摘 要：對(duì)鋼材銹蝕檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，分析布里淵光纖傳感器的測(cè)量機(jī)理。在試驗(yàn)條件下，采用布里淵光纖傳感器對(duì)浸入氯化鈉水溶液的預(yù)制直埋熱水保溫管工作鋼管外壁的銹蝕程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。布里淵光纖傳感器靈敏度高，可有效監(jiān)測(cè)工作鋼管外壁前期銹蝕情況，監(jiān)測(cè)范圍大，可滿足實(shí)際工程需求。
關(guān)鍵詞：預(yù)制直埋熱水保溫管； 布里淵光纖傳感器； 銹蝕； 在線監(jiān)測(cè)
Brillouin Fiber Optic for Monitoring Prefabricated Directly Buried Insulating Pipe Corrosion
Abstract：The research status of steel corrosion detection technology is introduced，and the measurement mechanism of Brillouin fiber optic sensor is analyzed．Brillouin fiber optic sensor is used for monitoring the corrosion extent of steel carrier pipe outer wall of prefabricated directly buried hot water insulating pipe immersed in aqueous sodium chloride solution under the experimental condition．Brillouin fiber optic sensor can effectively monitor the early stage corrosion of the steel carrier pipe outer wall due to its high sensitivity，and can meet the demand of practical engineering due to its large monitoring scope．
Keywords：prefabricated directly buried hot water insulating pipe；Brillouin fiber optic sensor；corrosion；on-line momtoring
1 研究現(xiàn)狀
鋼材銹蝕是一個(gè)世界性難題，特別是長(zhǎng)時(shí)間工作在惡劣環(huán)境下的埋地管道，銹蝕更加嚴(yán)重[1]。根據(jù)2003年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中國(guó)集中熱網(wǎng)的管道總長(zhǎng)度已超過7×104km，并且每年保持約8％的增長(zhǎng)速度[2]。由于采用預(yù)制直埋保溫管(以下簡(jiǎn)稱保溫管，由PE保護(hù)層、聚氨酯保溫層、工作鋼管組成)的直埋敷設(shè)方式具有占地面積小、施工期短、維護(hù)量小、工程造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而被大多數(shù)集中供熱工程所采用。但是，隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，工作鋼管外壁易出現(xiàn)銹蝕，特別是管道接頭部位及安裝過程中PE保護(hù)層破損部位。目前，在直埋敷設(shè)供熱管道事故中，約有90％是由于工作鋼管銹蝕引起泄漏造成的[3]。因此，有必要建立有效的銹蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)更換銹蝕嚴(yán)重的保溫管，保證供熱管網(wǎng)的安全運(yùn)行，避免盲目更換。
目前，主要采用電化學(xué)方法檢測(cè)鋼材電化學(xué)銹蝕程度、速度，如半電池電位法、交流阻抗法、線性極化電阻法、恒電量法、電化學(xué)噪聲法等。但這些方法不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)警，且檢測(cè)參數(shù)單一，穩(wěn)定性較差，通常只能對(duì)銹蝕較嚴(yán)重的鋼材進(jìn)行定性檢測(cè)?；诠鈱W(xué)方法的光纖傳感器直徑小，重量輕，且具有抗強(qiáng)電磁干擾、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，集信息傳輸與傳感于一體，易集成至難以接近的待測(cè)區(qū)域，有望克服傳統(tǒng)銹蝕檢測(cè)方法的缺陷[4]。
