基于蒸发增强型DTS技术的管道常温液体渗漏监测试验研究.pdf

书书书装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）测控技术年 第卷 第期收 稿 日 期：引 用 格 式：乔 小 雷，田 有 良，赖 衍 鹏，等基 于 蒸 发 增 强 型技 术 的 管 道 常 温 液 体 渗 漏 监 测 试 验 研 究测 控 技 术，（）：，（）：基于蒸发增强型技术的管道常温液体渗漏监测试验研究乔 小 雷，田 有 良，赖 衍 鹏，焦 胜 亮，贾 立 翔，张 文 轩（南 京 地 铁 运 营 有 限 责 任 公 司，江 苏 南 京；苏 州 南 智 传 感 科 技 有 限 公 司，江 苏 苏 州）摘 要：管 道 渗 漏 的 实 时 监 测 和 渗 漏 点 的 精 准 定 位 对 保 障 排 水 管 道 安 全 运 行 具 有 重 要 作 用。为 了 弥 补 常规 管 道 渗 漏 监 测 方 法 存 在 的 不 足，基 于 分 布 式 温 度 感 测 技 术，在 蒸 发 式 湿 度 测 量 原 理 的 基 础 上 提 出 了 一种 蒸 发 增 强 型 分 布 式 温 度 传 感（）监 测 法。通 过 室 内 试 验 研 究 了光 缆 对 管 道 常 温 液 体 渗漏 监 测 的 可 行 性，并 探 究 了 风 速 和 湿 度 对 监 测 结 果 的 影 响。试 验 结 果 表 明：采 用法 监 测 管 道 渗漏 具 有 良 好 的 可 行 性，当 环 境 湿 度 为 时，实 测 温 差 为 ，且 风 速 大 的 环境 形 成 的 温 差 会 更 大，更 有 利 于 管 道 渗 漏 的 识 别。该 方 法 简 单 易 行，具 有 体 积 小、抗 电 磁 干 扰、分 布 式、实 时 监 测 等 优 点，为 管 道 常 温 液 体 渗 漏 的 监 测 提 供 了 新 的 思 路。关 键 词：管 道 渗 漏；光 纤 传 感；分 布 式 温 度 感 测 技 术；监 测中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘牶 牞 牗 牘 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 地 下 综 合 管 廊 中 的 给 排 水 管 道 属 于 隐 蔽 性 的 长 距离 线 性 工 程。随 着 管 道 服 役 时 间 的 增 长，在 热 胀冷 缩、疲 劳 老 化、腐 蚀 冲 刷、地 基 环 境 下 降 或 者 意 外挖 掘 等 因 素 的 作 用 下，管 道 极 易 出 现 破 裂、渗 漏 等 异常 情 况，从 而 造 成 大 量 资 源 浪 费 和 经 济 损 失。因 此，管 道 的 渗 漏 监 测 和 渗 漏 点 的 精 准 定 位 对 于 保证 管 道 的 正 常 输 送、保 护 国 民 经 济 与 生 命 财 产 安 全以 及 维 护 社 会 正 常 运 转 都 起 着 十 分 关 键 的 作用。传 统 的 管 道 渗 漏 监 测 方 法 包 括 负 压 力 波 法、容量 平 衡 法、探 地 雷 达 法 和 声 发 射 法 等，存在 成 本 高、定 位 精 度 差、误 报 率 较 高、无 法 长 距 离 监 测和 不 适 合 小 渗 漏 等 缺 点。近 年 来，分 布 式 光 纤 传 感 技术 因 具 有 耐 腐 蚀、质 量 轻、体 积 小、测 量 精 度 高、抗 电 磁干 扰、长 期 稳 定 性 好 和 分 布 式 实 时 监 测 等 优 点，成 为 管 道 渗 漏 监 测 领 域 的 研 究 热 点，一 些 学 者 通 过 对管 道 的 温 度、应 变、振 动等 物 理 量 的 测量 实 现 了 渗 漏 监 测。等于年 利 用 分 布 式 温 度 感 测 技 术（，）技 术 通 过 分 布式 监 测 管 道 附 近 的 温 度 变 化 实 现 了 渗 漏 的 识 别，之 后温 度 异 常 成 为 管 道 渗 漏 监 测 最 常 用 的 方 法。