城軌車輛段直埋保溫管道鋼管外壁銹蝕監測研究（其他）

                                 于海洋

                     鐵道第三勘察設計院集團有限公司

摘要：城軌車輛段供熱管道由于敷設在地下，檢修維護十分困難。布里淵光纖傳感技術發展迅速，可實現超長距離、滿足工程精度要求的實時監測。本文通過闡述直埋保溫管道外壁的銹蝕機理，建立直埋保溫管管道外壁的光纖傳感銹蝕監測模型，在試驗條件下對試驗鋼管外壁的銹蝕情況實施在線監測以及數據分析；對直埋保溫管道的監測進行探討和研究，通過試驗方法對模型進行了分析和驗證。結果表明，此模型中的布里淵光纖傳感器反應靈敏，監測范圍廣，可有效監測管道前中期的銹蝕情況。

關鍵詞：直埋保溫管外壁銹蝕布里淵光纖傳感器銹蝕模型實時監測

0  前言

    近幾十年，基于布里淵散射光時域反射的光纖傳感技術發展迅速。由于光纖傳感器對所處環境的溫度和應力具有反應靈敏且精度高，抗干擾能力強，耐久穩定，能實現長距離分布式實時監測等諸多優點，使得該技術在工程領域得到了廣泛的發展。目前，國內外學者已將該技術用于監測基礎土木工程的健康性、輸油輸氣管道的安全性、監測電力系統設備故障甚至國家周界安全等多個應用領域。

    由于供熱直埋保溫管道在投資、施工安裝及使用壽命上的優點，使其占據了目前供熱管網的絕大部分。但由于其直埋敷設于地下，在無檢測設備的情況下，很難預知管網的健康狀態，使得供熱突發事故頻發。據調查，城市軌道交通工程的車輛段及綜合基地很多地區采用市政供暖，且各地車輛段供熱管網所處的地下環境存在較大差異，造成管網不同程度的銹蝕，從而影響管道的使用壽命，造成管網健康狀態的不可預知性。本文從直埋供熱管道鋼管外壁的銹蝕機理出發，建立其外壁銹蝕模型，通過試驗方法對銹蝕模型進行在線監測和數據結果分析。

1  鋼管外壁的銹蝕分析

    以下因素制約直埋管道鋼管外壁的銹蝕：①土壤的電阻率；②土壤的氧化還原電位；③土壤的含鹽量；④土壤中的水與氣體的含量；⑤土壤的溫度；⑥雜散電流。

    通常情況下，直埋敷設管道由工作鋼管、保溫層和防護層構成。施工工藝要求工作鋼管、中間層聚氨酯保溫層、最外層聚乙烯保護層緊密結合，但是在施工過程中由于施工質量參差不齊和保溫管本身老化剝落，一旦鋼管裸露于工作環境，造成工作鋼管與土壤介質直接接觸，導致鋼管加速銹蝕。供熱管道在設計時工作鋼管管壁會預留一部分裕量，但長時間工作運行，管道壁厚會因銹蝕而減薄，造成供熱管網泄漏、失穩甚至管道爆破等事故。

2  銹蝕傳感器設計及試驗

    光纖傳感器試驗一般為加速銹蝕，若銹蝕速度過快或鋼管盡早暴露于電解液中，會導致鋼管局部與電解液直接接觸，使得接觸部分銹蝕嚴重，甚至出現銹蝕孔，使得監測試驗不能正常進行。為使銹蝕過程穩定，本文設計了混凝土鋼管的銹蝕傳感器，且通過控制加速電流使銹蝕過程趨于均勻。該傳感器模型通過鋼管外澆注混凝土模擬直埋管道，在混凝土開裂前鋼管不會直接與電解液接觸，監測范圍更廣。試驗中的光纖為普通抗彎光纖，光纖傳感器本身即作為傳感元件，也作為光能載體。銹蝕傳感器的設計如下所述：

    1)選取DN100的鋼管200 mm，將其拋光處理，至外徑107.3 mm，此時鋼管壁厚4.2 mm;

