齊海銘，宋建國(guó)，崔友國(guó)

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管 (Pre-stressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)是指在帶鋼筒的混凝土管芯上螺旋纏繞高強(qiáng)鋼絲，并覆蓋砂漿保護(hù)層而制成的管材。PCCP作為一種新型的輸水管材，具有壽命長(zhǎng)、抗震性好、防滲漏等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水利、電力、市政給排水等領(lǐng)域。

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。但是在施工及運(yùn)行過(guò)程，多種原因會(huì)造成鋼絲損傷或腐蝕：1）鋼絲氫脆現(xiàn)象；2）制造缺陷；3）砂漿保護(hù)層裂縫；4）腐蝕等。鋼絲損傷到一定程度后出現(xiàn)斷裂，引起管道強(qiáng)度下降，同一部位將出現(xiàn)更多斷絲，最終導(dǎo)致爆管等公共安全事故。據(jù)調(diào)查，1942～2006年美國(guó)共發(fā)生了399次爆管事故，墨西哥、南非、沙特阿拉伯、利比亞人工河工程均出現(xiàn)過(guò)大規(guī)模的PCCP爆管事故[1]。我國(guó)PCCP的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，截止目前已累計(jì)生產(chǎn)管材超過(guò)5000km，國(guó)外PCCP爆管事故頻發(fā)，給我國(guó)的PCCP安全運(yùn)行管理敲響了警鐘。對(duì)新鋪設(shè)PCCP的質(zhì)量檢測(cè)、舊管線存在的缺陷檢修等方面有巨大需求[2-5]。

PCCP管道工程的復(fù)雜多樣性促使管道檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)向著裝備智能、運(yùn)行自主、位置可測(cè)的方向發(fā)展，以提高其在工程中的實(shí)用性。目前應(yīng)用較多的方法包括回聲檢測(cè)法、電磁檢測(cè)法、聲波監(jiān)測(cè)法、光纖光柵應(yīng)變檢測(cè)法等，其中比較知名的當(dāng)屬加拿大Pure公司開發(fā)研制的P-Wave電磁檢測(cè)技術(shù)與SoundPrint聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)[1-6]。雖然目前對(duì)PCCP管預(yù)應(yīng)力鋼絲斷絲的檢測(cè)已有了一些檢測(cè)方法和實(shí)踐應(yīng)用，但在PCCP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面的研究與應(yīng)用還很少。

本文在深入研究PCCP管道斷絲和泄漏機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的最新研究成果，自主研發(fā)完成了PCCP管道斷絲、泄漏實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，融合了溫度、濕度、應(yīng)變等多傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PCCP健康分析與評(píng)估，有效預(yù)防爆管等突發(fā)性事故。

2 PCCP失效的監(jiān)測(cè)因素分析

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)和PCCP管道內(nèi)水壓力試驗(yàn)結(jié)果，PCCP的管道結(jié)構(gòu)受力過(guò)程可分為五個(gè)階段，即預(yù)應(yīng)力鋼絲作用階段、管芯混凝土彈性階段、管芯混凝土塑性階段、鋼筒和鋼絲屈服階段、管道破壞階段。在混凝土管芯成型后，纏繞在管芯外側(cè)的環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲會(huì)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，在管道正常運(yùn)行過(guò)程中承擔(dān)部分內(nèi)水壓力，避免管芯混凝土不抗拉產(chǎn)生裂縫。此時(shí)，管道內(nèi)水壓力較小，管道處于彈性狀態(tài)。隨著內(nèi)水壓不斷增大，管芯混凝土?xí)M(jìn)入塑性階段，產(chǎn)生裂縫，隨后裂縫擴(kuò)展成通縫，內(nèi)水壓力的承載主體從管芯混凝土變成鋼絲和鋼筒。當(dāng)內(nèi)水壓力繼續(xù)增大時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒進(jìn)入屈服階段，管道發(fā)生徑向變形，鋼筒焊縫開裂產(chǎn)生水滲漏甚至爆管，最終喪失承載能力[7]。

通過(guò)上述對(duì)PCCP失效過(guò)程的分析，可以將鋼絲斷裂或混凝土塑性裂變引起的管材徑向應(yīng)變、管材混凝土孔隙的溫度和濕度變化等因素作為PCCP安全運(yùn)行的監(jiān)測(cè)對(duì)象。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PCCP遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，沿著管道走向在地面設(shè)置塔桿式監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有獨(dú)立的ID識(shí)別號(hào)和經(jīng)緯度坐標(biāo)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS/3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，由上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示、異常報(bào)警、故障管道定位等功能。

