城轨车辆段直埋供热钢管外壁锈蚀的分布式监测研究摘要：城轨车辆段的直埋供热管道由于敷设在地下，检修维护十分困难，长期服役的直埋供热管道锈蚀后造成管壁减薄，对供热安全运行造成威胁。迅速发展的布里渊光纤传感技术可实现超长距离、高精度的实时监测。本文建立直埋保温管钢管外壁的锈蚀监测串联模型，模拟试验条件下保温管钢管外壁的锈蚀情况。通过对锈蚀模型的分布式在线监测及数据分析，对直埋保温管道的锈蚀进行探讨和研究。关键词：直埋保温管外壁锈蚀；传感器串联；锈蚀模型;分布式实时监测分类号：C35文献标识码：A1背景及现状供热直埋保温管道在投资、施工安装及使用寿命上的优点，使其占据了目前供热管网的绝大部分。但由于其直埋敷设于地下，在无专业探测、检查设备的条件下，很难预知管网的工作状态及健康状况。管道锈蚀是威胁管网健康的主要因素之一，长时间服役的供热管网容易因钢管锈蚀造成管壁减薄，从而引发种种突发事故［1］。资料显示，由管道锈蚀而造成的管网事故已经达到了管网事故总数的55%至75%［2］。据调查，城轨车辆段直埋供热管网应用广泛，且各地供热管网所处的地下环境存在较大差异，工作钢管的锈蚀程度不尽相同，增加了监测的困难性。近年来，基于布里渊散射光时域反射的光纤传感技术发展迅速［3］。光纤传感器对所处环境的温变和应变反应灵敏，信号传输距离长，其主要材质二氧化硅性质稳定［4］，使得该技术在科研及应用领域得到充分发展。目前，国内外学者已将该技术用于监测基础土木工程的健康性、输油输气管道的安全性、监测电力系统设备故障甚至国家周界安全等多个应用领域［5，6，7，8］。直埋敷设管道由工作钢管、保温层和防护层构成。施工工艺要求工作钢管、中间层聚氨酯保温层、最外层聚乙烯保护层紧密结合，但是在施工过程中由于施工质量参差不齐［9］和保温管本身老化剥落，一旦钢管裸露于工作环境，造成工作钢管与土壤介质直接接触，导致钢管加速锈蚀。长时间工作运行，管道壁厚因锈蚀而减薄，造成供热管网泄漏、失稳甚至管道爆破等事故。2锈蚀传感器设计及试验本文中锈蚀试验为加速锈蚀，若锈蚀速度过快或钢管尽早暴露于电解液中，会导致钢管局部与电解液直接接触，使得接触部分锈蚀严重，甚至出现锈蚀孔，使得监测试验不能正常进行［9］。为使锈蚀过程稳定，本文设计了钢管外浇筑混凝土的锈蚀传感器模型模拟直埋管道，在混凝土完全开裂前钢管不会直接与电解液接触，监测范围更广。本文通过传感器串联及对不同传感器加速电流的控制实现其分布式研究。试验中光纤传感器本身即作为传感元件，也作为光能载体传输信号。锈蚀试验模型设计［10］如下所述：(1)将长约200mm试验钢管(DN100)抛光，测得外径107.3mm，壁厚4.2mm；(2)在钢管抛光段缠绕试验光纤，有效长度为3m左右，将光纤在钢管两端固定保护；(3)在钢管外浇筑混凝土，一端引一条导线，将混凝土试件养护至要求强度，另一端端用环氧树脂胶密封；(4)将传感光纤与传输光纤熔接，光纤回路中接入一150m左右的传输光纤来减少整个回路的光损。锈蚀传感器试件主要由外层混凝土和工作钢管两部分构成传感器示意图如图1所示。1混凝土光纤传感器示意诱蚀试验在水箱中进行，采用电化学加速，电解液为质量分数5%NaCl的水溶液。钢管连接导线的一端接恒流源的正极，恒流源的负极接水箱底部的钢板。光纤应变迗到一定数值后停止试验，对数据进行整理和分析。设置光纤布里渊分析仪的采样时间间隔为1.0h，测量的采样间嘀为0.41m，空间分辨率为1.0m。3结果及数据分析诱蚀试验持续4天，镑蚀前后传感器对比如图2。a.锈蚀前b.锈蚀后2锈蚀前后的试件取传感段光纤处3个有效测点，并将其应变平均值作为每个时间点上传感段光纤的平均应变值，平均应变随时间的变化关系如图3。监测期间实验室环境的温差为10°C左右，因此测得的数据应为温变和锈胀应变的综合影响，选取整个光纤回路中部分传输光纤的应变平均值（只受温度变化影响）来消除温变对传感光纤的影响。3传感器有效点应变均值随时间变化其中，试件1、2的电解液加速电流分别为0.2A，0.4A。将试验数据应用origin软件分析制图得光纤回路上各测点的距离一时间...