PCCP分布式光纤断丝监测技术研究.docx
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PCCP分布式光纤断丝监测技术研究
科技项目申请书
PCCP分布式光纤断丝监测技术研究
南京航空航天大学
2017年2月
简 表
项目名称
PCCP分布式光纤断丝监测技术研究
研究内容
、
目标和预期成果摘要
[研究内容]
针对现在国内外大口径PCCP管道中预应力钢丝因腐蚀断丝造成爆管等问题,研发基于分布式光纤的断丝监测技术。
研究内容主要包括:
1、1、分布式光纤传感器与管道粘结方式研究,光纤布置方式研究;
2、2、断丝引起光纤中的布里渊散射光的频率漂移量与光纤所受的轴向应变关系研究;
3、3、通过合理的光纤布设方式实现断丝识别,断丝根数跟踪监测;
4、4、利用有限元仿真分析,探讨断丝根数与PCCP发生爆管之间的规律。
[研究目标]
针对现在国内外大口径PCCP管道中预应力钢丝因腐蚀断丝造成爆管等问题,研发基于分布式光纤的断丝监测技术,达到预应力钢丝断丝实时在线监测。
填补国内外利用光纤技术监测预应力钢丝断丝的空白。
形成企业自己的知识产权和核心竞争力,掌握利用分布式光纤监测预应力钢丝断丝的的专属技术,有效提升企业在行业中的形象和知名度。
通过创新,达到引领行业发展的目标。
[预期成果]
1、研发基于分布式光纤的断丝监测技术,实现预应力钢丝断丝实时在线监测。
2、提交研究报告,在国内外核心期刊上发表3~5篇研究论文,申请专利1~2项。
一、研究项目的科技依据
[项目背景]
从20世纪40年代起,美国在大口径、长距离高压输水工程中大量使用PCCP。
PCCP在国内的应用始于1988年,目前已广泛应用于我国的水利、电力、市政给排水等多个领域,年设计生产能力已达上千公里。
PCCP管道在生产及运行过程中,由于受到周边各种因素的影响,对PCCP管道的预应力钢丝产生腐蚀,部分钢丝腐蚀后可进一步发展到断丝,如果PCCP管道的同一部位出现多股断丝,管道强度将显著降低,并最终导致爆管。
因此,在PCCP管道运营过程中,需要采用有效的技术手段,建立一套针对PCCP管线安全运营的在线监测系统,对PCCP管道进行实时监测,实时发现和记录PCCP管的损坏状态,并及时进行维修处理,减少安全事故的发生。
PCCP作为一种新型组合结构管材,目前国内外众多学者对大口径PCCP管道进行了一些研究,并得出一些有参考价值的结论。
但是对于判断超大口径(如直径2~4m)PCCP原型管断丝检测试验及相关的检测技术的研究很少。
意大利有一套PCCP管道断丝检测设备,但技术保密且价格昂贵,因此急需开发具有国内自主知识产权的大口径PCCP管道的断丝检测技术。
[PCCP管道断丝监测的国内外研究概况]
1、PCCP管道断丝对安全性影响的国内外研究进展
据相关文献,美国在最近的50年中铺设使用的PCCP己发生了多起管道破坏事故。
美国混凝土压力管协会(ACPPA)非常重视PCCP破坏的原因和机理。
他们在有关的技术报导中称:
在已提出破坏报告的118项报告中,大多数是由外部环境对预应力钢丝引发腐蚀所致。
PCCP的破坏或者说预应力钢丝的破坏,在过去的20年中曾归因于很多原因,如保护层质量差,预应力钢丝质量差,管顶覆土荷载超出设计允许值使砂浆开裂损坏,埋置在较为严重的腐蚀环境下却未加任何保护措施等。
MehdiZarghamee(2003)等提出了考虑断丝数量、使用年限、损坏情况和强度极限的风险压力曲线,以及修补断丝的方法。
法国学者Diab(2005)对钢丝不同的受损行为进行了分析,并研究了对的承载能力的影响。
Rregory.J.Henry等分析了美国休斯顿市几起典型PCCP事故的起因,指出了管道埋置深度超过设计值,额外荷载会导致钢丝氧脆现象。
Rregory.J.Henry对2006年美国圣地亚哥市事故的原因进行分析,运用声学光纤监测系统对PCCP进行安全评估。