圖1 整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由傳感器子系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)傳子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成框圖

本系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程智能、高效、可靠，通過(guò)傳感器采集管道的相關(guān)參數(shù)，通過(guò)鎧裝電纜將數(shù)據(jù)送入塔桿上的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)組幀打包后由無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)GPRS/3G/4G等網(wǎng)絡(luò)傳輸至Internet網(wǎng)絡(luò)，最后傳輸至監(jiān)測(cè)中心。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：

1）不需要對(duì)PCCP進(jìn)行穿孔等破壞性操作，避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的引入加速PCCP失效；

2）PCCP生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)先埋入防水耐壓式傳感器，簡(jiǎn)化了后續(xù)施工過(guò)程；

3）采用多傳感器融合的技術(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度、應(yīng)變以及動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程，可以更全面、更迅速的捕捉PCCP的運(yùn)行狀態(tài)；

4）塔桿數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采取太陽(yáng)能電池自主供電、低功耗遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，大大降低了人力、物力成本；

5）各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)有唯一的ID識(shí)別號(hào)和經(jīng)緯度坐標(biāo)，在故障監(jiān)測(cè)同時(shí)也實(shí)現(xiàn)精確定位。

4 各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 太陽(yáng)能供電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作與野外空曠環(huán)境，采用遠(yuǎn)程集中供電方式顯然施工與維護(hù)成本較高，因此本文設(shè)計(jì)了自主太陽(yáng)能充電與供電系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 自主太陽(yáng)能充電與供電原理圖

采用工業(yè)級(jí)太陽(yáng)能電池板，工作溫度-40℃～120℃，采用防水防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用2組并聯(lián)冗余工作方式，避免單點(diǎn)失效；通過(guò)Buck升壓電路及穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能供電輸出穩(wěn)定的+14 V（穩(wěn)定度±5%），額定輸出功率50 W；蓄電池采用免維護(hù)鉛酸電池，容量為12 V/7.2 AH。

控制單元同時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能輸出電壓V1與蓄電池電壓V2。當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，V1-V2≥0.7V門限值，則控制單元實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能輸出給負(fù)載電路供電，同時(shí)檢測(cè)當(dāng)V2≤放電門限時(shí)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能給蓄電池充電；當(dāng)光照條件變差，0V≤V1-V2≤0.7V時(shí)，則控制單元實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能輸出給負(fù)載電路供電，不再給蓄電池組充電；當(dāng)V1≤V2時(shí)，通過(guò)二極管線或?qū)崿F(xiàn)蓄電池組給負(fù)載供電；當(dāng)V2≤放電門限時(shí)，則控制單元斷開蓄電池輸出開關(guān)，保護(hù)電池避免過(guò)放電，等待陽(yáng)光充足后系統(tǒng)再恢復(fù)供電、充電。

4.2 傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)PCCP的失效模式，選取預(yù)埋式溫濕度傳感器、卡箍帶應(yīng)變傳感器，如圖4所示。

圖4 PCCP監(jiān)測(cè)傳感器的布置

4.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器預(yù)埋在PCCP的外部砂漿防護(hù)層中，通過(guò)監(jiān)測(cè)絕對(duì)溫度、相對(duì)濕度變化來(lái)表征PCCP鋼筒及混凝土的滲漏情況。

傳感器采用銅燒結(jié)防水外殼，水分子無(wú)法進(jìn)入，而空氣分子可以進(jìn)入，傳感器檢測(cè)的是金屬濾網(wǎng)內(nèi)部腔體的空氣相對(duì)溫度、濕度。采用瑞士Sensirion公司推出了SHT15單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，濕度測(cè)量量程為0～100%RH（測(cè)量精度±2.0%RH），溫度測(cè)量量程為-40～+120 ℃（測(cè)量精度±0.3℃），響應(yīng)時(shí)間約3 s。溫濕度傳感器外形見圖5。

圖5 溫濕度傳感器外形圖

SHT10的供電與信號(hào)采集變送器放置在塔桿信號(hào)箱中，將STH15輸出的串行數(shù)據(jù)變送為0～5V的電壓信號(hào)。溫濕度傳感器信號(hào)變送原理見圖6。

