新型光纤传感器在管道渗漏监测中的应用研究

孙 宇，李文琦，周俊杰，吕 泳

(武汉理工大学 新材料力学理论与应用湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070)

市政供水、生活污水、工业废水等给排问题[1]是民生的基本保障之一。地下综合管廊对满足民生基本需求和提高城市综合承载力发挥着重要的作用。目前，管网事故频发，爆管、渗漏事故造成了巨大的人员伤亡和财产损失，事故主要原因是管道长期使用导致老化、腐蚀介质侵蚀结构[2]等。管道属于地下隐蔽工程，安装和维护均比较困难，因此建设安全监测系统是地下综合管廊正常运营的重要基础。基于此背景下，越来越多的学者开展了管道渗漏监测研究。

渗漏监测成为管道安全运行必须首先解决的关键问题。目前管道渗漏常用的监测方法主要包括直接观察法、超声波漏水监测法[3]、气体示踪剂监测法[4]、压力传感器监测法[5]、声压传感器监测法[6]等。软件方法包括GPS时间标签法[7]、基于SCADA系统法[8]、负压波监测法[9]。这些方法存在对渗漏响应时间较长、定位精度差以及误报率较高等问题。光纤传感器具有抗电磁干扰能力强，耐高温，耐高压，耐腐蚀，可在恶劣环境下进行长距离、分布式的准确测量等优点，在管道渗漏监测中具有巨大应用潜力。有学者利用光纤全分布式传感器感知由渗漏产生的管道应变[10]，分析确定渗漏位置。此类方法需要监测人员具有一定的操作技术，且成本较高。还有一些学者通过利用光纤布拉格光栅(FBG)[11]、布里渊光时域分析(Brilloulin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)[12]、拉曼光时域反射(Raman Optical Time Domain Reflectometer，TOTDR)[13]等光纤感测技术，直接对管道温度进行实时测量，完成渗漏监测[14]。近年来美国OILTON公司开发出一种机载红外监测技术[15]，通过直接测量输送物资与周围土壤的细微温差来判断管道是否发生渗漏。此类方法需要渗漏介质与环境之间存在较大温度差，监测效果受到季节气候和使用地点的温度变化的影响，其使用范围受到很大限制。

针对上述不足，提出了一种将新型光纤传感器应用于管道渗漏监测的方法，具有成本较低、且能人工制造温度梯度的优势，可实现对非埋置管道的小规模渗漏的实时监测及定位。

1 管道渗漏监测原理

通过将碳纤维和分布式光纤传感器复合，制成一种新型的光纤传感器，利用碳纤维具有导电的性能，在电场作用下发热，使光纤整体温度升高，一旦发生管道渗漏，则分布式光纤传感器测量得到的各点温度变化趋势与无渗漏时不一致，通过数据分析，结合出现异常温度测点的位置，可以推出管道渗漏的位置。

在管道的管壁上设有导流槽，当发生微量渗漏时，管壁上渗漏出来的介质由于重力因素，沿导流槽流动。导流槽形状为波浪状，其最低点处为测温点，可实现渗漏介质在测温点汇聚，从而迅速产生较高的温度差，便于及时地监测渗漏情况，减少不必要的损失。

以水为例，探究发生渗漏后，传感器测温点监测区域的温度变化梯度与管道渗漏出水的流速关系可由以下数学表达式推出：

M=ρQ

(1)

式中：M为渗漏水的质量流量(g/s)；ρ为水的密度(g/cm3)；Q为从渗漏处到测温点水的流量(cm3/s)。

Q=VA0

(2)

式中：V为渗漏处水的流速(cm/s)；A0为管道渗漏位置的面积(cm2)。

m=Mt0

(3)

式中：m为渗漏出的水的质量(g);t0为水从渗漏处流至测温点的时间(s)。

不计热量损耗，假设水与新型光纤传感传感器接触后热量完全交换，且热量交换时间较短，其关系为

q0=cmΔT=Φt1

(4)

式中：q0为水流与传感器交换的热量(J)；c为水的比热容(J/(kg·℃))；ΔT为水温升高量(℃)；Φ为热流量(W)；t1为水流与传感器完成热量交换的时间(s)。

其中：

(5)

联立式(1)～式(5)可以总结出流速v与测温点监测区域内温度的变化关系为

(6)

由式(6)可以看出，在一定范围内，当介质渗漏速度越大，温度沿测温点监测区域的变化梯度就越大，使得监测效果越明显。

2 有限元仿真分析

采用有限元分析软件模拟实际实验情况，通过建立有限元模型，进行温度场的稳态和瞬态热分析。研究渗漏前后两个阶段，光纤传感器处的温度分布及变化规律。其中相关材料参数如表1所示。

表1 材料参数表

建立有限元分析模型，如图1所示。

图1 有限元分析模型

假设环境温度为17 ℃，施加热对流载荷，经过短暂时间(30 s左右)，新型光纤传感器经过加热升温至24 ℃左右，经过稳态分析，温度分布如图2所示。

图2 模型施加热荷载后温度分布图

当水流过某一测温点时，其周围区域的温度均会发生变化，其规律是测温点处温度最低，向左右两侧温度逐渐升高，温度变化蔓延一定区间后，会稳定下来。热场分析中，在光纤升温趋于稳定后(24 ℃左右)，通过在测温点处施加水流温度作为外载(取18 ℃)，并进行60 s的瞬态分析，60 s后光纤的温度分布如图3所示。发生渗漏后光纤的温度分布如图4所示。

