内压作用下PCCP变形光纤监测技术研究

于小苇

（辽宁水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110003）

0 引 言

根据国内外预应力钢筒混凝土管（PCCP）的综合应用现状及在工程中的具体发挥的作用，研究PCCP对于安全方面的影响，已经不能够满足大型重要工程的基本需要。对于基础理论方面的研究，没有比较深入的探索，相关的试验和试验研究工作也是非常少的。并且因为资金方面会受到限制，没有足够的实验设备，对于PCCP的现场原型试验，所获得的研究结果已经不能够满足当前对于结构理论的深入需求。PCCP如果发生了断丝现象，会极大的影响到正常使用极限状态，开裂之后内水的压力会不断的处于降低的状态，如果断丝的范围是比较大的时候，预应力管体自身重量，土的压力，以及流体自重等各方面的综合影响之下，就会失去承载的能力，并且没有办法能够继续承担内水的压力，这种情况下会在内水压力作用下，发生爆管事故。所以当前需要在运行PCCP的具体过程之中，寻求一种有效的手段，来进行比较严格的监管控制PCCP断丝现象发生。中国现在的经济处于不断的上升时期，且PCCP管道应用的范围也是非常广泛的，所以需要使用监测技术，来不断的监控管理PCCP，促进经济的发展。

1 管道概念

PCCP是一种新型的混凝土复合管，是比较优质、新型的高强复合管，在世界上的使用范围比较广泛。PCCP是需要在一种在混凝土材质的管芯中，向其中镶入钢筒体，同时会在管芯的外面使用缠绕预应力高强钢丝的方法，在表层喷涂一层水泥砂浆，所以说PCCP是一种复合管材。PCCP是中国出现的一种比较新型的输水管材，具有非常广泛的适用范围，并且使用寿命比较长，具有比较好的抗震性能，同时安装起来也非常方便，运行所使用的费用也是比较低的，还具有不漏水的优点。因此，PCCP广泛的应用于长距离的输水，城市给水，污水管道，农业灌溉用水等各方面。

2 发展现状以及存在问题

从20世纪40年代开始，美国就已在长距离的高压输水工程中大量使用PCCP。中国开始应用PCCP是从1988年开始的，现阶段PCCP已经被广泛的应用于各个领域，中国的水利工程、电力工程、市政给排水工程等多个领域都已经开始应用PCCP，并且中国年设计生产能力已经达到了上千公里的目标。但PCCP管道在具体的生产过程，以及实际的运行过程中，都会受到周围各种环境因素的影响，并且这些环境因素都会影响到PCCP管道的使用，会使得PCCP管道的预应力钢丝发生被腐蚀的现象，还有一部分的钢丝在被腐蚀之后，会严重的发展到断丝的地步，那么如果PCCP管道在相同的位置出现了多股断丝的情况，管道的强度就会有非常明显的降低，最后甚至会导致发生爆管的现象。所以在PCCP管道具体运营中，一定要使用比较有效的监测技术来进行监控管理，需要建立起一套具有针对性的在线监测系统，针对PCCP管线安全运营实行在线监测的方式进行比较实时的监测工作，然后及时发现有关PCCP管道发生损坏的具体情况，及时进行维修和处理工作，尽量减少安全事故发生的几率。

PCCP是一种比较新型的组合结构管材，现国内外的许多学者都已经开始深入研究了一些大口径PCCP管道，并且在此过程中得到了一些比较有参考意义的结果，但是有关于如何判断超大口径PCCP原型管的相关断丝检测试验不多，且有关于研究这方面的检测技术也是比较少的。目前意大利发明了一套有关于PCCP管道的断丝检测设备，但是它的技术是保密状态，并且价格也非常昂贵，因此应及时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。根据相关文献记载，在最近的50年期间，美国在使用PCCP管道过程中已经发生了许多爆管事故，所以美国混凝土压力管协会高度强调重视PCCP发生破坏的原因，并且在他们有关的技术报告中发生的爆管事故，大部分都是因为周围的环境腐蚀预应力钢丝而导致的。PCCP的破坏还有许多因素，如保护层质量比较差、预应力钢丝差等各种原因，Mehdi Zarghamee在2003年，首次提出了需要从断丝的数量，使用年限，损坏情况等多角度来进行考虑，并从中找出可以修补断丝的方法。

