基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置及其测量方法
【专利摘要】一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置及其测量方法，属于结构健康监测领域。该测量装置包括三个分布式光纤和三个弓形测量装置，三个弓形测量装置均布在承插式管道接口的周围；弓形测量装置的一端固定于插入头的外壁上，另一端固定于承插头的外壁上，分布式光纤依次固定于插入头的外壁上、弓形光纤槽内和承插头的外壁上。弓形测量装置的外侧设有固定于承插式管上的保护外壳。该测量装置保护其埋入地下后可正常运行，可以使分布式光纤测量承插式管道接口的变形情况，拓宽分布式光纤在管道健康监测的应用范围，且操作便捷，结构简单实用。通过监测数据分析实际管道接口的变形状态，当承插接口出现危险变形时可及时发现。
【专利说明】
基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置 及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置及 其测量方法，属于结构健康监测领域。
【背景技术】
[0002] 随着中国城市化的不断发展，城市供水系统越来越成为一个现代化城市建设与发展必 不可少的基础工程。其中，供水管道的结构安全尤为关键。供水管道的变形、破坏所导致的 自来水污染、路面积水与部分地区暂停供水等紧急情况将给城市居民的日常生活带来许多 不便。因此，如何准确了解地下供水管道的运行情况，及时知晓供水管道的结构状态成为当 下既艰难而又富有挑战性的工作。
[0003] 在各类供水管道之中，承插式管道最为常见。由于各段承插式管道之间的连接是 通过T型橡胶圈来完成，为柔性连接，故相对于管道的整体结构强度而言，其接口处强度明 显薄弱。大量资料显示，地下管道破坏大多发生在管道接口处。管道接口处的破坏主要表现 为两种形式，一种是横向弯曲破坏;另外一种是轴向拉伸破坏。故在承插式管道整体结构的 健康监测中，其接口处的监测尤为重要， 由于柔性供水管道具有长距离、埋地环境复杂等特性，所以在众多管道健康安全监测 方法当中，光纤传感监测技术凭借其具有分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁干扰等特 点，成为管道健康安全监测的新热点。分布式光纤的工作原理是同时利用光纤作为传感敏 感元件和传输信号介质，并基于布里渊散射原理，结合光时域反射技术、光时域分析技术或 光频域分析技术，可探测出沿光纤传播路径的不同位置的应变与温度变化，实现真正的分 布式测量。其传输传感一体，测试费用低廉，故现已成为近些年发展最为迅速，应用最为广 泛的管道安全监测技术之一。
[0004] 近些年，管道健康监测技术向着多元化、整体化、即时化的方向发展。申请公布号 〇附0373304(^，申请公布日2014.04.16，用光纤分布式声传感器，通过监测到管道不同位置 的声信号对管道进行安全监测；中国发明专利申请公布号CN103968257A，申请公布日 2014.08.06,发明了一种基于网格化的光纤传感器，对地下管道进行整体监测的方法。
[0005] 光纤传感技术在实际柔性管道安全健康监测当中，也越来越受到关注。申请公布 号CN103630265A，申请公布日2014.03.12，发明了一种基于分布式光纤的柔性管道温度的 在线监测方法；中国实用新型授权公告号CN204142402U，授权公告日2015.02.04，通过对分 布式光纤传感器的设计、布置、传输、信号处理等方面设计与创新，全面的阐述了光纤在供 水管道安全监测方面的一种实用方法。