图3 发生渗漏后光纤的温度分布图

图4 光纤上测点温度变化曲线

由图3和图4可以看出：测温点处温度降低最大，经过60 s的瞬态分析后，对比渗漏前降低了4 ℃左右。温度影响区域在测温点左右(10 cm)，在其他测温点处温度并无变化(依然为24 ℃)。通过温度分布趋势和变化量可以验证使用此新型传感器对渗漏监测的可行性。

3 实验内容

在被测管道底部安装新型光纤传感器，其结构形式为：采用碳纤维束包裹分布式光纤光栅传感器，碳纤维层外侧设有保护层、隔热材料，管壁上设有导流槽，如图5所示。

图5 实验装置简图

实验采用分布式的光纤光栅传感器，每个光栅所在位置形成测温点，光栅每隔15 cm布置一个，一共布置8个，共计8个测温点。

为便于对管道不同位置渗漏进行实验模拟测试，验证监测数据的可靠性，设计在不同位置、角度安装了3个阀门模拟介质渗漏。

进行模拟渗漏前，采用13 V、0.9 A的交流电对碳纤维层进行加热。在实验中，碳纤维束包裹光纤光栅传感器，再用环氧树脂封装。其优点是既能保证传感器不会有漏电隐患，又能将绝大部分热量传递给光纤光栅传感器。实验现场如图6所示。

图6 实验现场图

工况①：单点渗漏。在对碳纤维层加热完成后，分别记录3处不同位置的阀门独立发生渗漏时，其附近测温点的温度变化情况。

工况②：多点渗漏。在对碳纤维层加热完成后，将3处阀门打开，同时发生渗漏，记录此3处附近测温点的温度变化情况。

阀门安装位置如图7所示。1号阀门的位置对测温点1影响最大；2号阀门的位置对测温点5影响最大；3号阀门的位置对测温点8影响最大。主要研究1、5、8这3个测温点的温度随时间的变化情况。

图7 阀门安装位置示意图

最小阈值测试：该方法需要渗漏介质对感温光栅区域有温度上的影响，因此必须通过实验测出光纤传感器能响应的最小渗漏量。

通电使得碳纤维层温度升高，待各测温点数据超过室温，调整激励的电压直到光纤传感器测量温度高于室温6 ℃且稳定后，采集在整个过程中光纤传感器的温度数据。

打开阀门模拟渗漏，并用量筒接收渗漏水的体积以计算流量。采用1 min渗漏计时，经过多次实验和渗水量的调整，对比分析得出此法能够监测的最小水流量为180 mL/min。

4 实验结果分析

将光纤传感分析仪分析软件中的实验数据导出，绘制各个测温点的温度随时间变化的曲线。加热阶段结束时，打开1号阀门，可观察到接收渗漏位置(此处为测温点1)的温度较其他测温点有较大变化，如图8所示。

图8 测温点温度随时间变化曲线

单独分析接收渗漏的测温点1、5、8在工况①中不同阶段的温度变化趋势，如图9～图11所示。

图11 测温点8温度变化曲线

工况①分析：3个测温点变化趋势一致，以测温点1为例，如图9所示，0～30 s时为管道及光纤处于室温18 ℃的情况；30 s开始到130 s时为碳纤维被加热，光纤温度随之升高并趋于稳定的过程；从130 s开始到175 s为测温点采集温度变化的过程；175 s后为关闭阀门，渗漏解除，温度逐渐回升的过程。

图9 测温点1温度变化曲线

图10 测温点5温度变化曲线

分析以上3个测温点采集温度变化的过程可得各测温点降温速率如表2所示。

表2 测温点降温速率表

3个点的监测渗漏效果都比较明显，在渗漏处均有5 ℃左右的温度波动，且对渗漏的响应时间均较短暂，可以从分析软件很直观地观察到测温点温度降低，验证了此法对于微量渗漏监测的有效性。测点8降温速率较其他点慢，分析原因可得，在渗漏时，管道斜壁侧水流呈喷射式流出，会使测温点较难捕捉到水流，使其降温速率下降。

工况②情况下，3处阀门同时打开，3个测点的温度变化情况如图12所示。

图12 3个测点温度变化曲线

工况②分析：从图12中可以看出，每个点数据的变化趋势与单独渗漏的变化趋势相同。3个受水温影响的测温点均能下降5～6 ℃，其中测温点8温度开始降低的时间比其余两点早10 s,分析原因，此点位置距离测温点较近，且此处导流槽汇聚水流效果较好，相对其余两处测温点可更早地显示出温度下降情况。3点同时发生渗漏的曲线结果可与单独发生渗漏的结果相对应，虽有较小差别，但均有较明显的温度下降，结合该测温点的位置，由此得出发生渗漏的大致位置，再次验证了此法用于监测管道渗漏的有效性。

5 结束语

基于分布式光纤光栅传感器的测温原理，提出了一种新型监测管道渗漏的方法，采用模拟实际渗漏的实验方式验证了此方法的有效性，并与有限元仿真结果进行了对比，证明了实验数据的合理性。但各测点存在监测效果有较小差别的现象，分析可得以下几点原因：①各个阀门的渗漏量即使控制在一定范围内，也无法保证每个测温点接收水的流量相同，在一定范围内，接收流量越大的测温点温度变化越明显。②每个测温点周围导流槽汇聚水流的效果不同，汇聚水流越多的点温度下降越明显。