一、背景描述:
預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe, 簡(jiǎn)稱PCCP)的強(qiáng)度取決于纏繞在管芯上的高強(qiáng)鋼絲,鋼絲在管芯上產(chǎn)生均勻的壓預(yù)應(yīng)力,能夠抵償由內(nèi)壓和外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。如果鋼絲發(fā)生斷裂,所在部位管道強(qiáng)度下降。如果同一部位出現(xiàn)多根斷絲,管道強(qiáng)度顯著降低,在某一時(shí)刻導(dǎo)致爆管。大口徑PCCP爆管具有突發(fā)性、災(zāi)難性。爆管發(fā)生后,不僅僅會(huì)造成管道供水中斷,還會(huì)引起交通、環(huán)境、衛(wèi)生等公共安全事故。因此大口徑PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(pccp斷絲檢測(cè)儀)應(yīng)運(yùn)而生,能夠迅速地判斷出應(yīng)力管斷絲的位置及數(shù)量,同時(shí)還能兼顧管道泄漏、爆管監(jiān)測(cè)和防開挖功能。
二、工作原理:
系統(tǒng)將光纜鋪設(shè)在PCCP管道內(nèi),該光纜同時(shí)具備傳感器及傳輸信號(hào)的功能。PCCP發(fā)生斷絲時(shí),能量釋放發(fā)出聲音。激光器發(fā)出激光沿光纖傳播,遇到另一端鏡面后反射回來(lái)。斷絲引起的聲音產(chǎn)生壓力波,作用在光纖線纜上,使光纖出現(xiàn)輕微變形,導(dǎo)致光反射。反射信號(hào)被測(cè)量,以此判斷是否出現(xiàn)斷絲。
PCCP斷絲數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉到y(tǒng),系統(tǒng)識(shí)別出反映斷絲特征的信號(hào),通過(guò)Internet傳輸?shù)街醒胩幚碓O(shè)備,經(jīng)過(guò)分析處理后,就能即時(shí)確定斷絲數(shù)量,定位斷絲位置。
根據(jù)國(guó)產(chǎn)大口徑PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(pccp斷絲檢測(cè)儀)工作原理的描述,我們知道主要檢測(cè)PCCP管發(fā)生斷絲時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)及傳遞過(guò)來(lái)的震動(dòng)信號(hào),所以該系統(tǒng)也稱為分布式光纖聲波振動(dòng)傳感系統(tǒng),屬于分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的其中一種運(yùn)用場(chǎng)景。
三、系統(tǒng)組成:
PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也稱PCCP斷絲傳感系統(tǒng)、pccp斷絲檢測(cè)儀或者大口徑PCCP斷絲安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要由三部分組成:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ、傳感光纜、穿纜組件,另外光纖干涉儀是做選配的。該P(yáng)CCP管道斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般可以和管線水錘及漏損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(電學(xué)式管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng))配合使用,能夠更加準(zhǔn)確地判斷分析出PCCP管斷絲和泄漏情況,多重功能都可兼顧。
3.1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAQ(PCCP管道斷絲檢測(cè)儀)的主要組成單元包括聲音傳感單元(SSU)、位置傳感單元(RSU)、信號(hào)調(diào)節(jié)單元-觸發(fā)器單元(SCU-TR)、繼電器單元、看門狗單元、計(jì)算機(jī)、伊頓功率分配單元(ePDU)及光纖拉伸器。1臺(tái)PCCP管道斷絲檢測(cè)儀DAQ可監(jiān)測(cè)50km。該采集系統(tǒng)也可用于長(zhǎng)距離管道泄漏(泄露)監(jiān)測(cè),是分布式光纖管道泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高配版本。
主要參數(shù):
測(cè)量時(shí)間: ≤2s
誤報(bào)率: ≤5%
漏報(bào)率: ≤1%
定位精度: ±1m
操作系統(tǒng): Windows2000以上中文版
通信協(xié)議: 提供標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議,并按照相關(guān)規(guī)約傳輸給招標(biāo)方要求的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)
遠(yuǎn)傳通訊接口:TCP/IP接口,100M以太網(wǎng)口
電源要求: 220VAC(±10%),50-60Hz