K．D．Bennett等人[5]。提出的基于“腐蝕保險(xiǎn)絲”的光纖傳感器以及P．L．Fuhr等人[6]建立的反射式光纖傳感方案只能監(jiān)測(cè)是否發(fā)生腐蝕，不能連續(xù)反映腐蝕的過程及在線監(jiān)測(cè)銹蝕狀態(tài)。J．A．Greene等人設(shè)計(jì)了預(yù)拉應(yīng)變光纖光柵(Fiber B，aggGrating，FBG)傳感器，但影響光纖光柵應(yīng)變改變量的因素還需進(jìn)一步研究[7]。江毅等人[8]設(shè)計(jì)了基于鋼筋腐蝕體積膨脹的光纖光柵傳感器，但檢測(cè)范圍有限。由以上分析可知，傳統(tǒng)光纖傳感器的性能和檢測(cè)范圍往往不能滿足實(shí)際需求[9]。近年來，基于布里淵光時(shí)域分析(Brillouin Optical Timer Domain Analysis，BOTDA)的監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比較，BOTDA技術(shù)具有長(zhǎng)距離、耐腐蝕、分布式監(jiān)測(cè)(每個(gè)光纖傳感器都可獨(dú)立地處理其自身信息，之后將各決策結(jié)果送至數(shù)據(jù)中心，再進(jìn)行處理)以及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以直接利用普通通信光纖作為傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)km級(jí)范圍內(nèi)應(yīng)變與溫度的連續(xù)分布式在線監(jiān)測(cè)[10]。由于其良好的性能，可以應(yīng)用于直埋保溫管的銹蝕監(jiān)測(cè)。
2 布里淵光纖傳感器測(cè)量機(jī)理
基于BOTDA技術(shù)的光纖傳感器(以下簡(jiǎn)稱布里淵光纖傳感器)是布里淵散射與0TDR(Optical Time Domain Reflect Meter，光時(shí)域反射儀)探測(cè)技術(shù)相結(jié)合的分布式光纖傳感器。布里淵光纖傳感器接收的是布里淵后向散射光，與泵浦光比較，布里淵后向散射光會(huì)發(fā)生頻率的漂移[11]。布里淵頻移¦B主要由入射光頻率¦0、光纖纖芯介質(zhì)折射率n、光纖內(nèi)聲速u決定，布里淵頻移¦B的表達(dá)式為：
式中¦B——布里淵頻移，MHz
¦0——入射光頻率，MHz
n——光纖纖芯介質(zhì)折射率
u——光纖內(nèi)聲速，m／s
uc——光在真空中的速度，m／s
當(dāng)光纖發(fā)生溫度變化及應(yīng)變時(shí)，光纖纖芯介質(zhì)折射率n和光纖內(nèi)聲速刊每發(fā)生變化，從而導(dǎo)致布里淵頻移的改變，通過檢測(cè)布里淵頻移的變化量就可獲知溫度變化量和應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控[12]。在監(jiān)測(cè)過程中，若溫度和光纖應(yīng)變兩個(gè)物理量同時(shí)發(fā)生變化，則需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度修正。
光纖在被測(cè)結(jié)構(gòu)中連續(xù)分布，可以給出大范圍空間內(nèi)某一信息沿光纖經(jīng)過位置的連續(xù)分布情況。當(dāng)布里淵光纖傳感器用于鋼管外壁銹蝕程度監(jiān)測(cè)時(shí)，將光纖直接纏繞在鋼管表面，因此對(duì)鋼管的銹蝕比較敏感，輕微銹蝕后即可立即檢測(cè)到。但當(dāng)鋼管表面發(fā)生嚴(yán)重銹蝕后，由于鐵銹直接與光纖接觸，光纖受力復(fù)雜，加上光纖屬于脆性材料，抗剪能力差，傳感器易遭到破壞。
3 布里淵光纖傳感器性能試驗(yàn)
3．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試件為一段長(zhǎng)度為200mm的鋼管(材質(zhì)為Q235)，對(duì)銹蝕測(cè)試段外壁進(jìn)行拋光處理，拋光后測(cè)試段外直徑為73.8mm，壁厚為3.5m。試件中光纖的布置方式見圖l。在距鋼管端面50mm處纏繞光纖層(傳感段)，纏繞時(shí)使光纖帶有一定的預(yù)應(yīng)力，保證光纖與鋼管表面緊密接觸，纏繞的光纖總長(zhǎng)度在4m左右。將光纖用環(huán)氧樹脂膠固定在鋼管上，傳感段的引出端與帶保護(hù)套的傳輸光纜熔接，將熔接處進(jìn)行保護(hù)處理，并在鋼管兩端的引出位置用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行固定。光纖設(shè)置完畢后，在鋼管與PE保護(hù)管間進(jìn)行發(fā)泡處理。