但上 述 方 法 只 适 用 于 渗 漏 液 体 温 度 与 环 境 温 度 具 有 一 定温 差 的 情 况。当 液 体 温 度 和 环 境 温 度 相 近 时，和等 通 过 对 光 缆 进 行 加 热 来 实 现 渗 漏 监测，但 会 给 有 燃 气 管 道 的 管 廊 带 来 火 灾、爆 炸 等 安 全 隐患。等在年 结 合 蒸 发 式 湿 度 测 量 原 理，提出 了 一 种 基 于 光 纤 光 栅（，）技术 的 管 道 渗 漏 监 测 方 法，实 现 了 对 常 温 液 体 的 渗 漏 监测，该 方 法 虽 然 渗 漏 监 测 精 度 较 高，但 监 测 点 有 限 且 需要 安 装 储 水 装 置，无 法 实 现 分 布 式 测 量。公司 的 分 布 式 光 纤 管 道 渗 漏 传 感 器利 用 布 里 渊散 射 和 拉 曼 散 射 对 管 道 周 围 的 温 度 和 应 变 进 行 监 测以 判 断 渗 漏 事 件，但 无 法 识 别 小 渗 漏 事 件 的 发 生，只有 当 渗 漏 量 大 于 管 道 流 量 时 下 才 可 以 监 测到。上 述 基 于 光 纤 传 感 技 术 的 管 道 渗 漏 分 布 式 监 测 方法 虽 然 能 够 实 现 管 道 渗 漏 的 实 时 监 测，但 是 无 法 通 过非 加 热 手 段 对 常 温 液 体 的 渗 漏 实 现 分 布 式 监 测。本 文基 于 分 布 式 温 度 感 测 技 术，在 蒸 发 式 湿 度 测 量 原 理 的基 础 上 提 出 了 一 种 蒸 发 增 强 型 分 布 式 温 度 传 感 监 测 法（，），通 过 室 内 试 验 验 证 了 该 方 法 的 可 行 性，并 探 究 了 环 境 湿 度、风 速 对 监 测 结 果 的 影 响，验 证 了 该方 法 用 于 管 道 监 测 的 可 靠 性 和 普 遍 适 用 性。测 量 原 理 温 度 测 量 原 理是 指 基 于 拉 曼 光 时 域 反 射（，）技 术 的 分 布 式 光纤 测 温 技 术。当 一 束 泵 浦 光 注 入 光 纤 后，由 于 光 子 和光 纤 分 子 发 生 非 弹 性 碰 撞，入 射 光 发 生 背 向 散 射，产 生拉 曼 散 射 光。根 据 散 射 光 中 心 频 率 的 不 同，将 中 心 频率 大 于 入 射 光 中 心 频 率 的 散 射 光 称 为 反 斯 托 克 斯 光，将 中 心 频 率 小 于 入 射 光 中 心 频 率 的 散 射 光 称 为 斯 托 克斯 光，如 图所 示。反 斯 托 克 斯 光 和 斯 托 克 斯 光的 强 度 比 值 是 有 关 温 度 的 函 数，则 有()（）式 中：为 反 斯 托 克 斯 光 光 强；为 斯 托 克 斯 光 光 强；为 普 朗 克 常 量；为 频 谱 漂 移 量；和都 为 常 数；为 温 度。图拉 曼 散 射 原 理 图 法 的 渗 漏 监 测 原 理当 空 气 中 水 汽 含 量 没 有 饱 和 时，蒸 发 现 象 在 任 何温 度 下 都 会 发 生。在 管 道 下 布 设 包 裹 有 纱 布 的传 感 光 缆，当 管 道 发 生 渗 漏 时，光 缆 周 围 的 纱 布 吸 水，同 时 纱 布 上 的 水 分 在 环 境 中 不 断 蒸 发 带 走 热 量，直 至达 到 一 种 动 态 平 衡，此 时 的 温 度 会 低 于 未 发 生 渗 漏 处的 光 缆 所 测 得 的 温 度。的 管 道 渗 漏 监 测 原理 示 意 图 如 图所 示。图 的 管 道 渗 漏 监 测 原 理 示 意 图测 控 技 术年 第卷 第期 当 渗 漏 液 体 是 水 时，且 水 温 与 环 境 温 度 相 近 时，根据 世 界 气 象 组 织（，）推 荐 的 计 算 公 式，光 缆 所 测 的 温 差 表 达 式 为 （）（）（）式 中：为 温 度 差（）；（）为 干 光 缆 示 数所 对应 的 纯 水 平 面 饱 和 水 汽 压（）；（）为 湿 光 缆 示数所 对 应 的 纯 水 平 面 饱 和 水 汽 压（）；为 环 境相 对 湿 度（）；为 干 湿 球 系 数（），取 决 于 通风 速 度 和 温 度 计 的 形 状；为 气 压（）。