[0006] 分布式光纤管道的健康监测主要是针对管道的变形进行监测，而能对管道进行长 距离分布式监测需要满足两个监测环境条件:一是需要光纤贴附于管体表面，并保持光纤 的相对线性，不能有较大弯折，否则由弯折所导致的光损耗将使光纤测量的可用性与准确 性大大降低。二是由于光纤的局部受拉性较弱，极值为20000个微应变左右，故当管道局部 出现较大应变时，将会导致光纤无法承受而断裂。
[0007] 而在针对承插式供水管道时，由于承插式管道接口结构的复杂性和上述光纤传导 的特殊性，导致光纤监测在承插式管道接口方面所使用的监测方法、装置的创新与应用则 寥寥无几。而本专利所设计的测量装置与测量方法便主要针对承插式管道接口的健康状态 进行监测，通过监测数据分析实际管道接口的变形状态，当承插接口出现危险变形时可及 时发现。
【发明内容】
[0008] 本发明提供一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置及 其测量方法，由于承插式管道接口结构的复杂性和上述光纤传感的特殊性，该测量装置主 要针对承插式管道接口的结构状态进行监测，通过监测数据分析实际管道接口的变形状 态，当承插接口出现危险变形时可及时发现。
[0009] 本发明采用的技术方案是:一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变 形测量装置，它包括承插式管插入头、T型密封橡胶圈和承插式管承插头，T型密封橡胶圈置 于承插式管承插头内的密封槽中后，插入承插式管插入头，它还包括三个分布式光纤和三 个弓形测量装置，三个弓形测量装置均布在承插式管道接口的周围；所述弓形测量装置的 一端用胶固定于承插式管插入头的外壁上，另一端用胶固定于承插式管承插头的外壁上， 所述分布式光纤（1)用胶依次固定于承插式管插入头的外壁上、弓形测量装置的弓形光纤 槽内和承插式管承插头的外壁上;所述弓形测量装置的外侧设有固定于承插式管插入头外 壁上的左保护外壳和固定于承插式管承插头外壁上的右保护外壳，所述左保护外壳与右保 护外壳紧靠在一起，左保护外壳的左端采用左侧密封挡板封闭，右保护外壳的右端采用右 侧密封挡板封闭。
[0010] 所述的一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量方法，采用下 列步骤： a、 弓形测量装置的布设 在0°、120°、240°三个方向分别布置一个弓形测量装置； b、 模型试验 弓形测量装置变形时在〇°的顶部位置变形应变的绝对值最大，故取所测量数据中最中 间位置的数据，即弓形测量装置最顶部的数据作为特征数据； (1) 在模型的轴向拉伸试验中，当管道接口沿轴向被拉伸X _时，三个弓形测量装置由 于横向位移相同，故特征数据相同，可将该特征数据称为拉伸特征应变％;当材料处于弹性 阶段，接口的拉伸长度应与拉伸特征应变成正比，故可通过不同工况求出横向位移与特征 应变的关系系数a，其公式为： X=afe (1) (2) 在模型横向弯曲试验中，当管道沿某一弓形测量装置方向弯曲Y(度)时，该方向弓 形测量装置的特征应变最大，将该弓形测量装置所测得的特征数据称为最大弯曲特征应变 当材料处于弹性阶段，接口的弯曲角度与最大弯曲特征应变成正比，通过不同工况求 出接口弯曲角度与特征应变关系系数b，其公式为： Y=b_ (2) c、 数据推导 弓形测量装置处于管道接口0°、120°、240°三个方向的位置的截面，位于三个方向的传 感器的截面与管道截面的圆心之间的距离半径相等;假设管道接口沿F弯曲方向，与0°弓形 测量装置方向之间夹角为Θ(度）；当管道接口即产生拉伸变形，又产生沿F方向的弯曲变形 时，在该工况下通过测量，得到三个弓形测量装置所测得的特征应变％与: gs;基于材 料力学平面假设，弓形测量装置所测特征应变应与拉伸特征应变备、最大弯曲特征应变:? 与沿弯曲方向夹角Θ(度)之间的应变关系理论公式为：
