pre-Pump-Brillouin Optical Time-Domain Analysis，PPP-BOTDA)技術(shù)對管道側(cè)向變形進行監(jiān)測，分別測量聚氯乙烯(PVC)管道的側(cè)向變形撓度和變形方向，試驗結(jié)果表明傳感器測量撓度變化與百分表實測值誤差在3.68%以內(nèi)，變形方向的推算值與實測值較為吻合；朱新民等[12]采用分布式振動光纖并結(jié)合壓力傳感技術(shù)開展對輸水管道爆管預(yù)警系統(tǒng)的研究，通過高頻、高精度地采集水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立擾動信號與管道滲漏之間的關(guān)系，從而起到爆管預(yù)警作用；REN等[13]提出一種基于時分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)干涉型光纖傳感器陣列的管道防破壞監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)埋地管道的防破壞監(jiān)測，試驗結(jié)果表明，通過對解調(diào)后的相位信號特征值進行判別，可實現(xiàn)有效的防破壞報警。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)對應(yīng)變和溫度具有敏感性，在安全監(jiān)測領(lǐng)域也越來越受到重視。任亮等[14]利用FBG應(yīng)變箍傳感器測量管道的平均環(huán)向應(yīng)變，實現(xiàn)了對管道局部腐蝕的實時監(jiān)測；趙雪峰等[15]提出一種主動加熱測溫光纖的方法用于監(jiān)測海底管道，并設(shè)計試驗和數(shù)值模擬分析其可行性，取得了良好的效果；王德洋等[16]利用FBG傳感器測量地面沉降時管道的受力變形規(guī)律，為埋地管道安全預(yù)警提供一種新方法。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文針對大型密閉輸送系統(tǒng)機械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險監(jiān)測問題，設(shè)計一種基于FBG的機械連接結(jié)構(gòu)微滲漏監(jiān)測方法，并設(shè)計一系列室內(nèi)試驗分析不同因素對監(jiān)測靈敏度的影響，為機械連接結(jié)構(gòu)處微滲漏監(jiān)測領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 試驗原理

1.1 FBG傳感器溫度測量原理

FBG通過紫外寫入的方法永久性地改變纖芯的折射率，使纖芯折射率沿著纖芯軸向呈現(xiàn)周期性變化，從而形成空間相位光柵。光柵在纖芯內(nèi)形成一個個只會反射特定波長光波的透鏡，外界環(huán)境條件(溫度或應(yīng)力)會影響其光學(xué)性質(zhì)。

當一束廣譜入射光進入光纖時，F(xiàn)BG只會反射指定波長的光，其他波長的光線幾乎不受影響地透射傳播，其原理如圖1所示。反射光波長被稱為布拉格波長λB，當反射光波長滿足下列條件時被反射：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff為有效折射率；Λ為光柵間距。

溫度與應(yīng)變的變化均能影響光纖有效折射率及光柵間距的大小，從而導(dǎo)致布拉格波長λB的移位。反射光波長隨應(yīng)變及溫度的變化規(guī)律可歸納為

(2)

式中：Δλ為布拉格波長變化量；Pc為光纖光學(xué)靈敏系數(shù)；ε為光纖受外力影響發(fā)生的軸向應(yīng)變；α為熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖溫度光學(xué)靈敏系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

圖1 FBG原理示例

由式(2)可知當光纖的應(yīng)變?yōu)?時，其布拉格波長變化量Δλ與溫度變化量ΔT呈線性關(guān)系，因此FBG可用于測量溫度變化。

1.2 基于FBG溫度計的微滲漏監(jiān)測原理

根據(jù)干濕球濕度計的測量原理，設(shè)計一種基于FBG溫度計的微滲漏監(jiān)測方法，原理如圖2所示。其構(gòu)造為將2支相同的FBG溫度計分別置于管道接口上下兩側(cè)，其中：一支位于上側(cè)保持干燥，用于測量氣溫t1；另一支用紗布包裹溫度計球部，固定于機械管道接口下方，示數(shù)用t2表示。當監(jiān)測點發(fā)生滲漏時，位于下方的溫度計表面紗布被潤濕，濕球表面水汽不斷蒸發(fā)吸熱，降低濕溫度計示數(shù)t2，因此干溫度計示數(shù)高于濕溫度計示數(shù)。根據(jù)干濕溫度計差值Δt的變化，可判斷監(jiān)測點是否發(fā)生滲漏。

