城轨车辆段直埋保温管道钢管外壁锈蚀监测研究（其他）

                                 于海洋

                     铁道第三勘察设计院集团有限公司

摘要：城轨车辆段供热管道由于敷设在地下，检修维护十分困难。布里渊光纤传感技术发展迅速，可实现超长距离、满足工程精度要求的实时监测。本文通过阐述直埋保温管道外壁的锈蚀机理，建立直埋保温管管道外壁的光纤传感锈蚀监测模型，在试验条件下对试验钢管外壁的锈蚀情况实施在线监测以及数据分析；对直埋保温管道的监测进行探讨和研究，通过试验方法对模型进行了分析和验证。结果表明，此模型中的布里渊光纤传感器反应灵敏，监测范围广，可有效监测管道前中期的锈蚀情况。

关键词：直埋保温管外壁锈蚀布里渊光纤传感器锈蚀模型实时监测

0  前言

    近几十年，基于布里渊散射光时域反射的光纤传感技术发展迅速。由于光纤传感器对所处环境的温度和应力具有反应灵敏且精度高，抗干扰能力强，耐久稳定，能实现长距离分布式实时监测等诸多优点，使得该技术在工程领域得到了广泛的发展。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。

    由于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，在无检测设备的情况下，很难预知管网的健康状态，使得供热突发事故频发。据调查，城市轨道交通工程的车辆段及综合基地很多地区采用市政供暖，且各地车辆段供热管网所处的地下环境存在较大差异，造成管网不同程度的锈蚀，从而影响管道的使用寿命，造成管网健康状态的不可预知性。本文从直埋供热管道钢管外壁的锈蚀机理出发，建立其外壁锈蚀模型，通过试验方法对锈蚀模型进行在线监测和数据结果分析。

1  钢管外壁的锈蚀分析

    以下因素制约直埋管道钢管外壁的锈蚀：①土壤的电阻率；②土壤的氧化还原电位；③土壤的含盐量；④土壤中的水与气体的含量；⑤土壤的温度；⑥杂散电流。

    通常情况下，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。供热管道在设计时工作钢管管壁会预留一部分裕量，但长时间工作运行，管道壁厚会因锈蚀而减薄，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

    光纤传感器试验一般为加速锈蚀，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。为使锈蚀过程稳定，本文设计了混凝土钢管的锈蚀传感器，且通过控制加速电流使锈蚀过程趋于均匀。该传感器模型通过钢管外浇注混凝土模拟直埋管道，在混凝土开裂前钢管不会直接与电解液接触，监测范围更广。试验中的光纤为普通抗弯光纤，光纤传感器本身即作为传感元件，也作为光能载体。锈蚀传感器的设计如下所述：

    1)选取DN100的钢管200 mm，将其抛光处理，至外径107.3 mm，此时钢管壁厚4.2 mm;

    2)在抛光后的钢管上加一定预应力缠绕一层光纤，传感段光纤的有效长度为3m左右，将传感段光纤两端固定在钢管上，并对光纤进行保护；

    3)将试验钢管外层浇注混凝土，一端密封处理，另一端引一条导线；

    4)将混凝土试件养护1～2个月，使混凝土达到强度，对密封端用环氧树脂胶密封；

    5)将传感光纤与带接头的传输光纤熔接，光纤回路中接入一段150 m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，与实际的供热管道一致，传感器示意图如图1所示。

  锈蚀试验在水箱中进行，并采用电化学加速，电解液为质量分数5% NaC1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。光纤应变达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1.0 h，测量的采样间隔为0.41 m，空间分辨率为1.0 m。

3  锈蚀评价公式推导

    以下评价公式只适用于文中布里渊光纤锈蚀传感器，用于评价钢管的锈蚀情况。本文的公式推导用到如下假设：

    1)光纤层的实际厚度为试验钢管的千分之一，公式推导中忽略光纤层的厚度；

    2)加速锈蚀过程钢管均匀锈蚀，即钢管外壁锈蚀后仍为圆环形截面，光纤包裹的锈蚀物不外溢；

    3)整个锈蚀过程钢管的锈蚀膨胀率为定值。

钢管锈蚀发生后，传感光纤所在位置的钢管质量

式(6)即为评价布里渊光纤锈蚀传感器监测到的钢管锈蚀情况的公式。

4  结果及数据分析

    锈蚀试验共持续12天，锈蚀前后传感器对比如图2。

 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，将其平均应变随时间的变化情况表示如图3。

 其中，为验证锈蚀过程的均匀性，试验初期电流为0.4 A，60 h后将电流调整为0.2 A。为减小温度对光纤应变的影响，取传输段光纤（不受力，只受温度影响）作为传感段光纤应力变化的校核，应用origin软件绘制布里渊光纤锈蚀传感器监测到的光纤回路上各测点的距离一时间一应变三维曲线如图4所示。

 由图3和图4可以得到有效测试点的光纤应变随时间的变化关系。通过测量钢管锈蚀前和锈蚀后外径的变化得到钢管的锈蚀情况。试验测得D₀为107.3 mm，D₁为106.6 mm，代入到式(1)可得钢管的质量损失率6为0.086，对应光纤的应变为687。计算得该试验环境下钢管的体积膨胀率为1.11。监测的有效点的平均应变的最大值为713.6。将以上数据代人式(6)可得钢管锈蚀的质量损失率为：

利用式(6)，将光纤应变转化为钢管的质量损失率，得钢管外壁的锈蚀程度随时间的变化情况，如图5所示。

5  结论

   通过对锈蚀模型的监测试验可知，本文中的光纤锈蚀传感器具有以下优点：   

1)锈蚀试验开始的1h内该传感器能够监测到应力的变化，对锈蚀情况响应迅速，灵敏度高，能够有效监测钢管锈蚀的初期情况；

2)试验中传感器模型最终监测的钢管锈蚀损失率为8.62%，且锈蚀末期传感器模型仍可继续监测，适用性强，可满足实际供热管网的工程需求；

3)该传感器具有良好的线性关系，能够实时监测直埋管道钢管锈蚀的情况；

4)减慢锈蚀的速率（试验中减小电流）有助于钢管发生均匀锈蚀，钢管在实际工作环境中的锈蚀情况更加缓慢均匀，因此该传感器更适用于实际的直埋管道锈蚀监测；

5)传感器中应用的光纤性能稳定，耐久性强，能够适用于城市轨道交通直埋管道的工作环境的锈蚀监测。

本文设计了城轨直埋保温管道的锈蚀传感器模型，并通过在线监测、数据收集分析总结了该传感器的监测性能，试验结果表明，该传感器性能优良，可实现直埋保温管道工作钢管外壁锈蚀情况的长期监测。