基于分布式光纤传感器的pccp结构状态监测研究

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1、管线工程基于分布式光纤传感器的PCCP结构状态监测研究冯新，陈博智，韩阳，刘洪飞，赵琳，周晶（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024）摘要：为了监测PCCP全寿命周期的结构状态，提出一种基于分布式光纤传感器的PCCP结构状态监测方法，并将其应用于某大型供水工程，对方法的有效性进行现场检验。基于PCCP服役状态的受力分析，提出了PCCP分布式应变监测方案，利用布设于某供水工程的分布式光纤传感器，获得了PCCP在打压试验工况下的分布式应变监测数据。分布式应变监测数据与数值模拟结果的对比分析表明，分布式光纤

2、传感器能适应实际工程现场的复杂环境，能较准确地反映出PCCP的应变响应，可实现PCCP结构状态的分布式监测及安全预警，为PCCP全寿命周期服役安全提供技术支撑。关键词：预应力钢筒混凝土管；分布式光纤传感器；结构状态；全寿命周期性能中图分类号：TU990.3文献标志码：B文章编号：1009－7767（2018）01－0176－05ResearchofPCCPStructureConditionMonitoringBasedonDistributedOpticalFiberSensorFengXin，ChenBozhi，HanY

3、ang，LiuHongfei，ZhaoLin，ZhouJing近年来，预应力钢筒混凝土管（PCCP）在我国得到乎相当，因此该技术在大口径PCCP中的应用受到一定了较快的发展，在南水北调工程和山西万家寨引黄工挑战。另外，光纤声发射监测技术无法监测断丝以外的程等重大工程中均得到了应用。但是，国内外也发生过PCCP结构状态退化，比如砂浆和管芯混凝土的损伤、[1]多起PCCP安全事故，比如利比亚大人工河工程曾多次预应力钢丝的腐蚀等。爆管。研究表明，PCCP失效主要由设计与制造缺陷、PCCP失效是长期服役过程中结构状态退化（老化、施工

4、与运行中的不利因素以及内外荷载与环境因素损伤等）与环境荷载联合作用的结果，可通过应力（应[1]三方面的原因造成。当前主要采用超声检测技术、电变）和变形等结构性能指标直接反映出来。因此，监测磁波检测技术和光纤声发射监测技术评估PCCP的结结构的应力（应变）可为PCCP结构状态提供最为直接构状态。超声检测技术能够有效评估PCCP混凝土的的信息，依据应力（应变）能够实现结构安全评定与失裂缝、脱粘和减薄缺陷，但无法检测预应力钢丝的缺效预警。但是，作为典型线形工程的PCCP，其荷载条[2-4]陷和断丝情况。电磁波检测技术主要分为两类，

5、即件与结构退化具有时空分布的不确定性，管线沿途任远场涡流技术和P-波技术，主要用于PCCP的断丝检意位置均有可能发生结构损伤与退化，因此需要发展[9]测，但存在易受环境电磁干扰、检测精度差以及无法PCCP结构状态的分布式监测及安全预警技术。笔者[5-7]检测预应力钢丝腐蚀状态和氢脆断裂的局限。尤其首先基于PCCP的典型力学行为分析，提出一种基于需要指出，超声检测技术和电磁波检测技术均需要在分布式光纤传感器的PCCP结构状态监测方法，然后将中断管道正常运行的条件下进行，无法实时在线评估该方法应用于某大型供水工程，获得PCCP在

6、打压试验管道结构状态。光纤声发射监测技术利用布设于PCCP工况下的分布式应变监测数据，并通过与数值模拟结内部的光纤传感器，可以实现PCCP断丝事件的实时监果的对比验证该方法的有效性。[8]测，但该技术在断丝位置的识别方面还存在较大困1监测方案难，目前的断丝定位精度大致等于管道的直径，而PCCP基于布里渊背向散射原理的光纤传感器是目前在我国长距离输水工程中的应用存在大型化的趋势，最先进的分布式应变和温度测量技术，在结构性能监[10]管径普遍达到或接近4m，与管段长度（通常为5m）几测领域逐渐得到应用。在管道工程领域，分布式光纤

7、1762018No.1（Jan.）Vol.36管线工程传感技术的研究主要集中于长输油气管道的在位状态监测，比如埋地管道在地质灾害作用下的安全监测与预警以及由于高温传输介质引起的管道屈曲破坏[11-13]的监测与评定。而对于大口径PCCP这种特殊的管型，国内外还未开展分布式光纤传感器监测的研究，因此必须针对PCCP的力学响应、破坏机理、失效模式的规律与特点，提出科学的监测方案。在横截面内，PCCP主要受到管道自重、管内水重、回填土作用以及管内水压等荷载的联合作用。在管道a）正视图b）侧视图安装阶段，由于受到回填土的作用，管道

8、被“压扁”，呈图1传感器布设方案现椭圆化变形趋势。而管道一旦通水、升压，内水压力沿管道环向均匀分布，使管道呈现胀圆变形。可以发现，在PCCP监测现场，将管道环向和轴向分布式光纤管道环向受力和变形随着运行状态和荷载条件的变传感器连接成一个分布式光纤传感器网络，并将其与化而变化，为真实全面地反