光纤光栅传感技术在水电站压力钢管应变监测中的应用研究

杨 斌，段 鹏

（1.国网新源新安江水力发电厂 浙江省建德市 311608；2.上海明华电力技术工程有限公司 上海市 200090）

光纤光栅传感技术在水电站压力钢管应变监测中的应用研究

杨 斌1，段 鹏2

（1.国网新源新安江水力发电厂 浙江省建德市 311608；2.上海明华电力技术工程有限公司 上海市 200090）

压力钢管是水电机组的关键部件。本文基于电阻应变法和光纤光栅传感技术，开展了针对压力钢管运行全过程的应变形变特点的两种方法比对试验研究。研究结果表明，光纤光栅应变法能够准确、及时地表征钢管运行过程中的形变行为，且基于光纤光栅应变传感技术所具有的抗干扰、抗腐蚀、高持久耐性等突出优点，非常适合水电站坝内压力钢管明管段等潮湿腐蚀环境下的长期健康性能监测，是今后建设压力钢管实时监测系统中应变监测的首选监测技术。

水电机组；压力钢管；光纤光栅；实时监测；应变；安全

0 引言

压力钢管（特别是压力钢管明管段）是水电机组设备中极其关键的部件，钢管一旦失效破坏极可能导致水淹厂房事故，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。研究压力钢管的安全状态，应当考察钢管部件所承载的应力强度和安全裕度。金属部件的失效破坏大多均是在应力的主导作用下发生，压力钢管往往因水流流速急速变化而承受频繁的动态应力冲击，或应力强度过载超越安全极限，最终导致钢管破裂[1]而引起安全事故。因此，开展压力钢管的应力及安全状态实时监测具有十分重要的意义。

压力钢管应力实时监测技术主要包括基于电学、光学及声学等原理的试验方法。基于电子学的电阻应变法是采用电桥或电位差计的测量电路，将电阻应变计（片）的电阻变化转化为电压（或电流）的变化，是长期以来一直得到稳定推广应用的成熟技术。基于光学原理的光纤光栅传感技术是近十年快速发展起来的新技术，因其以光信号进行信息传输，具备抗干扰能力强、抗腐蚀、高耐久性能等独特优势而得到了广泛应用，是实现构件（尤其是环境较恶劣条件下）长期监测的优选技术。本文针对水电站压力钢管的运行特点和环境对上述两种方法展开对比试验研究。

1 研究对象

国内某电站20世纪60年代投运的立式混流式机组，设计容量95MW，设计水头73m，引水系统为一管一机式，水轮机流量为138m3/s。引水钢管由卷制钢板焊接而成，明管规格5200mm×25mm，材质为St3钢。

因压力钢管轴向应变在整个运行过程中变形幅度不大，而且从圆筒形结构的强度理论角度而言不是决定钢管承载性能的主要因素[2]，故主要分析钢管环向应变的变化特性。选取了压力钢管的两个不同区域在每一区域非常接近地环向方向布置了光栅应变片和电阻应变片，见现场布置图1。

图1 现场应变测点布置示意图

2 电阻应变法试验结果

电阻应变片共布置了两个测点，典型的应变形变过程见图2（此测点近蜗壳端），记录了机组从启动、稳定运行、甩负荷至停机的全过程钢管变形情况。

图2 电阻应变法监测钢管运行全过程

钢管从启动到停机的全过程应变监测全面地体现了不同工况阶段钢管的应力变化行为。启动时刻，因振动等因素钢管的环向应变呈现了一些特殊的变化，这种变化应当与导叶打开时钢管的流量急速变化有关，见图3中的a点。满负荷运行之后，机组进入了相对稳定阶段，此刻因部分静压转化为动压致使钢管环向应变有所下降，见图3中b点。图3中c点是甩负荷时的应变瞬间变化，显著地体现了水力冲击造成钢管应变陡升剧烈变化的结果；之后机组步入缓慢的停机阶段，最后终止于d点。可以发现，d点的应变状态最终回归为0，与a点的起始阶段相同，这本质上是因为停机终了钢管的受力状态和启动起始前的状态完全相同。

图3 钢管甩负荷全过程的环向应变变化

3 光纤光栅应变法试验研究

与M点区域电阻应变片临近布置的光栅点甩负荷工况全过程的钢管应变变化状况见图4。从启动、甩负荷和停机过程中钢管应变的整体变化趋势来看，光纤光栅应变法和电阻应变法的试验结果几乎相同，两种方法的瞬间变化极值也同步体现，这说明光纤光栅应变片能够灵敏且准确地反映钢管的应变（或应力）瞬态变化。

图4中a阶段体现了机组满负荷运行的稳定过程，理论上由于静水压力部分转化为流动动压，因此压力降低使得钢管的环向应变略有降低，如图中电阻应变法的试验结果，而光纤光栅应变法在此阶段未呈现环向应变降低的特征。造成这一现象，主要是由于试验中光栅应变片与钢管采用了胶粘粘贴的界面结合方式，在耦合界面系统中存在一定的系统误差（因本身这一环向应变变化较小）所致。但这一问题在采用光栅应变片与钢管表面以机械结合（如焊接）的方式连接之后将会完全避免。

