摘 要

摘　要：对钢材锈蚀检测技术的研究现状进行介绍，分析布里渊光纤传感器的测量机理。在试验条件下，采用布里渊光纤传感器对浸入氯化钠水溶液的预制直埋热水保温管工作钢管外壁的锈

摘　要：对钢材锈蚀检测技术的研究现状进行介绍，分析布里渊光纤传感器的测量机理。在试验条件下，采用布里渊光纤传感器对浸入氯化钠水溶液的预制直埋热水保温管工作钢管外壁的锈蚀程度进行监测。布里渊光纤传感器灵敏度高，可有效监测工作钢管外壁前期锈蚀情况，监测范围大，可满足实际工程需求。

关键词：预制直埋热水保温管；  布里渊光纤传感器；　锈蚀；  在线监测

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　研究现状

钢材锈蚀是一个世界性难题，特别是长时间工作在恶劣环境下的埋地管道，锈蚀更加严重^[1]。根据2003年统计数据，中国集中热网的管道总长度已超过7×10⁴km，并且每年保持约8％的增长速度^[2]。由于采用预制直埋保温管(以下简称保温管，由PE保护层、聚氨酯保温层、工作钢管组成)的直埋敷设方式具有占地面积小、施工期短、维护量小、工程造价低、使用寿命长等特点而被大多数集中供热工程所采用。但是，随着服役时间延长，工作钢管外壁易出现锈蚀，特别是管道接头部位及安装过程中PE保护层破损部位。目前，在直埋敷设供热管道事故中，约有90％是由于工作钢管锈蚀引起泄漏造成的^[3]。因此，有必要建立有效的锈蚀监测系统，实现及时更换锈蚀严重的保温管，保证供热管网的安全运行，避免盲目更换。

目前，主要采用电化学方法检测钢材电化学锈蚀程度、速度，如半电池电位法、交流阻抗法、线性极化电阻法、恒电量法、电化学噪声法等。但这些方法不能实现在线监测、自动预警，且检测参数单一，稳定性较差，通常只能对锈蚀较严重的钢材进行定性检测。基于光学方法的光纤传感器直径小，重量轻，且具有抗强电磁干扰、耐高温等优点，集信息传输与传感于一体，易集成至难以接近的待测区域，有望克服传统锈蚀检测方法的缺陷^[4]。

K．D．Bennett等人^[5]。提出的基于“腐蚀保险丝”的光纤传感器以及P．L．Fuhr等人^[6]建立的反射式光纤传感方案只能监测是否发生腐蚀，不能连续反映腐蚀的过程及在线监测锈蚀状态。J．A．Greene等人设计了预拉应变光纤光栅(Fiber B，aggGrating，FBG)传感器，但影响光纤光栅应变改变量的因素还需进一步研究^[7]。江毅等人^[8]设计了基于钢筋腐蚀体积膨胀的光纤光栅传感器，但检测范围有限。由以上分析可知，传统光纤传感器的性能和检测范围往往不能满足实际需求^[9]。近年来，基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Timer Domain Analysis，BOTDA)的监测技术发展迅速，与传统监测技术相比较，BOTDA技术具有长距离、耐腐蚀、分布式监测(每个光纤传感器都可独立地处理其自身信息，之后将各决策结果送至数据中心，再进行处理)以及抗电磁干扰等优点，可以直接利用普通通信光纤作为传感器进行监测，实现km级范围内应变与温度的连续分布式在线监测^[10]。由于其良好的性能，可以应用于直埋保温管的锈蚀监测。

2　布里渊光纤传感器测量机理

基于BOTDA技术的光纤传感器(以下简称布里渊光纤传感器)是布里渊散射与0TDR(Optical Time Domain Reflect Meter，光时域反射仪)探测技术相结合的分布式光纤传感器。布里渊光纤传感器接收的是布里渊后向散射光，与泵浦光比较，布里渊后向散射光会发生频率的漂移^[11]。布里渊频移¦B主要由入射光频率¦0、光纤纤芯介质折射率n、光纤内声速u决定，布里渊频移¦B的表达式为：