工作溫度:-5℃~45℃
工作濕度: 0~95%(無(wú)凝露)
3.2、傳感光纜
光纜中包含分布式光纖傳感器,既是接收斷絲信號(hào)的傳感器,又是將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道。采用光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是管理成本低,精度高及可靠。全光纖傳感器鋪設(shè)在管道內(nèi),與任一處鋼絲的距離不超過(guò)1倍管徑,斷絲定位誤差小于1倍管徑,因此探測(cè)靈敏度高。光纖傳感器沒(méi)有電學(xué)元件,壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定。
敷設(shè)在管道中的傳感光纜是針對(duì)供水管道使用而定制的,應(yīng)符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)光纜包含4根單模光纖,其中一根為聲光纖,一根為定位光纖,另兩根為備用光纖。由于監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng),運(yùn)行環(huán)境惡劣,光纜在光學(xué)、力學(xué)及耐久方面有特殊要求。
3.3、穿纜組件
主要包括防滲帽、維特利卡箍、防噴器(BOP)以及撓性管托架。穿纜組件對(duì)光纜起到以下作用:避免光纜過(guò)度移動(dòng)造成磨損;進(jìn)入管道時(shí)可以避免尖銳的邊緣對(duì)光纜造成損害;光纜穿出管道時(shí)不會(huì)出現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎,從而影響光的傳播。
四、系統(tǒng)功能:
a)監(jiān)測(cè)斷絲的發(fā)展并及時(shí)預(yù)警
可以連續(xù)監(jiān)測(cè)斷絲,及時(shí)掌握斷絲數(shù)量。大口徑PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用有限元可計(jì)算得到管道失效的臨界斷絲數(shù)量,當(dāng)某管節(jié)斷絲數(shù)量接近臨界值時(shí),系統(tǒng)報(bào)警。安裝PCCP斷絲傳感系統(tǒng),還可以了解斷絲速率,當(dāng)某節(jié)管道的斷絲越來(lái)越頻繁,發(fā)展到每天都有斷絲或者一天內(nèi)有數(shù)根斷絲,這是管道瀕臨爆管的征兆,系統(tǒng)也會(huì)報(bào)警。
b)了解運(yùn)行操作對(duì)管線的影響
管線充水、排水會(huì)導(dǎo)致斷絲數(shù)量增多。管線切換泵,非正常開啟或者關(guān)閉水泵,甚至因?yàn)閾p耗水泵造成壓力波動(dòng),都會(huì)在管線中產(chǎn)生壓力瞬變,造成斷絲數(shù)量增加。對(duì)于安裝了大口徑pccp斷絲檢測(cè)儀及斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程,如果某特定時(shí)段斷絲數(shù)量顯著增加,可以查找是否有異常操作,運(yùn)行參數(shù)是否有變化,據(jù)此查找并消除運(yùn)行方面的問(wèn)題。
c)及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線附近的第三方施工。
大型輸水及調(diào)水工程管線長(zhǎng),工程沿線的保護(hù)范圍不足或者未劃出保護(hù)范圍,第三方施工有時(shí)會(huì)破壞管道。國(guó)內(nèi)PCCP工程已出現(xiàn)數(shù)例鉆機(jī)打穿管道的事故。雖然這些工程都安排了日常人工巡查,但是由于人力有限此類事故還是無(wú)法規(guī)避。PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布式光纖雖然是安裝在管道內(nèi)部,但由于靈敏度較高,能夠監(jiān)測(cè)到管線附近的第三方施工,特別是工程鉆機(jī)及挖掘機(jī)的施工。
d)現(xiàn)場(chǎng)聲音測(cè)聽(tīng)與還原
無(wú)論是PCCP斷絲信號(hào)還是第三方施工發(fā)出的振動(dòng)聲音信號(hào),大口徑pccp斷絲檢測(cè)儀都可以進(jìn)行音頻音色還原,并多次播放以確認(rèn)。報(bào)警聲音自動(dòng)進(jìn)行保存,存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年。
e) 邊緣計(jì)算AI子系統(tǒng)
PCCP斷絲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的邊緣計(jì)算AI子系統(tǒng)主要是指分布式光纖聲波傳感主機(jī)和分布式光纖干涉儀設(shè)備。分布式光纖聲波傳感系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)對(duì)取得的聲音信號(hào)進(jìn)行判斷和識(shí)別,分布式干涉儀設(shè)備可以獲取振動(dòng)信號(hào)的高頻信息,振動(dòng)報(bào)警信息和分布式干涉儀設(shè)備探測(cè)信息一起通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)傳輸給綜合信息處理子系統(tǒng)。