基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置及其測量方法
【專利摘要】一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置及其測量方法，屬于結構健康監(jiān)測領域。該測量裝置包括三個分布式光纖和三個弓形測量裝置，三個弓形測量裝置均布在承插式管道接口的周圍；弓形測量裝置的一端固定于插入頭的外壁上，另一端固定于承插頭的外壁上，分布式光纖依次固定于插入頭的外壁上、弓形光纖槽內和承插頭的外壁上。弓形測量裝置的外側設有固定于承插式管上的保護外殼。該測量裝置保護其埋入地下后可正常運行，可以使分布式光纖測量承插式管道接口的變形情況，拓寬分布式光纖在管道健康監(jiān)測的應用范圍，且操作便捷，結構簡單實用。通過監(jiān)測數據分析實際管道接口的變形狀態(tài)，當承插接口出現危險變形時可及時發(fā)現。
【專利說明】
基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置 及其測量方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置及 其測量方法，屬于結構健康監(jiān)測領域。
【背景技術】
[0002] 隨著中國城市化的不斷發(fā)展，城市供水系統(tǒng)越來越成為一個現代化城市建設與發(fā)展必 不可少的基礎工程。其中，供水管道的結構安全尤為關鍵。供水管道的變形、破壞所導致的 自來水污染、路面積水與部分地區(qū)暫停供水等緊急情況將給城市居民的日常生活帶來許多 不便。因此，如何準確了解地下供水管道的運行情況，及時知曉供水管道的結構狀態(tài)成為當 下既艱難而又富有挑戰(zhàn)性的工作。
[0003] 在各類供水管道之中，承插式管道最為常見。由于各段承插式管道之間的連接是 通過T型橡膠圈來完成，為柔性連接，故相對于管道的整體結構強度而言，其接口處強度明 顯薄弱。大量資料顯示，地下管道破壞大多發(fā)生在管道接口處。管道接口處的破壞主要表現 為兩種形式，一種是橫向彎曲破壞;另外一種是軸向拉伸破壞。故在承插式管道整體結構的 健康監(jiān)測中，其接口處的監(jiān)測尤為重要， 由于柔性供水管道具有長距離、埋地環(huán)境復雜等特性，所以在眾多管道健康安全監(jiān)測 方法當中，光纖傳感監(jiān)測技術憑借其具有分布式、長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁干擾等特 點，成為管道健康安全監(jiān)測的新熱點。分布式光纖的工作原理是同時利用光纖作為傳感敏 感元件和傳輸信號介質，并基于布里淵散射原理，結合光時域反射技術、光時域分析技術或 光頻域分析技術，可探測出沿光纖傳播路徑的不同位置的應變與溫度變化，實現真正的分 布式測量。其傳輸傳感一體，測試費用低廉，故現已成為近些年發(fā)展最為迅速，應用最為廣 泛的管道安全監(jiān)測技術之一。
[0004] 近些年，管道健康監(jiān)測技術向著多元化、整體化、即時化的方向發(fā)展。申請公布號 〇附0373304(^，申請公布日2014.04.16，用光纖分布式聲傳感器，通過監(jiān)測到管道不同位置 的聲信號對管道進行安全監(jiān)測；中國發(fā)明專利申請公布號CN103968257A，申請公布日 2014.08.06,發(fā)明了一種基于網格化的光纖傳感器，對地下管道進行整體監(jiān)測的方法。
[0005] 光纖傳感技術在實際柔性管道安全健康監(jiān)測當中，也越來越受到關注。申請公布 號CN103630265A，申請公布日2014.03.12，發(fā)明了一種基于分布式光纖的柔性管道溫度的 在線監(jiān)測方法；中國實用新型授權公告號CN204142402U，授權公告日2015.02.04，通過對分 布式光纖傳感器的設計、布置、傳輸、信號處理等方面設計與創(chuàng)新，全面的闡述了光纖在供 水管道安全監(jiān)測方面的一種實用方法。