圖6 溫濕度傳感器信號(hào)變送原理

4.2.2 應(yīng)變傳感器

采用卡箍式鋼帶纏繞在PCCP外部保護(hù)層，卡箍接頭位置用螺栓緊固，螺栓可以預(yù)埋在PCCP中，卡箍帶處于預(yù)拉緊狀態(tài)緊貼在管道外壁，PCCP管壁的彈性和塑性變化引起卡箍帶的應(yīng)變。用自帶補(bǔ)償?shù)碾娮枋綉?yīng)變片來(lái)測(cè)量卡箍帶的應(yīng)變，如圖7所示，電阻式應(yīng)變片采用T-1型502膠粘貼在卡箍帶表面，傳感器引線連接到無(wú)線數(shù)傳子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡。

圖7 應(yīng)變傳感器粘貼方式

本文采取的應(yīng)變片型號(hào)為BX350-10AA，敏感刪尺寸為10 mm×4mm，基底尺寸為 18mm×9mm，量程為±5000με，測(cè)量精度為1%，為了提高測(cè)量精度和可靠度，每個(gè)卡箍帶粘貼4個(gè)傳感器并取測(cè)量結(jié)果的平均值，應(yīng)變與電阻換算關(guān)系如下公式所示：

式中，ΔR為傳感器電阻的變化值；R0為傳感器電阻初始值，粘貼后由兆歐表精確測(cè)量；K0為金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，在材料彈性極限范圍內(nèi)為常數(shù)。

4.3 無(wú)線數(shù)傳子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)傳子系統(tǒng)由天線、GPRS通信模塊、SIM卡、數(shù)據(jù)采集卡四部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集卡兼容模擬量、電流量、RS-485、RS-232等接口，讀取各類傳感器的數(shù)據(jù)；GPRS模塊由ARM處理器、存儲(chǔ)器、射頻模塊及功率放大器等組成，配合SIM卡和天線將該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的組幀數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議無(wú)線發(fā)送至運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)傳功能。數(shù)傳子系統(tǒng)組成原理見圖8。

圖8 數(shù)傳子系統(tǒng)組成原理

4.4 監(jiān)視子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)視子系統(tǒng)由GPRS/互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)器及其協(xié)議、虛擬串口協(xié)議、計(jì)算機(jī)及監(jiān)視軟件組成，建立GPRS-DTU模塊與監(jiān)視計(jì)算機(jī)虛擬串口之間透明傳輸通道，采用組態(tài)軟件編制監(jiān)視軟件，可以按照設(shè)備ID順序，直接讀取各個(gè)GPRS-DTU模塊的采集數(shù)據(jù)，在軟件相應(yīng)參數(shù)位置和曲線中顯示結(jié)果。軟件中可以設(shè)置各個(gè)參數(shù)的報(bào)警閾值，當(dāng)某參數(shù)的數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，軟件將發(fā)出警報(bào)提醒值班人員。監(jiān)視子系統(tǒng)的通信過(guò)程描述見圖9。

此外，監(jiān)視系統(tǒng)不僅可以讀取遠(yuǎn)程遙測(cè)數(shù)據(jù)，還可以返向遠(yuǎn)程發(fā)送指令，GPRS-DTU模塊可以通過(guò)RS-485串口（例如Modbus儀表協(xié)議）或者12V脈沖指令對(duì)管道閥門、配電箱繼電器等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行打開與關(guān)閉控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及時(shí)搶修，避免次生災(zāi)害的發(fā)生。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述各子系統(tǒng)進(jìn)行集成，采用單個(gè)GPRS-DTU模塊插入SIM卡遠(yuǎn)程通信，在監(jiān)視計(jì)算機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)了PCCP傳感器數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)更新速率為幀/0.5s，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。單節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備見圖10。

圖10 單節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備

監(jiān)視軟件頁(yè)面見圖11。

圖11 監(jiān)視軟件頁(yè)面

6 結(jié)論

本文依據(jù)PCCP運(yùn)行的失效原理分析，提出了一種PCCP遠(yuǎn)程無(wú)線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，用于對(duì)PCCP進(jìn)行健康評(píng)估與管理。該系統(tǒng)采用溫度、濕度、應(yīng)變檢測(cè)等多種智能傳感技術(shù)，野外監(jiān)測(cè)設(shè)備利用太陽(yáng)能電池、鋰電池綜合配電方式，通過(guò)GPRS/3G/4G等無(wú)線通信手段將PCCP監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測(cè)中心。通過(guò)系統(tǒng)集成、調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)PCCP的遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)功能。

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