3 变形监测技术研究

中国变形监测技术方面的研究工作，始于20世纪50年代，已经发展半个世纪，形成了一套比较完整的理论体系。最近的20年来，大型工程建设中许多先进的仪器设备也开始不断发展使用，使得我国的变形监测工作取得了不错的成绩。在早期所使用的变形监测技术，主要是使用比较精密的光学测量仪器，如早期的变形监测采用精密的光学测量仪器进行观测，随着电子仪器的发展，把应变计、钢筋计等各种电子仪器广泛的应用于变形监测工作中，使得变形监测工作，在提高自身的工作效率同时已经开始走向了自动化、智能化的方向，特别是现在已经出现了许多如GPS，全站仪的先进仪器，由于计算机的优化数据的处理技术，变形监测工作已经使用了采集数据、传输数据、存储数据、自动化处理数据的方式。近年来，变形监测工作中又出现了若干新的技术方法，这些新技术拥有广阔的应用前景。尤其是现在发展比较好的是光纤监测技术，是一种把光学、电子学都融为一体的新型技术，光纤监测技术的核心在于光纤传感器。从大范围来说，只要是使用了光纤技术的传感器，都可以被称之为光纤传感器，光纤传感器还可以分为两种类型：传光型光纤传感器和传感型光纤传感器。传光型光纤传感器已经被广泛应用，尤其是在我国的数字通信领域有着很好的前景，并且在变形监测系统中也被用来传输数据，所以它通常被用来测量温度。

4 光纤监测系统的特点

为了很好的应用PCCP管道使其不发生管道爆炸的情况，就需要很好的使用光纤监测技术来进行检测管理，并且光纤监测系统有其自身的优势，首先具有比较小的物理尺寸，所以它可以包括更多的监测内容，其次光纤监测系统具有比较高的耐温的能力，可以抵抗高温，同时还可以通过数据来传输通道，甚至还可以在超过1 000℃的恶劣环境中被应用，并且光纤监测系统还是具有较高的可靠性，同时也是一种最简单化的传感单元，还具有抗干扰的能力，可以抵抗无线电以及供电系统的干扰作用。

5 光纤监测技术的相关研究

Rregory·J·Henry等仔细研究了美国休斯顿市发生的几起比较典型的PCCP事故，从中发现如果管道埋置的深度已经超过了设置的数值，就会使其发生额外的负荷，导致钢丝断裂。通过使用声学光纤监测系统研究也可评估PCCP的安全性能，Rudy Loera在2007年建立了一套比较可靠的系统，并且提出在系统中起到重要作用的是预应力钢丝，认真的分析研究了断丝的形式以及影响区域，同时也分析了纵向裂缝和环向裂缝，并且明确提出了断丝和裂缝的严重危害。通过不断的检测管道发生的断丝情况，以及发生断丝的具体位置，提出了需要使用电磁和涡电流综合技术来进行监测断丝的情况，预测了断丝的发展趋势。在中国，有使用ANSYS来进行模拟PCCP，然后开始从制造施工和运行过程的受力状态这个角度来进行分析探讨，研究了PCCP会发生变形以及应力和裂缝的原因，以及可能在不同负荷情况下的发展规律。胡少伟通过研究南水北调工程中使用的PCCP管道监测技术，重点是根据超大口径PCCP的具体结构，然后进行了一系列的原型观测工作，在理论上进行了解析，以及数值模拟的各项工作，并且提出了PCCP结构需要的质量控制体系。和一些国外的研究进行比较会发现对于PCCP的研究进度其实是比较落后的，大部分也只是在改良生产的工艺技术，或者是开始使用CAE软件进行模拟分析，并且对于PCCP结构承载的影响方面所进行的研究也是比较少的，特别是断丝监测、断丝精确定位等方面在我国仍然没有明确的理论依据。目前对于PCCP管道所进行的监测技术有电磁法检测和声检测，现在发展比较迅速的还是光纤监测技术，主要是使用光纤传感器来进行检测，由于光纤监测技术的自身优势以及特点，所以PCCP管道监测工作还是比较顺利的。

6 结语

中国经济正处于不断发展之中，PCCP管道已经被应用于各大企业，尤其是在城市的长距离的输水等方面有重要作用，同时它具有比较长的使用寿命，以及良好的抗震性能性能等各方面的优势也使得其在城市工程中脱颖而出，虽然PCCP应用的范围比较广泛，被应用于各个领域，但是仍然存在着一些不可避免的问题，需要通过使用各种监测技术来管理，在这其中光纤监测技术已经被大范围的应用，需要对PCCP管道进行实时监测工作，只有这样才可以发挥PCCP管道的重要作用，为城市工程作出贡献。促进经济的不断发展，提高企业在国际中的竞争力。

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