[0006] 分布式光纖管道的健康監(jiān)測主要是針對管道的變形進行監(jiān)測，而能對管道進行長 距離分布式監(jiān)測需要滿足兩個監(jiān)測環(huán)境條件:一是需要光纖貼附于管體表面，并保持光纖 的相對線性，不能有較大彎折，否則由彎折所導致的光損耗將使光纖測量的可用性與準確 性大大降低。二是由于光纖的局部受拉性較弱，極值為20000個微應變左右，故當管道局部 出現較大應變時，將會導致光纖無法承受而斷裂。
[0007] 而在針對承插式供水管道時，由于承插式管道接口結構的復雜性和上述光纖傳導 的特殊性，導致光纖監(jiān)測在承插式管道接口方面所使用的監(jiān)測方法、裝置的創(chuàng)新與應用則 寥寥無幾。而本專利所設計的測量裝置與測量方法便主要針對承插式管道接口的健康狀態(tài) 進行監(jiān)測，通過監(jiān)測數據分析實際管道接口的變形狀態(tài)，當承插接口出現危險變形時可及 時發(fā)現。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明提供一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置及 其測量方法，由于承插式管道接口結構的復雜性和上述光纖傳感的特殊性，該測量裝置主 要針對承插式管道接口的結構狀態(tài)進行監(jiān)測，通過監(jiān)測數據分析實際管道接口的變形狀 態(tài)，當承插接口出現危險變形時可及時發(fā)現。
[0009] 本發(fā)明采用的技術方案是:一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變 形測量裝置，它包括承插式管插入頭、T型密封橡膠圈和承插式管承插頭，T型密封橡膠圈置 于承插式管承插頭內的密封槽中后，插入承插式管插入頭，它還包括三個分布式光纖和三 個弓形測量裝置，三個弓形測量裝置均布在承插式管道接口的周圍；所述弓形測量裝置的 一端用膠固定于承插式管插入頭的外壁上，另一端用膠固定于承插式管承插頭的外壁上， 所述分布式光纖（1)用膠依次固定于承插式管插入頭的外壁上、弓形測量裝置的弓形光纖 槽內和承插式管承插頭的外壁上;所述弓形測量裝置的外側設有固定于承插式管插入頭外 壁上的左保護外殼和固定于承插式管承插頭外壁上的右保護外殼，所述左保護外殼與右保 護外殼緊靠在一起，左保護外殼的左端采用左側密封擋板封閉，右保護外殼的右端采用右 側密封擋板封閉。
[0010] 所述的一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量方法，采用下 列步驟： a、 弓形測量裝置的布設 在0°、120°、240°三個方向分別布置一個弓形測量裝置； b、 模型試驗 弓形測量裝置變形時在〇°的頂部位置變形應變的絕對值最大，故取所測量數據中最中 間位置的數據，即弓形測量裝置最頂部的數據作為特征數據； (1) 在模型的軸向拉伸試驗中，當管道接口沿軸向被拉伸X _時，三個弓形測量裝置由 于橫向位移相同，故特征數據相同，可將該特征數據稱為拉伸特征應變％;當材料處于彈性 階段，接口的拉伸長度應與拉伸特征應變成正比，故可通過不同工況求出橫向位移與特征 應變的關系系數a，其公式為： X=afe (1) (2) 在模型橫向彎曲試驗中，當管道沿某一弓形測量裝置方向彎曲Y(度)時，該方向弓 形測量裝置的特征應變最大，將該弓形測量裝置所測得的特征數據稱為最大彎曲特征應變 當材料處于彈性階段，接口的彎曲角度與最大彎曲特征應變成正比，通過不同工況求 出接口彎曲角度與特征應變關系系數b，其公式為： Y=b_ (2) c、 數據推導 弓形測量裝置處于管道接口0°、120°、240°三個方向的位置的截面，位于三個方向的傳 感器的截面與管道截面的圓心之間的距離半徑相等;假設管道接口沿F彎曲方向，與0°弓形 測量裝置方向之間夾角為Θ(度）；當管道接口即產生拉伸變形，又產生沿F方向的彎曲變形 時，在該工況下通過測量，得到三個弓形測量裝置所測得的特征應變％與: gs;基于材 料力學平面假設，弓形測量裝置所測特征應變應與拉伸特征應變備、最大彎曲特征應變:? 與沿彎曲方向夾角Θ(度)之間的應變關系理論公式為：