并带入所测得的三个特征应变Q、％与母，得：
通过推导，解得拉伸特征应变:?、最大弯曲特征应变％与沿弯曲方向夹角Θ(度)为：
此时求得的$(度）即为管道接口的弯曲方向，而拉伸距离X与弯曲角度Y(度)通过_ 与％求得； d、 危险预警 通过管道接口的危险弯曲角度与拉伸长度标准，设定一组危险拉伸与弯曲的标准值 集^与_，通过弓形测量装置的测量值所推导出拉伸距离X与弯曲角度Y(度)与危险标准值进 行对比，进而得知管道接口是否安全运行。
[0011] 本发明的有益效果是:这种承插式管道接口变形测量装置包括三个分布式光纤和 三个弓形测量装置，三个弓形测量装置均布在承插式管道接口的周围；弓形测量装置的一 端用胶固定于承插式管插入头的外壁上，另一端用胶固定于承插式管承插头的外壁上，分 布式光纤用胶依次固定于承插式管插入头的外壁上、弓形测量装置的弓形光纤槽内和承插 式管承插头的外壁上。弓形测量装置的外侧设有固定于承插式管上的保护外壳。该测量装 置保护其埋入地下后可正常运行，可以使分布式光纤测量承插式管道接口的变形情况，拓 宽分布式光纤在管道健康监测的应用范围，且操作便捷，结构简单实用。通过监测数据分析 实际管道接口的变形状态，当承插接口出现危险变形时可及时发现。
【附图说明】
[0012] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0013] 图1是承插式管道接口变形测量装置的结构正视图。
[0014] 图2是图1中的A-A视图。
[0015]图3是弓形测量装置的结构正视图。
[0016] 图4是图3中的B-B视图。
[0017]图5是端盖结构图。
[0018] 图6是管道接口拉伸X _时管道的变形示意图。
[0019] 图7是管道接口弯曲Y(度)时管道的变形示意图。
[0020] 图8是与管道接口 0°偏:i(度）的F向变形示意图。
[0021 ]图中：1、分布式光纤，2、弓形测量装置，2a、弓形光纤槽，3、左保护外壳，3a、左侧密 封挡板，3b、光纤孔，4、右保护外壳，4a、右侧密封挡板，5、承插式管插入头，6、T型密封橡胶 圈，7、承插式管承插头。
【具体实施方式】
[0022] 以下将结合附图对本发明实施的技术方案进行详尽、完整的描述。
[0023] 图1、2示出了承插式管道接口变形测量装置的结构图。图中，基于分布式光纤应变 传感器的承插式管道接口变形测量装置包括承插式管插入头5、Τ型密封橡胶圈6、承插式管 承插头7、三个分布式光纤1和三个弓形测量装置2, Τ型密封橡胶圈6置于承插式管承插头7 内的密封槽中后，插入承插式管插入头5。三个弓形测量装置2均布在承插式管道接口的周 围，弓形测量装置2的一端用胶固定于承插式管插入头5的外壁上，另一端用胶固定于承插 式管承插头7的外壁上，分布式光纤1用胶依次固定于承插式管插入头5的外壁上、弓形测量 装置2的弓形光纤槽2a内和承插式管承插头7的外壁上。弓形测量装置2的外侧设有固定于 承插式管插入头5外壁上的左保护外壳3和固定于承插式管承插头7外壁上的右保护外壳4， 左保护外壳3与右保护外壳4紧靠在一起，左保护外壳3的左端采用左侧密封挡板3a封闭，右 保护外壳4的右端采用右侧密封挡板4a封闭。
[0024] 弓形测量装置主体采用超薄设计，厚度为1mm左右，宽度为15mm左右，其主要优点 在于：由于结构小巧将基本不影响所监测管道接口的变形;并且由材料力学基本原理可知， 当所监测结构出现较大变形时，其超薄设计将使该监测装置的表面应变最大值不超过分布 式光纤的最大监测范围（20000微应变）；弓形测量装置的粘贴足部下表面采用磨砂处理，这 样可通过粘合剂使该装置与所监测结构粘合更加紧密；弓形测量装置的上表面有两条线性 凸起，高度为2mm左右，如图3、4所示，其作用有两点:一、引导分布式光纤贴附于弓形测量装 置的正确位置，使光纤形成一条顺滑曲线;二、防止分布式光纤与弓形测量装置之间的粘合 剂外流，保持粘合剂在凝固时形状的一致性。而在确定装置的三弧形中各弧形的半径、装置 的长度以及高度方面等几何参数时，应与柔性供水管道的型号相匹配。例如用于DN200型承 插式柔性管道接口的弓形测量装置，其中间弧形半径为150mm，弧度为96°;两侧弧形半径为 25mm，弧度为44° ;装置总长度285mm，高50mm。