圖2 監(jiān)測原理示例

由相關(guān)規(guī)范[17]可知，Δt的變化受溫度計所處環(huán)境的溫度、風(fēng)速、氣壓、相對濕度等因素的影響。假設(shè)滲漏液體是溫度接近氣溫的水，則Δt滿足：

(3)

式中：eω(t1)、eω(t2)分別為對應(yīng)溫度下的飽和水汽壓，MPa；U為空氣相對濕度，%RH；A為溫度計的干濕球系數(shù)，℃-1，與風(fēng)速和氣溫有關(guān)；P為大氣壓，MPa。由此可知，針對一處管道進行監(jiān)測時，根據(jù)其環(huán)境參數(shù)的不同，Δt變化幅度也不同。

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

為了更貼合待測機械管道的實際情況，選擇相對密閉的環(huán)境進行模擬試驗。試驗裝置包括待測管道、溫度傳感裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、風(fēng)速測量儀、環(huán)境濕度計，試驗中所需測量的管道為長2 m、內(nèi)徑75 mm的PVC管，管身某處存在微裂隙，形成滲漏點。溫度傳感裝置由3支FBG溫度計及固定環(huán)組成，分別用于測量管道內(nèi)液體溫度、管道外環(huán)境溫度及滲漏處溫度。試驗所用FBG溫度計型號為NZS-FBG-TM(E)，測量數(shù)據(jù)通過跳線傳輸至FBG解調(diào)儀進行分析，F(xiàn)BG解調(diào)儀型號為NSZ-FBG-A04；采用DT-625型濕度計測量環(huán)境濕度，AS8336型風(fēng)速儀測量監(jiān)測點環(huán)境風(fēng)速。試驗裝置布置如圖3所示。

圖3 試驗裝置示例

2.2 試驗過程

根據(jù)已有研究文獻，為了研究水溫對監(jiān)測結(jié)果的影響，分別設(shè)計并進行初始水溫為室溫、高于室溫的微滲漏監(jiān)測試驗；為了研究環(huán)境風(fēng)速對監(jiān)測結(jié)果的影響，設(shè)計并進行有風(fēng)環(huán)境下微滲漏監(jiān)測試驗。

試驗1：室溫水監(jiān)測試驗。將自來水放置足夠長時間達到室溫，用外力使管道接口處出現(xiàn)微裂隙，用以模擬管道接口滲漏；然后將室溫水倒入待測管道，開始記錄FBG溫度計數(shù)據(jù)，并且始終保持管道中有足夠的水。試驗過程中用風(fēng)速測量儀記錄微裂隙下方FBG溫度計處的風(fēng)速。試驗持續(xù)記錄約2.5 h。

試驗2：高溫水監(jiān)測試驗。與試驗1使用相同裝置，并采用恒溫壺將自來水加熱至50 ℃左右，加熱完成后立即將水注入PVC管道中，分別使水溫維持恒溫和自然冷卻至室溫進行2次試驗，試驗過程中同樣用風(fēng)速測量儀記錄微裂隙下方FBG溫度計處的風(fēng)速，同時開始記錄數(shù)據(jù)。試驗持續(xù)記錄約2.5 h。

試驗3：有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測試驗。與試驗1使用相同裝置，并將風(fēng)扇放置于管道一側(cè)，風(fēng)向沿管道對準微裂隙下的FBG濕溫度計。其余操作與試驗1保持一致。

