一种基于光纤的复材加固管道的监测装置和监测方法与流程

本发明涉及光纤传感技术长期监测领域，尤其涉及基于光纤的复材加固管道的监测装置和监测方法。

背景技术：

1、液体或气体的管道运输具有重要的经济、安全等优势，在石油化工等领域得到广泛应用。但由于施工缺陷与长期环境腐蚀，大量的钢管道在正常服役过程中不可避免地出现管壁减缩、裂纹、穿透渗漏等问题，带来运输效率降低、环境污染和资源浪费，甚至影响生产安全。碳纤维增强复合材料（cfrp）具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、易运输、多样化制备等优点，成为了土木工程中原有构筑物加固修复的理想材料。采用cfrp加固受损管道，具有低成本、无明火、高效率、低施工风险等优势，具有重要的应用前景。裂纹穿透型是服役运输钢管道常见的缺陷形式，在裂纹发展的早期，缠绕cfrp加固层可以有效阻止裂纹扩展，提高钢管道的力学性能和长期服役性能。

2、但在实际服役工程中，cfrp加固层会发生物理和老化损伤，降低承载力，甚至发生突然的脆性破坏；同时，被加固的管道的穿透型裂缝可能在cfrp加固层内部发生无法直接观测的裂纹扩展。两种现象均可能对油管道的正常服役性能造成影响。因此，对cfrp加固层和被加固管道两个对象实施有效的长期加固效果监测具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可以同时对碳纤维复材加固管道中的管道表面与cfrp加固层应变场实现长期监测的基于光纤的复材加固管道的监测装置和监测方法。

2、本发明是通过如下措施实现的：一种基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，包括通过粘结剂紧密缠绕在加固管道裂纹表面上的内部分布式光纤层以及通过粘结剂设置在任意相邻两层cfrp加固层之间的外部分布式光纤层；

3、所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层均与光纤解调仪连接。

4、所述内部分布式光纤层用于监测测带裂纹加固管道的环向应变场，所述外部分布式光纤层用于监测所述cfrp加固层的环向应变场。

5、为了保证内层分布式光纤和内层的cfrp加固层与管道表面充分接触，对加固管道的表面进行处理，一般为打磨，使表面干净平滑。在进行外部分布式光纤层和cfrp加固层的缠绕时，加固管道的裂纹处采用树脂进行封闭粘结。

6、所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层采用单根光纤裸纤连续缠绕而成。

7、所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的呈螺旋状分布且与加固管道轴线的夹角为80°~90°。

8、所述内部分布式光纤层、外部分布式光纤层和cfrp加固层的宽度至少为裂纹宽度的4倍且裂纹位于内部分布式光纤层的中间位置，宽度为加固管道的轴线方向，保证cfrp加固层充分发挥作用。

9、所述cfrp加固层由碳纤维布与树脂组成，所述粘结剂采用树脂，分布式光纤层与加固管道裂纹处的胶粘剂均选用与cfrp加固层粘结树脂一致为宜，以保证整体构件的一体性

10、所述cfrp加固层可采用手糊法制成，可由多层的碳纤维布叠合而成的，所用碳纤维布层数视工程需求而定，碳纤维布主要承力方向与加固管道的环向一致。碳纤维布通常具有单向、双向等种类，也就是碳纤维的方向可能是多种，碳纤维的主要方向决定了最终固化成型的cfrp层最大的受力方向；此外，管道的应力方向可分为环向、轴向、径向三种，由理论计算可得，环向的应力是最大的；因此碳纤维布置方向与管道最大应力的方向一致，这样就可以最大程度的发挥cfrp加固层的加固作用。

11、所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的过渡部位、相邻外部分布式光纤层的过渡部位均位于cfrp加固层的边缘处并通过树脂进行粘结封装，以保证单根光纤裸纤可以在不同层缠绕方向的顺利转换，保证较低光纤损耗率，保证树脂对光纤过渡部位的有效保护。

12、所述单模裸线的光纤连接接头位于所述cfrp加固层的边缘处并用于连接所述光纤解调仪，当采用布里渊光纤解调设备时需要将两个光纤连接接头均连接解调仪，当采用瑞利光纤解调设备时只需一个光纤接头连接。此处是受分布式光纤监测应变的基本光学原理影响，常用的分布式光纤应变解调原理有布里渊与瑞利两种方法；当采用布里渊法时，需要构成闭合回路，即单光纤的首尾两头都与布里渊光纤解调仪连接才可以正常工作；当采用瑞利法时，不需要构成回路，即只需光纤的一端与瑞利光纤解调仪连接即可正常工作；因此此处对两种方法不同的要求，特别说明了需要留出的光纤连接接头的数量。