 

式中¦B——布里渊频移，MHz

¦0——入射光频率，MHz

n——光纤纤芯介质折射率

u——光纤内声速，m／s

uc——光在真空中的速度，m／s

当光纤发生温度变化及应变时，光纤纤芯介质折射率n和光纤内声速刊每发生变化，从而导致布里渊频移的改变，通过检测布里渊频移的变化量就可获知温度变化量和应变，实现对被监测对象的实时监控^[12]。在监测过程中，若温度和光纤应变两个物理量同时发生变化，则需要对测试结果进行温度修正。

光纤在被测结构中连续分布，可以给出大范围空间内某一信息沿光纤经过位置的连续分布情况。当布里渊光纤传感器用于钢管外壁锈蚀程度监测时，将光纤直接缠绕在钢管表面，因此对钢管的锈蚀比较敏感，轻微锈蚀后即可立即检测到。但当钢管表面发生严重锈蚀后，由于铁锈直接与光纤接触，光纤受力复杂，加上光纤属于脆性材料，抗剪能力差，传感器易遭到破坏。

3　布里渊光纤传感器性能试验

3．1　试验设计

试件为一段长度为200mm的钢管(材质为Q235)，对锈蚀测试段外壁进行抛光处理，抛光后测试段外直径为73.8mm，壁厚为3.5m。试件中光纤的布置方式见图l。在距钢管端面50mm处缠绕光纤层(传感段)，缠绕时使光纤带有一定的预应力，保证光纤与钢管表面紧密接触，缠绕的光纤总长度在4m左右。将光纤用环氧树脂胶固定在钢管上，传感段的引出端与带保护套的传输光缆熔接，将熔接处进行保护处理，并在钢管两端的引出位置用环氧树脂胶进行固定。光纤设置完毕后，在钢管与PE保护管间进行发泡处理。

试验时，采用电化学加速锈蚀：将传感段通过传输光纤接入光纤回路，并将试件放置在装有质量分数为5％的NaCl水溶液的水箱中，铜导线与水箱底部的钢板连接，通入直流电以加速锈蚀。光纤回路中设置布里渊分析仪(DiTest STA200系列)，采样时间间隔为l.0h，测量的采样间隔为0.41m，空间分辨率为1.0m。传感段光纤的有效长度为4m左右，因此分布在测试段上的有效测点至少为7个，选取其中的5个连续有效测点进行分析。

 

本文推导的钢管锈蚀评价公式仅适用于图l的光纤布置方式，并进行如下设定：①传感段的实际厚度很小，因此推导过程中忽略传感段的厚度。②钢管在NaCl溶液中发生均匀锈蚀，即锈蚀发生后测试段仍为圆环形截面，在测试过程中，所有的锈蚀产物均留在传感段内，不向传感段外溢出。③测试过程中，室内温度保持恒定，即忽略温度变化对试验结果的影响。

锈蚀发生后测试段钢管质量损失率占的计算式为：

 

式中e——锈蚀发生后测试段钢管质量损失率

D0——发生锈蚀前测试段外直径，mm

D1——发生锈蚀后测试段不包含锈蚀层的外直径，mm

d——发生锈蚀前测试段壁厚，mm

传感段光纤应变e的计算式为：

 

式中e——传感段光纤应变

D2——发生锈蚀后测试段包含锈蚀层的外直径，mm

发生锈蚀后测试段的外直径应满足下式：

h(D0²-D1²)＝D2²-D1² 　　　　   (4)

式中h——由锈蚀导致的测试段体积膨胀率

式(4)可表达成：

 

在锈蚀较轻的情况下，可认为

 

则(5)式可简化为：

 

由式(2)、(3)、(6)可消去D1、D2，得到占的计算式为：

 

式(7)即为钢管锈蚀评价公式。

4　试验数据整理

在电化学加速锈蚀的情况下，试件经过2d持续腐蚀后，布里渊分析仪基本监测不到应变的变化，此时停止试验。测试段锈蚀前后的情况分别见图2、3。

 

