基于光纤传感系统的管道动力响应安全检测与分析

张国宁

(山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

受服务年限及运行环境影响，我国城市供水管道出现了不同程度的损伤，进而引发了城市供水管道泄漏，城市居民生活和工业生产供水均受到严重影响[1- 3]。为此，我国学者展开了大范围的研究。然而，现有研究多是从供水管道修复角度展开，如，引入修补材料等[4- 6]。而在供水管道修复中，管道损伤的快速检测往往是较大的挑战。研究开发出行之有效的管道损伤快速检测技术，不仅有利于快速开展管道泄漏点的修复工作，还可以基于该技术在管道破坏之前便发现损伤，并展开修复，防止问题的产生[7]。本次研究基于现场试验，深入验证了MOFDS系统在供水管道损伤检测中的应用可行性。研究成果为我国城市管道损伤检测和修复工作提供了借鉴作用。

1 微结构光纤传感技术

在构建MOFDS系统过程中，需要使用布拉格光栅阵列(Fiber Bragg Grating)作为微结构的传感单元，具有精度高、使用可靠的特点。据此，结合相关结构模式耦合基本理论，我们可以得出：

R=tan2(kL)

(1)

(2)

式中，R—是反射率，%；P—是横向传播距离，m;k—折减系数;L—长度，m;Δλ—带宽，dB；λB—波长，m;Δn—反射角，(°);neff—有效的反射角，(°)。根据现有研究结果表明，MOFDS系统在检测领域具有非常好的应用前景，其具备精确高、速度快、能够长距离应用的优点。综上所述，将MOFDS系统应用到城市长距离供水管道的损伤监测和中具有很广阔的应用前景。

2 试验设计

2.1 工程背景

本次研究依托于我国某城市供水管道修复工程项目，根据现场调查与相关资料查阅显示，该城市目前市区供水管网总长超过480km，其中，修建于20世纪60年代的供水管网长度超过140km，修建于20世纪70年代的供水管网长度超过80km，修建于20世纪80年代的供水管网长度超过70km，修建于20世纪60年代的供水管网长度接近100km。目前，该城市的管道存在较多问题，其中最为广泛、频次最高的问题就是管道的泄漏问题。由于服务年限较长，管道出现了老化损伤、漏失率高和维修率高。

2.2 光纤布置

根据调查，本次研究的小区管道修建于20世纪70年代，后经历过断断续续的多次维修与修补。根据调查显示，沿该小区的供水管道分布有不同长度、不同类型的管道损伤结构。本次试验的研究对象为长度为10m供水管道，通过试验段上不同检测位处粘贴微结构光纤，实现对振动荷载下管道声波信号检测。

2.3 试验方案

为深入分析MOFDS系统在城市供水管道损伤检测中的应用可行性，本次现场试验研究共设计了不敲击、正点敲击、相邻检测位敲击及持续振动荷载共4种条件下供水管道的检测试验。本试验的主要目的在于验证MOFDS系统在城市供水管道损伤检测中的应用可行性，因此设计了两部分试验。其中，第一组试验是利用持续的振动荷载对管道进行敲击，获得声波信号的3D展示图，从而验证MOFDS系统的应用性能；第二组试验是在供水管道上不敲击或通过敲击不同地方，探讨MOFDS系统的检测性能及其在供水管道损伤定量分析中的应用可行性。