[0025] 弓形测量装置固定于接口两侧，并应用环氧树脂胶把分布式光纤贴附于弓形测量 装置的上表面的两条线性凸起之间，并使分布式光纤包裹于环氧树脂胶中。若要准确了解 管道接口弯曲、拉伸以及弯曲方向，其总体布设方法如图2所示，在0°、120°、240°三个方向 分别布置一个弓形测量装置。
[0026] 由于弓形测量装置的测量需要一定的变形空间，故当该装置埋入地下后，需要一 种保护外壳即保证弓形测量装置有一定活动空间，又可将其密封并且没有其他杂物进入， 比如泥土等干扰该装置变形。弓形测量装置采用足够刚度的左保护外壳、右保护外壳、左侧 密封挡板和右侧密封挡板封闭。
[0027] 推算接口变形的方法的主要步骤为:首先需进行模型试验，所得出的管道接口拉 伸距离测量数据、管道接口弯曲角度与测量数据之间的关系;通过公式推导，总结出一整套 管道接口变形与所测数据之间的总体关系，通过埋地管道下所测得的数据反推出接口的实 际变形情况;通过建立危险预警标准，当管道接口变形超过危险拉伸与弯曲的标准值时，可 通过实时采集的数据第一时间得到警报。接下来，将对上述步骤加以详细描述： (1) 模型试验：图2所示，在模型管道接口处，即0°、120°、240°分别布置一个弓形测量装 置。当分布式光纤的采样频率为5cm时，如管道接口发生变形，此时贴附于每个弓形测量装 置上的光纤可采集数个应变数据（用于DN200型承插管道的弓形测量装置为6至7个数据）。 弓形测量装置变形时顶部位置变形应变的绝对值最大，故取所测量数据中最中间位置的数 据，即弓形测量装置最顶部的数据作为特征数据，即特征应变。
[0028]图6所示，在模型的轴向拉伸试验中，当管道接口沿轴向被拉伸X mm时，三个弓形 测量装置由于横向位移相同，故特征数据相同，可将该特征数据称为拉伸特征应变:?。由 材料力学性质可知，当材料处于弹性阶段，接口的拉伸长度应与拉伸特征应变成正比，故可 通过不同工况求出横向位移与特征应变的关系系数a，其公式为： X=aec (1) 图7所示，在模型横向弯曲试验中，当管道沿某一弓形测量装置方向弯曲Y(度)时，此时 该方向弓形测量装置的特征应变最大，可将该弓形测量装置所测得的特征数据称为最大弯 曲特征应变％。由材料力学性质可知，当材料处于弹性阶段，接口的弯曲角度与最大弯曲 特征应变成正比，可通过不同工况求出接口弯曲角度与特征应变关系系数b，其公式为： Y=b￡b (2) (2) 数据推导：图8为某一工况下管道接口横截面弯曲示意图，由图可知位于三个方向 的传感器的截面与管道截面的圆心之间的距离半径相等。假设管道接口沿弯曲方向（图中 假设为F方向）与0°弓形测量装置方向之间夹角为Θ(度）。当管道接口产生拉伸变形，又产生 沿F方向的弯曲变形时，在该工况下可以通过测量，得到三个弓形测量装置所测得的特征应 变h、％与％。基于材料力学平面假设，可知弓形测量装置所测特征应变应与拉伸特征 应变I、最大弯曲特征应变輪与沿弯曲方向夹角Θ(度)之间的应变关系理论公式为：
并带入所测得的三个特征应变％、％与给，得：
通过推导，扣觯得拉伸特祉应变I:、最大芎曲特祉应变S&与沿弯曲方向夹角Θ(度） 为：
此时求得的§(度）即为管道接口的弯曲方向，而拉伸距离X与弯曲角度Y(度)可通过l (公式1)与％(公式2)求得。
[0029] (3)危险预警:可通过管道接口的危险弯曲角度与拉伸长度标准，设定一组危险拉 伸与弯曲的标准值又3与^(度），通过弓形测量装置的测量值所推导出拉伸距离X与弯曲角 度Y(度)与危险标准值进行对比，进而得知管道接口是否安全运行。