 

将5个连续有效测点的光纤平均应变作为传感段光纤平均应变，传感段光纤平均应变随测试时间的变化见图4。

 

由测试结果可知，发生锈蚀前测试段外直径D1为73.8mm，电化学加速锈蚀结束后测试段钢管不包含锈蚀层的外直径D1为72.8mm，代入式(2)可计算得到电化学加速锈蚀结束后测试段钢管质量损失率e为0.149，此时传感段光纤的应变为2161.0×10^-6。由式(7)可计算得到，由锈蚀导致的测试段体积膨胀率h为l.16。设定在钢管发生锈蚀后h保持不变，则可由布里渊分析仪读取的传感段光纤应变及式(7)计算得到各时刻测试段钢管质量损失率。测试段钢管质量损失率随测试时间的变化见图5。

 

5　结论

①布里渊传感器在钢管开始锈蚀的1h内就能检测到传感段光纤的应变，灵敏度高，能够有效监测钢管的前期锈蚀情况。

②该试验中布里渊传感器可以监测的钢管最大质量损失率达16％左右，监测范围大，可满足实际热网工程需求。

③传感段光纤及传输光纤均采用普通光纤，价格低廉，因此布里渊传感器的成本比较低。光纤成分为SiO2，化学性质比较稳定，使用寿命较长，能够适用于直埋热水保温管工作钢管外表面锈蚀的监测。

 

参考文献：

[1]QIAO Guofu，HONG Yi，OU Jinping．Corrosion monitoring of reinforcing steel in RC beam by an intelligent corrosion sensor[C]//Second International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering．Weihai：The International Society for Optical Engineering．2009：1-7．

[2]刘贺明．中国城镇集中供热和燃气现状与发展[C]//第五届国际热电联产分布式能源联盟年会．北京：中国电机工程学会热电专业委员会，2004：1-9．

[3]宋会娜，谭忠奇．直埋敷设供热管网的防锈蚀问题探讨[J]．中国科技博览，2012(5)：141-142．

[4]刘洋．基于光纤传感的钢筋锈蚀监测技术研究(硕士学位论文)[D]．镇江：江苏大学，2009：35-42．

[5]BENNETF K D，LAUGHLIN L R．Monitoring of corrosion in steel structures using optical fiber sensors[M]//Smart Structures and Materials l995：Smart Systems for Bridges，Structures，and Highways．San Diego：SPIE，1995：48-59．

[6]FUHR P L，HUSTON D R．Corrosion detection in reinforced concrete roadways and bridges via embedded fiber optic sensors[J]．Smart Mater．Struct．，l998(2)：217-229．

[7]李俊，吴瑾，高俊启．直接监测钢筋腐蚀的光纤传感技术[J]．传感器与微系统，2007，12(26)：5-7．

[8]江毅，严云．光纤光栅腐蚀传感器[J]．光子学报，2006，35(1)：96-99．

[9]SRIKANTH S，SANKARANARAYANAN T S N，GOPALAKRISHNA K，et al．Corrosion in a buried pressurized water pipeline[J]．Engineering Failure Analysis，2005(4)：634-651．

[10]BALASKO M，SVAB E，KUBA A．et al．Pipe corrosion and deposit study using neutron-and gamma-radiation sources[J]．Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A，2005(1／3)：302-308．

[11]ZHOU Zhi，HUANG Minghua，HE Jianping，et al．Ice structure monitoring with an optical fiber sensing system[J]．Cold Regions Science and Technology，2010(1)：1-5．

[12]ZHAO Xuefeng，LU Jie，OU Jinping．Research on BOTDR sensing technique in structural health monitoring[C]//Earth and Space 2010：Engineering，Science，Construction and Operations in Challenging Environments．Honolulu：American Society of Civil Engineers，2010：2487-2493．

 

本文作者：于海洋  李祥立  赵雪峰

作者单位：大连理工大学建设工程学部