3 MOFDS系统损伤监测初步应用分析

当利用持续振动荷载沿管道方向对供水管道进行敲击时，可得到供水管道完整的振动信号，试验结果如图1所示。图1为振动信号下管道信号的3D展示图，图中x轴表示不同检测检测位的相对空间位置，y轴则为时间，z轴表示的是振动信号的强度。由图可知，在供水管道中，振动所造成的声波信号的传输是逐渐衰退的，且衰退速度高于声波在完整管道传递中的衰减速度，这说明各管道阶段中均存在损伤。此外，不同检测位下，声波信号的衰减速率不同。经过细致对比时间和空间检测位坐标，我们可以发现，在第4检测位、第14检测位和第27检测位附近，振动声波信号的衰减速率要显著高于其他检测位的衰减速率，而第9检测位和第19检测位处衰减速率则显著低于其他检测位的衰减速率。根据上述试验结果我们可以判断，该供水管道在第4检测位、第14检测位和第27检测位处的损伤较为严重，因此相对而言，振动声波的损耗率也显著高于其他检测位；而在第9检测位和第19检测位处管道较为完整，管道的损伤程度很小，因此声波信号的损耗程度也相对较小，振动声波的衰减速率也很慢。

图1 持续振动荷载影响下全管道振动信号三维显示结果

4 管道监测信号定量分析

4.1 无干扰荷载

基于现场试验，得到不敲击条件下城市供水管的振动声波信号试验结果如下图2所示。由图2可知，在无敲击的条件下，城市供水管道上反馈回来的信号是比较微弱的，由此可见，系统初始干扰信号的干扰程度可以忽略不计。进一步观察图2可知，系统导致的信号强度均地域0.06，而检测装备可检测到的最大信号强度是3.14。综上所述，无敲击干扰条件下干扰信号的干扰程度低于5%，这对于整体试验结果是可以接受的，因此可见，本次试验的干扰因素是可以忽略不计的，其对检测试验结果的影响很小。

图2 无干扰条件下管道振动信号试验结果

4.2 正点敲击与邻近点敲击对比

邻近敲击和正点敲击情况下，供水管道的电信号反馈结果如图3所示，图3(a)与图3(b)分别代表了敲击相邻检测位及敲击对应检测位两种不同情况下城市供水管道的振动信号试验结果。由图3可知，当利用铁锤敲击管道后，管道开始剧烈震动，并反馈出比较强烈的振动信号；而随着振动波的不断传播，MOFDS系统所收到的振动信号则展示出类阻尼振动的变化趋势，即管道的信号随振动时间呈现出指数型衰减的变化趋势。同理，正点敲击情况下，振动信号也表现出的相同的变化趋势。进一步对比临近敲击(2m)和正点所获得的信号之间的差异，由图4可知，当锤子进行正点敲击情况下，最大的信号强度能够达到2.8；而敲击相邻检测位条件下，检测位所能检测到的最大信号强度值较正点敲击检测位条件下降低35.71%。笔者认为，当管道不同检测位之间存在不同程度的损伤时，敲击情况下管道的动力响应特征信号会被弱化，声波信号在供水管道中传播也会发生损耗，因此反馈回来管道的振动信号强度也有所降低。综上所述，通过在供水管道不同检测位处合理的设置多个MOFDS系统检测检测位，当在管道不同的部位进行敲击后，反馈到系统中的信号强度就存在一定的差异，因此可以清楚了解到供水管道损伤发生的具体位置；此外，信号强度的不同也可以在一定程度定量反应管道的损伤程度。

图3 正点敲击与邻近点敲击验管道振动信号试验结果

5 结语

(1)持续振动荷载下，振动所造成的声波信号在供水管道上的传输是逐渐衰退的，且衰退速度高于声波在完整管道传递中的衰减速度，这说明各管道阶段中均存在损伤。不同检测位下，声波信号的衰减速率不同，由此可以初步判断供水管道的损伤发生点。

(2)当锤子进行正点敲击情况下，最大的信号强度能够达到2.8；而敲击相邻检测位条件下，检测检测位所能检测到的最大信号强度值较正点敲击检测位条件下降低35.71%，基于MOFDS系统可以初步定量分析供水管道的损伤程度。

(3)本次研究所探讨的情形较少，检测结果也仅能判断供水管道损伤发生具体位置和大致程度，不能判断损伤的类型，下一步可以针对信号的不同特征，开展损伤类型的判断研究工作。