試驗(yàn)時(shí)，采用電化學(xué)加速銹蝕：將傳感段通過傳輸光纖接入光纖回路，并將試件放置在裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的NaCl水溶液的水箱中，銅導(dǎo)線與水箱底部的鋼板連接，通入直流電以加速銹蝕。光纖回路中設(shè)置布里淵分析儀(DiTest STA200系列)，采樣時(shí)間間隔為l.0h，測(cè)量的采樣間隔為0.41m，空間分辨率為1.0m。傳感段光纖的有效長(zhǎng)度為4m左右，因此分布在測(cè)試段上的有效測(cè)點(diǎn)至少為7個(gè)，選取其中的5個(gè)連續(xù)有效測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。
本文推導(dǎo)的鋼管銹蝕評(píng)價(jià)公式僅適用于圖l的光纖布置方式，并進(jìn)行如下設(shè)定：①傳感段的實(shí)際厚度很小，因此推導(dǎo)過程中忽略傳感段的厚度。②鋼管在NaCl溶液中發(fā)生均勻銹蝕，即銹蝕發(fā)生后測(cè)試段仍為圓環(huán)形截面，在測(cè)試過程中，所有的銹蝕產(chǎn)物均留在傳感段內(nèi)，不向傳感段外溢出。③測(cè)試過程中，室內(nèi)溫度保持恒定，即忽略溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
銹蝕發(fā)生后測(cè)試段鋼管質(zhì)量損失率占的計(jì)算式為：
式中e——銹蝕發(fā)生后測(cè)試段鋼管質(zhì)量損失率
D0——發(fā)生銹蝕前測(cè)試段外直徑，mm
D1——發(fā)生銹蝕后測(cè)試段不包含銹蝕層的外直徑，mm
d——發(fā)生銹蝕前測(cè)試段壁厚，mm
傳感段光纖應(yīng)變e的計(jì)算式為：
式中e——傳感段光纖應(yīng)變
D2——發(fā)生銹蝕后測(cè)試段包含銹蝕層的外直徑，mm
發(fā)生銹蝕后測(cè)試段的外直徑應(yīng)滿足下式：
h(D02-D12)＝D22-D12 (4)
式中h——由銹蝕導(dǎo)致的測(cè)試段體積膨脹率
式(4)可表達(dá)成：
在銹蝕較輕的情況下，可認(rèn)為
則(5)式可簡(jiǎn)化為：
由式(2)、(3)、(6)可消去D1、D2，得到占的計(jì)算式為：
式(7)即為鋼管銹蝕評(píng)價(jià)公式。
4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理
在電化學(xué)加速銹蝕的情況下，試件經(jīng)過2d持續(xù)腐蝕后，布里淵分析儀基本監(jiān)測(cè)不到應(yīng)變的變化，此時(shí)停止試驗(yàn)。測(cè)試段銹蝕前后的情況分別見圖2、3。
將5個(gè)連續(xù)有效測(cè)點(diǎn)的光纖平均應(yīng)變作為傳感段光纖平均應(yīng)變，傳感段光纖平均應(yīng)變隨測(cè)試時(shí)間的變化見圖4。
由測(cè)試結(jié)果可知，發(fā)生銹蝕前測(cè)試段外直徑D1為73.8mm，電化學(xué)加速銹蝕結(jié)束后測(cè)試段鋼管不包含銹蝕層的外直徑D1為72.8mm，代入式(2)可計(jì)算得到電化學(xué)加速銹蝕結(jié)束后測(cè)試段鋼管質(zhì)量損失率e為0.149，此時(shí)傳感段光纖的應(yīng)變?yōu)?span lang="EN-US">2161.0×10-6。由式(7)可計(jì)算得到，由銹蝕導(dǎo)致的測(cè)試段體積膨脹率h為l.16。設(shè)定在鋼管發(fā)生銹蝕后h保持不變，則可由布里淵分析儀讀取的傳感段光纖應(yīng)變及式(7)計(jì)算得到各時(shí)刻測(cè)試段鋼管質(zhì)量損失率。測(cè)試段鋼管質(zhì)量損失率隨測(cè)試時(shí)間的變化見圖5。
5 結(jié)論
①布里淵傳感器在鋼管開始銹蝕的1h內(nèi)就能檢測(cè)到傳感段光纖的應(yīng)變，靈敏度高，能夠有效監(jiān)測(cè)鋼管的前期銹蝕情況。
②該試驗(yàn)中布里淵傳感器可以監(jiān)測(cè)的鋼管最大質(zhì)量損失率達(dá)16％左右，監(jiān)測(cè)范圍大，可滿足實(shí)際熱網(wǎng)工程需求。
③傳感段光纖及傳輸光纖均采用普通光纖，價(jià)格低廉，因此布里淵傳感器的成本比較低。光纖成分為SiO2，化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，使用壽命較長(zhǎng)，能夠適用于直埋熱水保溫管工作鋼管外表面銹蝕的監(jiān)測(cè)。
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本文作者：于海洋 李祥立 趙雪峰
作者單位：大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部
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