RudyLoera(2007)建立了可靠性系统,指出系统中最重要的是预应力钢丝,并对断丝的形式、断丝影响区域进行了分析,对纵向裂缝和环向裂缝进行了分析,并指出了断丝和裂缝的危害性。
BrianJ.Mergelas(2007)对管道进行了风险分析和风险管理的研究,并通过检测管道断丝情况、断丝数量及所处位置。
研究了利用电磁和涡电流综合技术监测断丝情况,并对断丝的发展趋势进行了预测。
Graham.E.C.Bell利用声监测数据分析断丝、分层和滑移对管道承载能力的影响;John.J.Galleher结合监测数据和爆管报告对PCCP的管道接口等薄弱环节进行重点分析和研究。
在国内,张社荣使用ANSYS模拟PCCP从制造、施工和运行过程的受力状态并分析了PCCP变形、应力和裂缝在不同荷载下的分布规律;胡少伟结合南水北调工程,围绕超大口径PCCP结构做了原型观测、理论解析和数值模拟等研究,提出PCCP结构承载安全评价理论和质量控制体系。
相比国外的研究,我国PCCP研究进度相对滞后,多数是对生产工艺技术改良和使用CAE软件结构模拟分析,而断丝对PCCP结构承载影响研究也同样较少,尤其是断丝监测、断丝精确定位和断丝状态下管道的极限承载能力这几方面研究在国内没有明确理论和规范可依。
目前,PCCP管道断丝监测技术包括电磁法检测和声检测,电磁法检测是在PCCP管道中沿轴线连续移动电磁波探测设备,探测每一管段中预应力钢丝的状态。
通过探测估计每一管段中预应力钢丝的断丝数量,为PCCP评估提供重要的基准。
声监测通过安装在PCCP内部或外壁的传感器监测经由管道中水体传递的声活动。
通过持续监测声活动,将管道中的每一声事件与钢丝断裂的声准则相比较,滤去环境噪声后,剩下的声事件包含断丝的基本声特征,再通过信号处理进行详细分析评价。
加拿大PureTechnologies公司开发了基于光纤传感器及光学数据采集系统的光纤声监测系统,将PCCP声监测技术推上了一个新的高度。
2、分布式光纤监测技术国内外研究进展
分布式光纤传感器作为近二十年内才发展起来的新型监测技术,经历了理论研究、传感器研制、室内试验、工程应用等阶段。
目前,已有多家公司可提供性能稳定的,依托商业化的传感器,国内外学者进行了一系列室内试验和现场应用,主要进行了分布式光纤传感器标定,研制新型传感器封装方式,开发新的应用领域等工作。
欧美国家较早对分布式光纤监测展开了应用性研究。
美国的佛蒙特大学的研究小组较早取得了成果,Fuhr和Hustom将光纤传感技术在钢筋混凝土结构的健康监测领域做了很多有益的探索。
1989年他们将光纤传感器安装到一个桥梁上监测了振动响应,并与传统方法的测量结果做了对比;接着这个小组在1991年又将这一技术运用在一座新建的大楼中,检测了结构的温度、应变、风荷载、振动等健康状态参数;在1995年又用光纤传感技术监测了钢筋的腐烛情况。
在国内,重庆大学在1992年较早开始了光纤传感技术研究,由其结构研究中心在黄尚廉院士的带领下对此技术在土木工程中的应用开展了广泛的研究,而现在也逐渐的应用到更多的领域,可以实现通过对温度场的实时测量对电力系统中的高压电缆进行监测,也可以识别地下电缆的异常温度点,而且相关报道中也出现了BOTDA在风力发电机的风机叶片中的健康监测方法。
在试验室研究方面,吴智深对基于BOTDR的光纤变形检测特性进行了试验研究,包括光纤拉伸和压缩试验。
索文斌提出了釆用等强度梁和BOTDR标定传感光纤的温度频移系数及应变频移系数的方法,将普通通讯光纤标准化为分布式光纤传感器进行标定。
高俊启通过将分布式传感光纤布设在钢筋和混凝土表面,通过静载试验研究了试验梁性能,同时对BOTDR的测量误差进行了分析。
Takeda等人釆用BOTDR对飞机机身的CFRP片状结构的制造过程及后期加载进行了应变检测,提出通过分析布里渊频谱提高空间分辨率及识别动态应变,依托上述技术建立了飞行器应变检测系统。
Zhang利用BOTDR对裂缝进行了监测并分析其应用于裂缝监测的可行性。