13、使用所述光纤解调仪对缠绕光纤进行解调得到全长应变，通过对全长应变与管道加固区侧面展开位置进行定位，可以得到管道表面和cfrp加固层表面的环向应变云图。通过对比内层光纤得到的应变云图突变区域，实现应变变化剧烈的裂纹尖端的定位，进而实现对裂纹扩展长度的监测；对各应变云图进行整体分析并对比钢材和cfrp层的断裂伸长率可以实现对钢管和cfrp层受力的富余度监测，最终实现对碳纤维复材加固裂纹穿透型管道长期加固效果监测。

14、一种基于光纤的碳纤维复材加固管道的监测方法，其特征在于，具体步骤为：

15、s1、对加固管道的表面进行处理，使表面干净平滑；以保证后面的内层分布式光纤和内层的cfrp加固层与管道表面充分接触；

16、s1、将单根光纤裸纤通过胶粘剂紧密缠绕在被加固管道具有裂纹的表面，形成内层分布式光纤；

17、s2、通过胶粘剂将一层的cfrp加固层缠绕在内层分布式光纤外侧；

18、s3、将单根光纤裸纤通过胶粘剂继续紧密缠绕在最内层的cfrp加固层外侧形成外层分布式光纤；

19、s4、在外层分布式光纤外侧继续紧密缠绕cfrp加固层；

20、s5、根据实际情况，重复s3和s4。

21、其中在进行外部分布式光纤层和cfrp加固层的缠绕时，加固管道的裂纹处采用树脂进行封闭粘结

22、内部分布式光纤层、外部分布式光纤层和cfrp加固层的宽度至少为裂纹宽度的4倍且裂纹位于内部分布式光纤层的中间位置，宽度为加固管道的轴线方向。

23、所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的呈螺旋状分布且与加固管道轴线的夹角为80°~90°。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以同时对碳纤维复材加固管道中的管道表面与cfrp加固层应变场实现长期监测，并对cfrp层加固长期效果给出评价，具有施工工艺简便、应变监测精度高、监测有效范围大、不受管道尺寸限制等优点。

技术特征：

1.一种基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，包括通过粘结剂紧密缠绕在加固管道裂纹表面上的内部分布式光纤层以及通过粘结剂设置在任意相邻两层cfrp加固层之间的外部分布式光纤层；

2.根据权利要求1所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层采用单根光纤裸纤连续缠绕而成。

3.根据权利要求2所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的呈螺旋状分布且与加固管道轴线的夹角为80°~90°。

4.根据权利要求2所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述内部分布式光纤层、外部分布式光纤层和cfrp加固层的宽度至少为裂纹宽度的4倍且裂纹位于内部分布式光纤层的中间位置，宽度为加固管道的轴线方向。

5.根据权利要求2所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述cfrp加固层由碳纤维布与树脂组成，所述粘结剂采用树脂。

6.根据权利要求2所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的过渡部位、相邻外部分布式光纤层的过渡部位均位于cfrp加固层的边缘处并通过树脂进行粘结封装。

7.根据权利要求2所述的基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，所述单模裸线的光纤连接接头位于所述cfrp加固层的边缘处并用于连接所述光纤解调仪。

8.一种基于光纤的碳纤维复材加固管道的监测方法，其特征在于，具体步骤为：

9.根据权利要求8所述的基于光纤的碳纤维复材加固管道的监测方法，其特征在于，内部分布式光纤层、外部分布式光纤层和cfrp加固层的宽度至少为裂纹宽度的4倍且裂纹位于内部分布式光纤层的中间位置，宽度为加固管道的轴线方向。

10.根据权利要求8所述的基于光纤的碳纤维复材加固管道的监测方法，其特征在于，所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层的呈螺旋状分布且与加固管道轴线的夹角为80°~90°。

技术总结
本发明提供了一种基于光纤的复材加固管道的监测装置和监测方法，属于光纤传感技术长期监测领域。其技术方案为：一种基于光纤的复材加固管道的监测装置，其特征在于，包括通过粘结剂紧密缠绕在加固管道裂纹表面上的内部分布式光纤层以及通过粘结剂设置在相邻两层CFRP加固层之间的外部分布式光纤层；所述内部分布式光纤层和外部分布式光纤层均与光纤解调仪连接。本发明的有益效果为：可以同时对碳纤维复材加固管道中的管道表面与CFRP加固层应变场实现长期监测。

技术研发人员：王观军,韩庆,刘海波,谭晓林,韩玮,李西彦,刘延峰,田旺,刘超,王凯,丛雪明
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15