并帶入所測得的三個特征應變Q、％與母，得：
通過推導，解得拉伸特征應變:?、最大彎曲特征應變％與沿彎曲方向夾角Θ(度)為：
此時求得的$(度）即為管道接口的彎曲方向，而拉伸距離X與彎曲角度Y(度)通過_ 與％求得； d、 危險預警 通過管道接口的危險彎曲角度與拉伸長度標準，設定一組危險拉伸與彎曲的標準值 集^與_，通過弓形測量裝置的測量值所推導出拉伸距離X與彎曲角度Y(度)與危險標準值進 行對比，進而得知管道接口是否安全運行。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是:這種承插式管道接口變形測量裝置包括三個分布式光纖和 三個弓形測量裝置，三個弓形測量裝置均布在承插式管道接口的周圍；弓形測量裝置的一 端用膠固定于承插式管插入頭的外壁上，另一端用膠固定于承插式管承插頭的外壁上，分 布式光纖用膠依次固定于承插式管插入頭的外壁上、弓形測量裝置的弓形光纖槽內和承插 式管承插頭的外壁上。弓形測量裝置的外側設有固定于承插式管上的保護外殼。該測量裝 置保護其埋入地下后可正常運行，可以使分布式光纖測量承插式管道接口的變形情況，拓 寬分布式光纖在管道健康監(jiān)測的應用范圍，且操作便捷，結構簡單實用。通過監(jiān)測數據分析 實際管道接口的變形狀態(tài)，當承插接口出現危險變形時可及時發(fā)現。
【附圖說明】
[0012] 下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0013] 圖1是承插式管道接口變形測量裝置的結構正視圖。
[0014] 圖2是圖1中的A-A視圖。
[0015]圖3是弓形測量裝置的結構正視圖。
[0016] 圖4是圖3中的B-B視圖。
[0017]圖5是端蓋結構圖。
[0018] 圖6是管道接口拉伸X _時管道的變形示意圖。
[0019] 圖7是管道接口彎曲Y(度)時管道的變形示意圖。
[0020] 圖8是與管道接口 0°偏:i(度）的F向變形示意圖。
[0021 ]圖中：1、分布式光纖，2、弓形測量裝置，2a、弓形光纖槽，3、左保護外殼，3a、左側密 封擋板，3b、光纖孔，4、右保護外殼，4a、右側密封擋板，5、承插式管插入頭，6、T型密封橡膠 圈，7、承插式管承插頭。
【具體實施方式】
[0022] 以下將結合附圖對本發(fā)明實施的技術方案進行詳盡、完整的描述。
[0023] 圖1、2示出了承插式管道接口變形測量裝置的結構圖。圖中，基于分布式光纖應變 傳感器的承插式管道接口變形測量裝置包括承插式管插入頭5、Τ型密封橡膠圈6、承插式管 承插頭7、三個分布式光纖1和三個弓形測量裝置2, Τ型密封橡膠圈6置于承插式管承插頭7 內的密封槽中后，插入承插式管插入頭5。三個弓形測量裝置2均布在承插式管道接口的周 圍，弓形測量裝置2的一端用膠固定于承插式管插入頭5的外壁上，另一端用膠固定于承插 式管承插頭7的外壁上，分布式光纖1用膠依次固定于承插式管插入頭5的外壁上、弓形測量 裝置2的弓形光纖槽2a內和承插式管承插頭7的外壁上。弓形測量裝置2的外側設有固定于 承插式管插入頭5外壁上的左保護外殼3和固定于承插式管承插頭7外壁上的右保護外殼4， 左保護外殼3與右保護外殼4緊靠在一起，左保護外殼3的左端采用左側密封擋板3a封閉，右 保護外殼4的右端采用右側密封擋板4a封閉。