3 結(jié)果分析

3.1 室溫水監(jiān)測試驗

圖4為試驗1結(jié)果。由圖4可知：在試驗過程中監(jiān)測環(huán)境的干溫度計示數(shù)較為穩(wěn)定，當注入室溫自來水的管道接口處出現(xiàn)滲漏時，貼合于管道接口的濕溫度計示數(shù)隨著時間推移不斷降低，干濕溫度計示數(shù)的溫度差相應(yīng)地快速上升；經(jīng)過1 000 s左右后濕溫度計示數(shù)變化幅度大幅下降，隨后保持在一定范圍內(nèi)，溫度差表現(xiàn)為先快速上升后趨于穩(wěn)定。在溫度差最開始的上升階段，從管道滲漏出的水接觸到濕溫度計后發(fā)生蒸發(fā)，帶走濕溫度計周圍的熱量；溫度差穩(wěn)定階段意味著濕溫度計周圍水分蒸發(fā)帶走的熱量與環(huán)境溫度達到平衡狀態(tài)。由溫度差的變化趨勢可明顯看出，在滲漏剛發(fā)生時FBG溫度計可迅速對滲漏產(chǎn)生反應(yīng)，并在1 800 s左右形成穩(wěn)定溫差，約1.81 ℃。根據(jù)FBG溫度傳感器實時監(jiān)測得到的溫差變化數(shù)據(jù)，可及時發(fā)現(xiàn)管道接口處發(fā)生的滲漏現(xiàn)象，且當干濕溫度計溫差越大時監(jiān)測預(yù)警誤報的可能性越小。為了盡可能排除環(huán)境因素的影響，取穩(wěn)定溫差的一半即0.9 ℃為報警閾值。0.9 ℃遠大于FBG溫度傳感器的精度，因此當干、濕溫度計差值達到報警閾值時，可認為已經(jīng)發(fā)生滲漏。由圖4可知，當滲漏發(fā)生600 s后，溫度差已達0.93 ℃，因此取600 s為室溫水滲漏監(jiān)測時的預(yù)警響應(yīng)時間。

圖4 室溫水監(jiān)測試驗結(jié)果

3.2 高溫水監(jiān)測試驗

高溫水監(jiān)測試驗中將水體溫度控制在(50.00±1.00)℃，取試驗數(shù)據(jù)前200 s進行分析。圖5所示為50.00 ℃恒溫水監(jiān)測試驗結(jié)果。由圖5可知，當水體溫度維持在50.00 ℃時，溫度差基本保持穩(wěn)定，平均溫度差為22.83 ℃。這是因為此時滲漏水體溫度遠高于環(huán)境溫度，濕溫度計示數(shù)受高溫水體影響較大，抵消了水分蒸發(fā)帶來的熱量損失。FBG溫度傳感器可通過識別高溫水滲漏造成的干濕溫度計溫差，從而對滲漏的發(fā)生進行預(yù)警。取10.00 ℃為報警閾值，當FBG溫度傳感器監(jiān)測到溫度差處于異常狀態(tài)持續(xù)20 s時，可認為機械連接部件正在發(fā)生滲漏。

圖5 50 ℃恒溫水監(jiān)測試驗結(jié)果

3.3 水溫對監(jiān)測結(jié)果的影響

為了更好地分析水溫變化對監(jiān)測結(jié)果的影響，對水溫從50.00 ℃自然冷卻至室溫的條件進行監(jiān)測試驗。圖6所示為試驗結(jié)果。由圖6可知，記錄氣溫的干溫度計示數(shù)始終保持穩(wěn)定，而監(jiān)測點下方的濕溫度計示數(shù)持續(xù)下降，溫度差表現(xiàn)為先大幅度下降隨后緩慢上升。在注入遠高于室溫的自來水的管道出現(xiàn)滲漏時，貼合于管道滲漏處的濕溫度計受水溫影響較大，因此試驗開始時濕溫度計示數(shù)遠高于干溫度計示數(shù)；在試驗過程中，由于管道內(nèi)的水高于環(huán)境溫度，熱量不斷從水傳遞至環(huán)境中，水溫持續(xù)下降，同時干、濕溫度計示數(shù)差相應(yīng)地不斷降低；經(jīng)過4 800 s左右后溫度變化幅度大幅下降，隨后保持在一定范圍內(nèi)。溫度變化時間跨度長，溫度計持續(xù)對溫度產(chǎn)生反應(yīng)。