图4 光纤光栅法与电阻应变法监测对比过程

另外一个值得注意的现象是，两种方法测量结果的峰值并非绝对等同，见图5。形成这一现象的原因极可能是光纤光栅应变采集系统在表征钢管应力应变变化时的输出比例系数需要进一步修正，通过试验室标准试件拉伸试验以及与电阻应变法在标准试件上的进一步比对论证试验，完全可以解决这一问题并能够真实反映钢管应力应变变化。

图5 光纤光栅法与电阻应变法监测环向应变峰值的比较

通过光纤光栅应变测试技术的现场试验，以及与电阻应变法对钢管实时应变变化的比对论证试验，可以得出光栅应变系统能够获得钢管应力变化过程的真实反映，而且能够在钢管实际应变确实发生变化的时刻做出及时地表征和体现（甩负荷工况下的变化趋势与电阻应变法试验结果趋势几乎完全重合），至于应力峰值的差别问题可通过系列试验得到完全解决。

因此，从表征构件应变变化过程的角度而言，光纤光栅应变系统具备了能够真实反映钢管应力变化行为及程度的现场实时监测能力。

4 光纤光栅传统传感器的优点

目前适合于结构健康监测的应变传感器主要有应变片、振弦式应变计、光纤光栅应变传感器。应变片价格低廉，但耐久性较差，一般寿命不超过6个月，且为电信号输出。振弦式应变计价格较高，目前多用的进口产品价格更高，耐久性一般为3～5年，其信号也为电信号。光纤光栅应变传感器精度高、价格适中、为光信号输出，但测试设备价格相对较高。

与普通机械、电子类传感器相比，光纤光栅传感器具有以下优点：

（1）抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

（2）电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

（3）难腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料——石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

（4）体积小、重量轻，几何形状可塑。

（5）传输损耗小：可实现远距离遥控监测。

（6）传输容量大：可实现多点分布式测量。

（7）测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。

（8）光栅的长度小，只有毫米级，测量值空间分辨率高。

（9）输出线性范围宽，在10000微应变范围内波长移动与应变有良好的线性关系，频带宽，信噪比高。

除了上述优点外，Alavie（1994）等人将布拉格光栅传感器埋入碳纤维复合材料，测其应变的实验表明：在0～2000 循环320000次后，光纤传感器仍没有出现劣化现象；Morey（1996）通过加速老化试验，认为光纤布拉格光栅存活寿命大于25年。这些优点是其他传感器无法比拟的。

5 金属基焊接式光纤光栅应变传感器简介

从上述分析中可以看出，光纤光栅传感器是一种高精度、高耐久性、施工简单、不受电磁干扰、准分布测量的传感器，尤其适用于具有较高耐久性要求的大型结构健康监测，是目前国际和国内大型结构应变监测中较为广泛采用的传感器。

根据水电站压力钢管普遍处于潮湿环境的特点和要求，可选用金属基焊接式光纤光栅应变传感器，它采用无胶粘封装技术，克服了传统胶封光纤光栅传感器不可跨越的耐久性问题，其标距可以根据客户的需要定制。它具有结构简单、量程大、工程布设方便、应变测试精度高、耐久性好、稳定可靠，使用寿命大于20年，其性能如下表1所示。

表1 光纤光栅应变传感器性能指标

6 结论与建议

通过本文两种应变监测方法的对比试验研究结果来看，光纤光栅应变监测获得了与电阻应变监测下的几乎完全相同的钢管应变变化趋势，能够同步实时表征钢管形变变化瞬态时点的真实应变行为及特征，具备抗腐蚀、高耐久性、抗电磁干扰、高疲劳寿命以及长距离信号传输等电阻应变传感器所无法比拟的长期在线性能监测优势，尤其是金属基传感器与被测表面的焊接连接方式使得监测数据精度和稳定性更高，很适合水电站坝内压力钢管明管段等潮湿腐蚀环境下的长期健康性能监测。

[1] 马元珽.波兰Lapino水电站压力钢管破裂的调查和分析[译].水利水电快报，2002，23（6）：1～3.

[2] 徐芝伦.弹性力学简明教程[M].北京：高等教育出版社，1990.

杨 斌（1972—），男，工程硕士，高级工程师，从事水电站设备安全技术研究及管理。

段 鹏（1980—），男，高级工程师，从事金属结构设备安全技术试验研究及管理。

The Research of the Fiber Bragg Grating （FBG）Sensor Technology in the Hydropower Unit Penstock

YANG Bin，DUAN Peng
（1. State Grid XinYuan Company Xinanjiang Hydropower Plant Jiande 311608，China；2. Shanghai Ming Hua Electric Power Technology Engineering Co.，Ltd.Shanghai 200090，China）

Penstock is a key component of a hydropower unit.Based on the different characters of strain change and shape change during the process of penstock operation，this paper is to make a comparison between the electrical resistance strain gauge and fiber bragg grating （FBG）sensor technology.According to the research result from the paper，the FBG strain gauge can effectively and timely express the shape change of penstock. In addition，since the FBG sensor technology is drought-tolerant，corrosion resistant and long lasting，it is suitable to supervise the health state of the penstock exposed in the moisture and erosion environment in a hydropower dam，and thus will be the first choice for strain gauge supervision during the penstock construction.

hydropower unit；penstock；fiber bragg grating（FBG）；timely supervision；strain change；afety