基 于 光 纤 的 管 道 渗 漏 分 布 式 监 测 试 验 试 验 材 料 及 装 置 传 感 光 缆本 文 所 用 的测 温 光 缆（），直 径为，分 为层 结 构，包 括 紧 包 光 缆、螺 旋 带 铠 装、金 属 编 制 网 和 护 套，如 图所 示。紧 包 光 缆 外的 螺 旋 铠 管 和 金 属 编 制 网 可 以 用 来 提 高 光 缆 的 强 度，可 以 提 高 光 缆 的 抗 拉 性 能，最 外 层 的 护 套 可 以保 护 光 缆 不 受 损 坏。图 测 温 光 缆 结 构 示 意 图为 了 提 高 光 缆 的 吸 水 性，在 光 缆 外 手 工 包 裹 一 层纱 布。考 虑 到解 调 仪 的 分 辨 率，纱 布 长 度 为。为 了 探 究 光 缆 结 构 中 护 套 对 测 量 结 果 的 影 响，本 文 在有 护 套 和 无 护 套 的测 温 光 缆 外 包 裹 相 同 厚 度 和大 小 的 纱 布，如 图所 示。图包 裹 纱 布 的测 温 光 缆 解 调 设 备本 文 所 用 到 的 解 调 设 备 为 便 携 分 布 式 光 纤 温 度 解调 仪（），可 获 得测 温 光 缆 沿 线 任 一点 的 温 度 信 息，其 性 能 参 数 如 表所 示。表 解 调 仪 性 能 参 数 表参 数 类 型参 数 值测 量 距 离 测 温 范 围 光 纤 类 型多 模或测 温 精 度 温 度 分 辨 率 响 应 时 间 通 道 通 道空 间 分 辨 率 通 道 数光 纤 端 口 规 格 通 讯 接 口 以 太 网供 电 电 源 试 验 步 骤结 合的 空 间 分 辨 率，设 置光 缆 的 吸 水纱 布 的 包 裹 长 度 为 。采 用 长、内 径 且 底 部 开 有 一 漏 水 孔 的管 模 拟 渗 漏，用 塑 料 扎 带将 光 缆 固 定 在 管 道 正 下 方，试 验 前 将 水 静 置，确 保水 温 与 环 境 温 度 保 持 一 致。管 在 试 验 过 程 中 充满 水，使 用 双 探 头 的温 度 计 分 别 测 量 并 记 录管 内 的 水 温 和 环 境 温 度。由 于 试 验 结 果 受 空 气湿 度 影 响，将 电 子 湿 度 计 的 探 头 置 于管 附 近，记录 环 境 湿 度。将测 温 光 缆 与 温 度 校 准 箱 相 连，温 度 校 准 箱与解 调 仪 相 连，实 时 记 录测 温 光 缆 的 温 度 变化。可 行 性 试 验 装 置 实 物 图 如 图所 示，开 展 管 道 常温 液 体 渗 漏 监 测 的 可 行 性 试 验，并 探 究 了 不 同 风 速 和湿 度 对 渗 漏 监 测 结 果 的 影 响。图可 行 性 试 验 装 置 实 物 图试 验 结 果 与 分 析 可 行 性 试 验（）包 裹 纱 布 的 有 护 套 光 缆。图为 包 裹 纱 布 的测 温 光 缆 各 位 置 处 的 温度 变 化 趋 势。可 以 看 出，各 点 在 初 始 时 刻 处 的 温 度 存在 以 内 的 差 异，考 虑 到的 测 温 精 度 和 各 点位 置 的 差 异，可 忽 略 此 现 象。从 图中 可 以 看 出，各 点基 于 蒸 发 增 强 型技 术 的 管 道 常 温 液 体 渗 漏 监 测 试 验 研 究处 的 温 度 随 时 间 的 增 加 而 降 低，并 最 终 趋 于 稳 定。若以 作 为 渗 漏 判 断 的 依 据，则 判 断 发 生 渗 漏 所 需的 时 间 为，即 发 生 渗 漏 后 大 约 即 可 实 现 对渗 漏 的 发 现 和 定 位。图为 后测 温 光 缆的 温 度 分 布。可