圖6 水體自然冷卻監(jiān)測試驗結(jié)果

為了更清晰地反映不同時間段內(nèi)溫度的變化，分別選取試驗過程中0～8 000 s 前后2個階段的試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析，試驗結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7為水體自然冷卻監(jiān)測試驗中時間進程4 000～8 000 s的試驗結(jié)果圖。由圖7可知：當試驗進行至4 000 s時，濕溫度計示數(shù)仍在快速下降，干溫度計示數(shù)相對穩(wěn)定，并且濕溫度計示數(shù)大于干溫度計示數(shù)，干、濕溫度計示數(shù)差值與濕溫度計示數(shù)變化趨勢保持一致；當試驗進行至4 800 s時，濕溫度計示數(shù)與干溫度計示數(shù)近乎相同，干溫度計示數(shù)仍保持穩(wěn)定，濕溫度計示數(shù)下降幅度變緩，隨后溫度差變化趨勢與濕溫度計示數(shù)變化趨勢相反，開始緩慢上升；當試驗進行至7 500 s時，濕溫度計示數(shù)相對穩(wěn)定，溫度差也同樣趨于穩(wěn)定，并在8 000 s 左右形成穩(wěn)定溫差，約1.17 ℃。

圖7 水體自然冷卻監(jiān)測試驗4 000 s后結(jié)果

圖8 水體自然冷卻監(jiān)測前80 s結(jié)果

在試驗過程中當濕溫度計示數(shù)快速下降時，濕溫度計示數(shù)高于干溫度計示數(shù)，說明此時濕溫度計示數(shù)受管道內(nèi)水體溫度變化影響更大，溫度差變化趨勢也與濕溫度計示數(shù)保持一致；當干、濕溫度計示數(shù)趨于相同時，溫度差達最低點，隨后溫度差開始緩慢上升，說明此時水分蒸發(fā)造成的熱量損失大于熱水帶來的熱量，因此會出現(xiàn)濕溫度計示數(shù)下降而溫度差上升的現(xiàn)象；隨著試驗的進行，管道內(nèi)的水體溫度趨于室溫，濕溫度計示數(shù)也趨于穩(wěn)定，最終形成穩(wěn)定溫差。

圖8為水體自然冷卻監(jiān)測中前80 s的試驗結(jié)果。由圖8可知，在滲漏初期FBG溫度計可對溫度變化迅速產(chǎn)生反應(yīng)，溫度差整體呈下降趨勢，在80 s內(nèi)溫度差降低超過2.00 ℃，高溫液體滲漏后溫度改變速率明顯大于常溫下液體滲漏溫度改變速率。與圖5相比，當水溫自然冷卻時干、濕溫度計差值也隨之呈下降趨勢，這也說明在水溫遠大于室溫的情況下，溫度差受水溫影響更大。

由上述分析可知：當水溫接近室溫時，F(xiàn)BG可以產(chǎn)生反應(yīng)，識別溫度差異，對滲漏進行預(yù)警。當水溫遠高于環(huán)境溫度時，F(xiàn)BG可以在較短時間內(nèi)迅速對溫度的變化產(chǎn)生反應(yīng)，從而有效地對滲漏進行預(yù)警；從50.00 ℃至室溫的不同溫度下FBG傳感器都可識別溫度差的變化，實現(xiàn)對滲漏風(fēng)險的及時預(yù)警。因此，本方法更適用于監(jiān)測滲漏液體溫度遠大于環(huán)境溫度的情況。

3.4 有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測試驗

圖9所示為試驗3有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測的試驗監(jiān)測結(jié)果。

