分布式光纖聲波傳感技術在PCCP 管道監(jiān)測中的應用

紀然然 宛立君 吳夢實

（第七一五研究所，杭州，310023）

PCCP 是一種復合型管道，已經(jīng)在水利、電力、市政給排水等多個領域廣泛應用。其制造過程是將帶有鋼筒的高強度混凝土管芯澆筑養(yǎng)護完成后，在其管芯上環(huán)向纏繞高強度預應力鋼絲，再噴涂水泥砂漿保護[1]。在實際應用過程中，由于受到周邊環(huán)境各種因素的影響，易出現(xiàn)管道腐蝕、斷絲的現(xiàn)象，如果同一部位出現(xiàn)多股斷絲，管道強度將顯著降低，并最終導致爆管。另外，在管道鋪設的一定范圍內(nèi)如有挖掘施工等行為同樣會對管道造成結構性損傷，導致管道滲漏、爆管等。因此，對PCCP 管道健康監(jiān)測非常重要。目前，主要的監(jiān)測手段有超聲檢測和電磁波檢測技術。前者能夠有效的評估PCCP 混凝土的裂縫、脫粘和減薄缺陷，但是無法檢測預應力鋼絲的缺陷和斷絲情況[2-5]；電磁波檢測技術主要用于PCCP 斷絲的檢測，但是易受環(huán)境電磁干擾、檢測精度差[6-8]。

本文提出一種基于后向瑞利散射和φ-OTDR 技術相結合的分布式光纖聲波監(jiān)測方法，對PCCP 管道進行監(jiān)測的同時獲取振動傳感光纜沿線監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨時間空間變化的振動和聲音信息。當PCCP管道發(fā)生泄漏或者附近有動土施工、敲擊振動時，振動信號會引起傳感光纜振動，致使光纜中后向傳播的瑞利散射信號光的輻射模出現(xiàn)波動，引起光損耗的變化[9]，從而實現(xiàn)振動預警，再通過φ-OTDR技術實現(xiàn)對故障點的定位。

1 檢測原理

在分布式光纖檢測系統(tǒng)中，可以通過時間信息推導距離的相關的信息。利用激光器輸出的脈沖光與探測器接收到的后向瑞利散射光之間的時間差，可將時間信息轉(zhuǎn)化為距離信息：

式中，c為真空中光速，t為脈沖光在傳感光纖中往返傳播所花的時間，n為光纖的折射率[10]。通過上式，我們可以準確的判斷出光纖路徑中發(fā)生事件的位置。

當傳感光纜附近有外界擾動時，會引起后向瑞利散射信號幅值的波動，從而返回入射端的光強也會發(fā)生變化，可表示為

光脈沖在傳感光纜中向前傳播時，不斷產(chǎn)生后向瑞利散射信號光。通過在傳感光纜入射端測量后向瑞利散射光隨時間的變化參數(shù)，可以得到傳感光纜上不同位置處的振動特征，后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過對振動信號的相位解調(diào)可得到該處的聲音信息。

2 系統(tǒng)構成及模擬實驗

2.1 分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)構成

分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)主要由振動傳感光纜、振動解調(diào)主機及配套監(jiān)測軟件構成。解調(diào)主機負責處理光學信號、數(shù)字信號、人工智能等；配套監(jiān)測軟件主要包括控制及顯示軟件，是系統(tǒng)的顯示層，其功能是將前端處理好的數(shù)據(jù)智能友好的顯示給客戶；振動傳感光纜鋪設在管道現(xiàn)場，是系統(tǒng)的感知層，外界的擾動信號通過振動光纜被系統(tǒng)感知。分布式光纖聲波監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖1 所示。光纜實際布置方案以圖中監(jiān)控主機為起點，管道與解調(diào)主機之間保留48 km 傳輸光纜卷，之后光纜依次經(jīng)過壓力管道和空管道，最后在光纜末端保留1 km 光纜卷，所用光纜總長50 km。壓力管道為一段封閉加壓管道，試驗時該段管道會使用加壓設備進行加壓。管道內(nèi)部光纜布設方式為全線完全固定至管道內(nèi)壁正側面，光纜與管壁之間緊密貼合，保證可以充分傳輸振動信號。

圖1 分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)

振動光纜采用雙芯單模光纜，內(nèi)部光纖型號為G652D 單模光纖，如圖2 所示。內(nèi)部結構采用不銹鋼鋼絲進行保護，具有高性能的抗拉、抗壓、防扭、防水防潮、柔軟堅韌等特點，適合各種惡劣的使用環(huán)境。光纜結構層次分明，光纖被保護在一根鋼管內(nèi)部，處于自由狀態(tài)，對外界的微振動非常敏感，是分布式振動傳感理想的探測單元。