    2)在拋光后的鋼管上加一定預應力纏繞一層光纖，傳感段光纖的有效長度為3m左右，將傳感段光纖兩端固定在鋼管上，并對光纖進行保護；

    3)將試驗鋼管外層澆注混凝土，一端密封處理，另一端引一條導線；

    4)將混凝土試件養護1～2個月，使混凝土達到強度，對密封端用環氧樹脂膠密封；

    5)將傳感光纖與帶接頭的傳輸光纖熔接，光纖回路中接入一段150 m左右的傳輸光纖來減少整個回路的光損。

    銹蝕傳感器試件主要由外層混凝土和工作鋼管兩部分構成，與實際的供熱管道一致，傳感器示意圖如圖1所示。

  銹蝕試驗在水箱中進行，并采用電化學加速，電解液為質量分數5% NaC1的水溶液。鋼管連接導線的一端接恒流源的正極，恒流源的負極接水箱底部的鋼板。光纖應變達到一定數值后停止試驗，對數據進行整理和分析。設置光纖布里淵分析儀的采樣時間間隔為1.0 h，測量的采樣間隔為0.41 m，空間分辨率為1.0 m。

3  銹蝕評價公式推導

    以下評價公式只適用于文中布里淵光纖銹蝕傳感器，用于評價鋼管的銹蝕情況。本文的公式推導用到如下假設：

    1)光纖層的實際厚度為試驗鋼管的千分之一，公式推導中忽略光纖層的厚度；

    2)加速銹蝕過程鋼管均勻銹蝕，即鋼管外壁銹蝕后仍為圓環形截面，光纖包裹的銹蝕物不外溢；

    3)整個銹蝕過程鋼管的銹蝕膨脹率為定值。

鋼管銹蝕發生后，傳感光纖所在位置的鋼管質量

式(6)即為評價布里淵光纖銹蝕傳感器監測到的鋼管銹蝕情況的公式。

4  結果及數據分析

    銹蝕試驗共持續12天，銹蝕前后傳感器對比如圖2。

 取傳感段光纖處3個有效測點，并將其應變平均值作為每個時間點上傳感段光纖的平均應變值，將其平均應變隨時間的變化情況表示如圖3。

 其中，為驗證銹蝕過程的均勻性，試驗初期電流為0.4 A，60 h后將電流調整為0.2 A。為減小溫度對光纖應變的影響，取傳輸段光纖（不受力，只受溫度影響）作為傳感段光纖應力變化的校核，應用origin軟件繪制布里淵光纖銹蝕傳感器監測到的光纖回路上各測點的距離一時間一應變三維曲線如圖4所示。

 由圖3和圖4可以得到有效測試點的光纖應變隨時間的變化關系。通過測量鋼管銹蝕前和銹蝕后外徑的變化得到鋼管的銹蝕情況。試驗測得D₀為107.3 mm，D₁為106.6 mm，代入到式(1)可得鋼管的質量損失率6為0.086，對應光纖的應變為687。計算得該試驗環境下鋼管的體積膨脹率為1.11。監測的有效點的平均應變的最大值為713.6。將以上數據代人式(6)可得鋼管銹蝕的質量損失率為：

利用式(6)，將光纖應變轉化為鋼管的質量損失率，得鋼管外壁的銹蝕程度隨時間的變化情況，如圖5所示。

5  結論

   通過對銹蝕模型的監測試驗可知，本文中的光纖銹蝕傳感器具有以下優點：   

1)銹蝕試驗開始的1h內該傳感器能夠監測到應力的變化，對銹蝕情況響應迅速，靈敏度高，能夠有效監測鋼管銹蝕的初期情況；

2)試驗中傳感器模型最終監測的鋼管銹蝕損失率為8.62%，且銹蝕末期傳感器模型仍可繼續監測，適用性強，可滿足實際供熱管網的工程需求；

3)該傳感器具有良好的線性關系，能夠實時監測直埋管道鋼管銹蝕的情況；

4)減慢銹蝕的速率（試驗中減小電流）有助于鋼管發生均勻銹蝕，鋼管在實際工作環境中的銹蝕情況更加緩慢均勻，因此該傳感器更適用于實際的直埋管道銹蝕監測；

5)傳感器中應用的光纖性能穩定，耐久性強，能夠適用于城市軌道交通直埋管道的工作環境的銹蝕監測。

本文設計了城軌直埋保溫管道的銹蝕傳感器模型，并通過在線監測、數據收集分析總結了該傳感器的監測性能，試驗結果表明，該傳感器性能優良，可實現直埋保溫管道工作鋼管外壁銹蝕情況的長期監測。