[0024] 弓形測量裝置主體采用超薄設計，厚度為1mm左右，寬度為15mm左右，其主要優(yōu)點 在于：由于結構小巧將基本不影響所監(jiān)測管道接口的變形;并且由材料力學基本原理可知， 當所監(jiān)測結構出現較大變形時，其超薄設計將使該監(jiān)測裝置的表面應變最大值不超過分布 式光纖的最大監(jiān)測范圍（20000微應變）；弓形測量裝置的粘貼足部下表面采用磨砂處理，這 樣可通過粘合劑使該裝置與所監(jiān)測結構粘合更加緊密；弓形測量裝置的上表面有兩條線性 凸起，高度為2mm左右，如圖3、4所示，其作用有兩點:一、引導分布式光纖貼附于弓形測量裝 置的正確位置，使光纖形成一條順滑曲線;二、防止分布式光纖與弓形測量裝置之間的粘合 劑外流，保持粘合劑在凝固時形狀的一致性。而在確定裝置的三弧形中各弧形的半徑、裝置 的長度以及高度方面等幾何參數時，應與柔性供水管道的型號相匹配。例如用于DN200型承 插式柔性管道接口的弓形測量裝置，其中間弧形半徑為150mm，弧度為96°;兩側弧形半徑為 25mm，弧度為44° ;裝置總長度285mm，高50mm。
[0025] 弓形測量裝置固定于接口兩側，并應用環(huán)氧樹脂膠把分布式光纖貼附于弓形測量 裝置的上表面的兩條線性凸起之間，并使分布式光纖包裹于環(huán)氧樹脂膠中。若要準確了解 管道接口彎曲、拉伸以及彎曲方向，其總體布設方法如圖2所示，在0°、120°、240°三個方向 分別布置一個弓形測量裝置。
[0026] 由于弓形測量裝置的測量需要一定的變形空間，故當該裝置埋入地下后，需要一 種保護外殼即保證弓形測量裝置有一定活動空間，又可將其密封并且沒有其他雜物進入， 比如泥土等干擾該裝置變形。弓形測量裝置采用足夠剛度的左保護外殼、右保護外殼、左側 密封擋板和右側密封擋板封閉。
[0027] 推算接口變形的方法的主要步驟為:首先需進行模型試驗，所得出的管道接口拉 伸距離測量數據、管道接口彎曲角度與測量數據之間的關系;通過公式推導，總結出一整套 管道接口變形與所測數據之間的總體關系，通過埋地管道下所測得的數據反推出接口的實 際變形情況;通過建立危險預警標準，當管道接口變形超過危險拉伸與彎曲的標準值時，可 通過實時采集的數據第一時間得到警報。接下來，將對上述步驟加以詳細描述： (1) 模型試驗：圖2所示，在模型管道接口處，即0°、120°、240°分別布置一個弓形測量裝 置。當分布式光纖的采樣頻率為5cm時，如管道接口發(fā)生變形，此時貼附于每個弓形測量裝 置上的光纖可采集數個應變數據（用于DN200型承插管道的弓形測量裝置為6至7個數據）。 弓形測量裝置變形時頂部位置變形應變的絕對值最大，故取所測量數據中最中間位置的數 據，即弓形測量裝置最頂部的數據作為特征數據，即特征應變。
[0028]圖6所示，在模型的軸向拉伸試驗中，當管道接口沿軸向被拉伸X mm時，三個弓形 測量裝置由于橫向位移相同，故特征數據相同，可將該特征數據稱為拉伸特征應變:?。由 材料力學性質可知，當材料處于彈性階段，接口的拉伸長度應與拉伸特征應變成正比，故可 通過不同工況求出橫向位移與特征應變的關系系數a，其公式為： X=aec (1) 圖7所示，在模型橫向彎曲試驗中，當管道沿某一弓形測量裝置方向彎曲Y(度)時，此時 該方向弓形測量裝置的特征應變最大，可將該弓形測量裝置所測得的特征數據稱為最大彎 曲特征應變％。由材料力學性質可知，當材料處于彈性階段，接口的彎曲角度與最大彎曲 特征應變成正比，可通過不同工況求出接口彎曲角度與特征應變關系系數b，其公式為： Y=b￡b (2) (2) 數據推導：圖8為某一工況下管道接口橫截面彎曲示意圖，由圖可知位于三個方向 的傳感器的截面與管道截面的圓心之間的距離半徑相等。假設管道接口沿彎曲方向（圖中 假設為F方向）與0°弓形測量裝置方向之間夾角為Θ(度）。當管道接口產生拉伸變形，又產生 沿F方向的彎曲變形時，在該工況下可以通過測量，得到三個弓形測量裝置所測得的特征應 變h、％與％?；诓牧狭W平面假設，可知弓形測量裝置所測特征應變應與拉伸特征 應變I、最大彎曲特征應變輪與沿彎曲方向夾角Θ(度)之間的應變關系理論公式為：
并帶入所測得的三個特征應變％、％與給，得：
通過推導，扣觶得拉伸特祉應變I:、最大芎曲特祉應變S&與沿彎曲方向夾角Θ(度） 為：