圖2 傳感光纜結構圖

實際應用中管道內(nèi)部具有一定的壓力值，所以在模擬實驗現(xiàn)場對管道兩端進行封堵，并使用加壓設備對其內(nèi)部進行加壓處理，加壓數(shù)值為2 MPa，以期達到與實際應用場景相似的狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場測繪的封閉端蓋形狀尺寸，設計專用的密封堵頭用以防止光纜穿過后加壓管道端蓋滲漏，管道兩端端蓋均安裝密封堵頭，實際安裝效果如圖3 所示。

圖3 管道頭密封蓋安裝圖

實驗現(xiàn)場有一段管道為空管道，管道兩端不封閉并且放置在地面上，其光纜布設方式與壓力管道內(nèi)一致，光纜以直線方式固定到內(nèi)管壁側面。傳感光纜與PCCP 之間使用環(huán)氧樹脂進行黏結，當黏結固化后再使用AB 膠水進行二次固化，以保證傳感光纜與PCCP 管道內(nèi)壁充分接觸，提高振動的傳導效率。

2.2 模擬實驗

分布式光纖聲波傳感監(jiān)測系統(tǒng)對總長為50 km的傳感光纜進行模擬實驗。

2.2.1 模擬敲擊實驗

在空管道外壁進行敲擊試驗，敲擊點的實際距離為48 864 m 處，使用工具進行持續(xù)敲擊。從光纜入射端測量，軟件監(jiān)測結果見圖4。

圖4 空管敲擊模擬實驗

敲擊空管道測試點時監(jiān)測軟件持續(xù)發(fā)出報警信號，由圖4（a）可以看出系統(tǒng)報警定位點為48 862 m 處，此處有明顯的振動強度變化；同樣，在圖4（b）看到有明顯的敲擊信號。通過系統(tǒng)軟件的單點聽聲功能，輸入確定的位置信息，可以清晰的聽到敲擊聲音。

敲擊信號發(fā)生時，分布式光纖監(jiān)測主機及時發(fā)出報警信號并給出具體的位置信息，對比實際敲擊位置點和監(jiān)測軟件給出的敲擊定位點可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的定位誤差為2 m。

2.2.2 模擬斷絲實驗

在緊密連接加壓管道外側進行斷絲實驗，管道測試點實際斷絲距離對應光纜長度為48 247 m。首先對光纜水泥包層進行打磨，裸露出其內(nèi)部預應力鋼絲，然后用切割機對預應力鋼絲進行切割測試，并從光纜入射端測量，監(jiān)測軟件振動信號見圖5。

圖5 壓力管道模擬斷絲實驗

在切斷預應力鋼絲時，監(jiān)測軟件發(fā)出報警信號并給出具體的斷絲位置信息。由圖5（a）可以看出，系統(tǒng)檢測出的報警定位點為48 249 m，該處信號光有明顯的強度變化；由圖5（b）也可以看出明顯斷絲信號峰。

斷絲發(fā)生時，分布式光纖監(jiān)測主機及時發(fā)出報警信息，對比實際位置與監(jiān)測軟件給出的斷絲故障定位信息可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的定位誤差為2 m。

2.2.3 模擬泄漏實驗

在壓力管道的管道頭處進行泄漏測試實驗，在管道頭事先安裝水龍頭用于模擬泄漏測試，該處實際光纜長度為48 241 m。將管道注滿水后加壓至2 MPa，然后緩慢打開水龍頭模擬管道發(fā)生泄漏的情況，并從光纜入射端測量，監(jiān)測軟件振動信號見圖6。

圖6 壓力管道模擬泄漏實驗

泄漏發(fā)生時，監(jiān)測軟件持續(xù)發(fā)出報警信號。由圖6（a）可以看出，系統(tǒng)檢測到泄漏信號并給出泄漏定位位置為48 244 m 處，并顯示該處信號光有明顯的強度變化；從圖6（b）中也可以看出泄漏信號明顯。通過系統(tǒng)軟件的單點聽聲功能，輸入確定的位置信息，可以清晰的聽到泄漏的聲音。

泄漏發(fā)生時，主機及時發(fā)出報警信息，對比實際位置與監(jiān)測軟件給出的泄漏定位信息可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的定位誤差為3 m。

3 結論

本文提出了一種基于光纖后向瑞利散射與φ-OTDR 相結合的分布式光纖聲波傳感監(jiān)測方法，并進行了模擬監(jiān)測實驗。實驗表明研制的分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)可以對大型PCCP 管道泄露、外界環(huán)境干擾以及管道斷絲等情況進行快速準確的分布式監(jiān)測，系統(tǒng)最長監(jiān)測長度為50 km，定位精度小于3 m，應用分布式光纖聲波傳感技術可有效提高PCCP 管道監(jiān)測水平，預防管道事故的發(fā)生。目前該技術已實際應用在共青城某引水工程項目中，監(jiān)測效果良好。