圖9 有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測試驗結(jié)果

由圖9可知：在試驗開始階段干溫度計示數(shù)呈上升趨勢，濕溫度計示數(shù)呈下降趨勢；隨著試驗的進行，干溫度計示數(shù)出現(xiàn)小幅下降，濕溫度計示數(shù)小幅上升，隨后二者均趨于穩(wěn)定；干、濕溫度計示數(shù)差呈現(xiàn)出與干溫度計示數(shù)相同的變化趨勢。在試驗開始階段，由于干溫度計周圍空氣與風(fēng)扇吹出的風(fēng)相互摩擦，使空氣分子動能加強，干溫度計示數(shù)出現(xiàn)上升現(xiàn)象；同時在高風(fēng)速影響下，濕溫度計處的滲漏水分蒸發(fā)作用加強，周圍空氣被帶走更多熱量，使?jié)駵囟扔嬍緮?shù)快速下降；隨著試驗的進行，高溫區(qū)域?qū)崃繉α鹘o低溫區(qū)域，高風(fēng)速擾動的空氣造成的影響被周圍空氣緩和，干溫度計示數(shù)出現(xiàn)小幅下降，濕溫度計示數(shù)出現(xiàn)小幅上升，最終趨于穩(wěn)定，溫度差也在出現(xiàn)小幅下降后趨于穩(wěn)定，約2.28 ℃，比同條件下風(fēng)速為0 m/s的試驗1的穩(wěn)定溫差提高約0.47 ℃。試驗3中的平均風(fēng)速為1.3 m/s，可見風(fēng)速的增加對穩(wěn)定溫差的提高有積極作用。由圖9還可知，當試驗進行至約300 s時溫差達0.97 ℃，遠大于FBG溫度計的精度，通過FBG傳感器監(jiān)測得到滲漏造成的明顯溫差變化可作為判定機械連接部件出現(xiàn)滲漏的依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對大型密閉輸送系統(tǒng)機械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險問題，設(shè)計一種機械連接結(jié)構(gòu)微滲漏監(jiān)測方法。為了探究不同因素對監(jiān)測效果的影響，設(shè)計進行一系列室內(nèi)試驗，表1所示為試驗得到的參數(shù)，對比分析得到如下結(jié)論：

表1 試驗滲漏監(jiān)測結(jié)果參數(shù)

(1) 當滲漏水體溫度為室溫時，利用本方法進行監(jiān)測得到的溫差可達1.81 ℃，說明此方法可用于機械管道微滲漏監(jiān)測。

(2) 當滲漏水體溫度高于氣溫時，F(xiàn)BG傳感器反應(yīng)更加迅速。對于50 ℃水體滲漏監(jiān)測，本裝置能夠持續(xù)監(jiān)測到平均22.83 ℃的溫差，有效預(yù)警機械管道中發(fā)生的微滲漏，同理此法也適用于水體溫度遠低于環(huán)境溫度的微滲漏監(jiān)測。

(3) 高風(fēng)速能夠加快滲漏水分蒸發(fā)，帶走更多熱量，縮短監(jiān)測裝置響應(yīng)時間。在1.3 m/s風(fēng)速條件下監(jiān)測室溫水的穩(wěn)定溫差增加0.47 ℃。因此，此方法也適用于有風(fēng)環(huán)境下的機械管道微滲漏監(jiān)測。

本方法對報警閾值的取值較為保守，在實際應(yīng)用中還可通過調(diào)整閾值大小控制預(yù)警響應(yīng)時間。在實際應(yīng)用時應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件進行參數(shù)修正，以實現(xiàn)更好的監(jiān)測效果。今后可結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)對本方法進行改進，利用分布式光纖技術(shù)實現(xiàn)分布式監(jiān)測，同時對相關(guān)因素對本方法的影響進行定量研究，使本方法可更好地適應(yīng)各種工況，以便更快、更精準地實現(xiàn)對機械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險的分布式監(jiān)測。