【主权项】
1. 一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量装置，它包括承插式管 插入头巧）、Τ型密封橡胶圈（6)和承插式管承插头(7)，Τ型密封橡胶圈（6)置于承插式管承 插头(7)內的密封槽中后，插入承插式管插入头巧），其特征在于:它还包括Ξ个分布式光纤 (1) 和Ξ个弓形测量装置(2)，Ξ个弓形测量装置(2)均布在承插式管道接口的周围；所述弓 形测量装置(2)的一端用胶固定于承插式管插入头巧)的外壁上，另一端用胶固定于承插式 管承插头(7)的外壁上，所述分布式光纤（1)用胶依次固定于承插式管插入头巧)的外壁上、 弓形测量装置(2)的弓形光纤槽(2a)内和承插式管承插头(7)的外壁上;所述弓形测量装置 (2) 的外侧设有固定于承插式管插入头巧)外壁上的左保护外壳(3)和固定于承插式管承插 头(7)外壁上的右保护外壳(4)，所述左保护外壳（3)与右保护外壳(4)紧靠在一起，左保护 外壳(3)的左端采用左侧密封挡板(3a)封闭，右保护外壳(4)的右端采用右侧密封挡板(4a) 封闭。2. 根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤应变传感器的承插式管道接口变形测量 方法，其特征在于:采用下列步骤： 曰、弓形测量装置的布设 在0°、120°、240°Ξ个方向分别布置一个弓形测量装置； b、模型试验 弓形测量装置变形时在0°的顶部位置变形应变的绝对值最大，故取所测量数据中最中 间位置的数据，即弓形测量装置最顶部的数据作为特征数据； (1) 在模型的轴向拉伸试验中，当管道接口沿轴向被拉伸X mm时，Ξ个弓形测量装置由 于横向位移相同，故特征数据相同，可将该特征数据称为拉伸特征应变每；当材料处于弹性 阶段，接口的拉伸长度应与拉伸特征应变成正比，故可通过不同工况求出横向位移与特征 应变的关系系数a，其公式为： X=a^： (1) (2) 在模型横向弯曲试验中，当管道沿某一弓形测量装置方向弯曲Y时，该方向弓形测 量装置的特征应变最大，将该弓形测量装置所测得的特征数据称为最大弯曲特征应变％; 当材料处于弹性阶段，接口的弯曲角度与最大弯曲特征应变成正比，通过不同工况求出接 口弯曲角度与特征应变关系系数b，其公式为： Y部技 (2) C、数据推导 弓形测量装置处于管道接口0°、120°、240°Ξ个方向的位置的截面，位于Ξ个方向的传 感器的截面与管道截面的圆屯、之间的距离半径相等;假设管道接口沿F弯曲方向，与0°弓形 测量装置方向之间夹角为Θ;当管道接口即产生拉伸变形，又产生沿F方向的弯曲变形时，在 该工况下通过测量，得到Ξ个弓形测量装置所测得的特征应变％与每;基于材料力 学平面假设，弓形测量装置所测特征应变应与拉伸特征应变接、最大弯曲特征应变％与 沿弯曲方向夹角Θ之间的应变关系理论公式为： 教秘為榮.:??:玻絞i:. (3) 并带入所测得的Ξ个特征应变叫、％与吗，得： 為...'二鳥:孚魏：藥每技赛 (4)通过推导，解得拉伸特征应变提、最大弯曲特征应变殘与沿弯曲方向夹角θ为：此时求得的g即为管道接口的弯曲方向，而拉伸距离X与弯曲角度Υ通过综与雜求得； d、危险预警 通过管道接口的危险弯曲角度与拉伸长度标准，设定一组危险拉伸与弯曲的标准值 与殺，通过弓形测量装置的测量值所推导出拉伸距离X与弯曲角度Y与危险标准值进行对 比，进而得知管道接口是否安全运行。
【文档编号】G01B11/16GK105973162SQ201610539308
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】冯新, 李兴宇, 钟胜, 卢正刚, 李昕
【申请人】大连理工大学