此時求得的§(度）即為管道接口的彎曲方向，而拉伸距離X與彎曲角度Y(度)可通過l (公式1)與％(公式2)求得。
[0029] (3)危險預警:可通過管道接口的危險彎曲角度與拉伸長度標準，設定一組危險拉 伸與彎曲的標準值又3與^(度），通過弓形測量裝置的測量值所推導出拉伸距離X與彎曲角 度Y(度)與危險標準值進行對比，進而得知管道接口是否安全運行。
【主權項】
1. 一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量裝置，它包括承插式管 插入頭巧）、Τ型密封橡膠圈（6)和承插式管承插頭(7)，Τ型密封橡膠圈（6)置于承插式管承 插頭(7)內的密封槽中后，插入承插式管插入頭巧），其特征在于:它還包括Ξ個分布式光纖 (1) 和Ξ個弓形測量裝置(2)，Ξ個弓形測量裝置(2)均布在承插式管道接口的周圍；所述弓 形測量裝置(2)的一端用膠固定于承插式管插入頭巧)的外壁上，另一端用膠固定于承插式 管承插頭(7)的外壁上，所述分布式光纖（1)用膠依次固定于承插式管插入頭巧)的外壁上、 弓形測量裝置(2)的弓形光纖槽(2a)內和承插式管承插頭(7)的外壁上;所述弓形測量裝置 (2) 的外側設有固定于承插式管插入頭巧)外壁上的左保護外殼(3)和固定于承插式管承插 頭(7)外壁上的右保護外殼(4)，所述左保護外殼（3)與右保護外殼(4)緊靠在一起，左保護 外殼(3)的左端采用左側密封擋板(3a)封閉，右保護外殼(4)的右端采用右側密封擋板(4a) 封閉。2. 根據權利要求1所述的一種基于分布式光纖應變傳感器的承插式管道接口變形測量 方法，其特征在于:采用下列步驟： 曰、弓形測量裝置的布設 在0°、120°、240°Ξ個方向分別布置一個弓形測量裝置； b、模型試驗 弓形測量裝置變形時在0°的頂部位置變形應變的絕對值最大，故取所測量數據中最中 間位置的數據，即弓形測量裝置最頂部的數據作為特征數據； (1) 在模型的軸向拉伸試驗中，當管道接口沿軸向被拉伸X mm時，Ξ個弓形測量裝置由 于橫向位移相同，故特征數據相同，可將該特征數據稱為拉伸特征應變每；當材料處于彈性 階段，接口的拉伸長度應與拉伸特征應變成正比，故可通過不同工況求出橫向位移與特征 應變的關系系數a，其公式為： X=a^： (1) (2) 在模型橫向彎曲試驗中，當管道沿某一弓形測量裝置方向彎曲Y時，該方向弓形測 量裝置的特征應變最大，將該弓形測量裝置所測得的特征數據稱為最大彎曲特征應變％; 當材料處于彈性階段，接口的彎曲角度與最大彎曲特征應變成正比，通過不同工況求出接 口彎曲角度與特征應變關系系數b，其公式為： Y部技 (2) C、數據推導 弓形測量裝置處于管道接口0°、120°、240°Ξ個方向的位置的截面，位于Ξ個方向的傳 感器的截面與管道截面的圓屯、之間的距離半徑相等;假設管道接口沿F彎曲方向，與0°弓形 測量裝置方向之間夾角為Θ;當管道接口即產生拉伸變形，又產生沿F方向的彎曲變形時，在 該工況下通過測量，得到Ξ個弓形測量裝置所測得的特征應變％與每;基于材料力 學平面假設，弓形測量裝置所測特征應變應與拉伸特征應變接、最大彎曲特征應變％與 沿彎曲方向夾角Θ之間的應變關系理論公式為： 教秘為榮.:??:玻絞i:. (3) 并帶入所測得的Ξ個特征應變叫、％與嗎，得： 為...'二鳥:孚魏：藥每技賽 (4)通過推導，解得拉伸特征應變提、最大彎曲特征應變殘與沿彎曲方向夾角θ為：此時求得的g即為管道接口的彎曲方向，而拉伸距離X與彎曲角度Υ通過綜與雜求得； d、危險預警 通過管道接口的危險彎曲角度與拉伸長度標準，設定一組危險拉伸與彎曲的標準值 與殺，通過弓形測量裝置的測量值所推導出拉伸距離X與彎曲角度Y與危險標準值進行對 比，進而得知管道接口是否安全運行。
【文檔編號】G01B11/16GK105973162SQ201610539308
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】馮新, 李興宇, 鐘勝, 盧正剛, 李昕
【申請人】大連理工大學