Zou通过试验提出了利用布里渊散射的光纤应变判断裂缝开展过程。
Lu等人将BOTDA裂缝监测技术应用于某沥青铺装层的裂缝监测中。
钱振东等人开展了基于BOTDA的桥面板疲劳裂缝监测研究,利用光纤应变得到了疲劳扩展模型。
[应用前景]
综合国内外研究和工程情况,PCCP断丝对安全性的影响研究远远不能满足工程需要,基础理论研究不够深入,相关试验研究也很少。
由于资金和试验设备的限制,PCCP的现场原型试验的结果远不能满足国内对结构以及理论深入研究的要求。
断丝现象的发生对正常使用极限状态影响较大,一旦发生断丝,PCCP开裂内水压力会有所降低,当断丝范围较大时,在预应力、管体自重、土压力及流体自重等综合作用下,失去承载能力无法继续承担内水压力,在内水压力作用下会发生爆管事故。
因此,在PCCP的运行过程中,应通过有效监测手段对PCCP断丝情况进行严密监控,防止爆管事故的发生。
随着我国经济发展和PCCP管道的广泛应用,断丝监测技术在该领域具有非常广阔的应用前景。
二、研究内容和技术经济指标
[研究内容]
本项目将围绕PCCP管断丝监测关键技术,从断丝机理、断丝与管道爆管规律、分布式光纤断丝监测技术等方面开展研究。
主要包括:
1、调研PCCP管国内外的发展应用情况,搜集国内外PCCP管失效资料,分析管道失效的主要原因,针对问题提出利用BOTDA分布式光纤监测断丝的实施方案,解决预应力钢丝断丝、管道难以预警等问题;
2、分布式光纤传感器与管道粘结方式研究,光纤布置方式研究;
3、断丝引起光纤中的布里渊散射光的频率漂移量与光纤所受的轴向应变关系研究;
4、通过合理的光纤布设方式实现断丝识别,断丝根数跟踪监测;
5、利用有限元仿真分析,探讨断丝根数与PCCP发生爆管之间的规律。
三、研究方法和技术路线
[研究方法]
结合PCCP管的具体特点,以理论分析为基础,室内试验为依据,数值模拟为手段,将理论分析与基于物理力学试验成果的数值分析有机结合起来进行光纤断丝监测研究。
1.调研PCCP管国内外的应用情况以及存在的问题,结合国内外PCCP管失效案例分析PCCP管的破坏机理及影响因素。
调研、总结国内外断丝监测常用方法及优缺点;
2.针对PCCP管断丝而引起的爆管问题,提出采用光纤传感器实时监测管道运行和钢丝断裂预警监测设想,用来解决由于钢丝断丝监测难的问题;
3.验证利用光纤传感器监测管道健康状况的可行性,利用模拟试验和有限元软件仿真计算两种手段开展研究;
4.试验验证:
设计科学合理的试验方案,利用分布式光纤传感技术实时监测实时监测情况,研究断丝引起PCCP管道局部变形与BOTDA频移之间的关系。
实现光纤对断丝的有效监测;
5.有限元软件模拟:
根据试验管材和实际工程中PCCP原型管建立模型,正确定义材料属性,选择合适的单元体和准确的边界关系,模拟出钢丝断裂根数与管道失效的关系。
6.通过试验验证和有限元软件分析结合,为利用光纤传感技术监测断丝提供技术支持。
[技术路线]
图2为研究技术路线。
图2.研究技术路线
四、研究工作进度安排及目标
序号
时间段
主要工作内容
主要目标
1
2016年6月~2016年12月
资料收集分析
确定试验方案
对PCCP管的工程特性、工程应用效果以及工程建设和运行过程中的破坏问题进行全面系统的分析归纳。
2
2017年1月~2017年7月
材料室内测试,模型试验及监测
通过室内试验研究探讨断丝机理和影响因素,研究分布式光纤用于断丝监测的可行性。
3
2017年8月~2018年2月
理论分析与数值仿真
4
2018年3月~2018年6月
报告编写与评审
编写研究报告、发表论文、申请专利。
五、开展本项目研究具备的条件(包括过去的研究工作基础,现有的主要仪器设备、研究技术人员,从其它渠道已得到的经费等)
[申报单位研究基础及与优势]
1、项目研究基础
南京航空航天大学历来重视科学技术研究工作,在力学等领域的多个研究方向居国内领先水平。
学校每年承担数十项973、863和国家自然科学基金项目。
学校完成一批重大科技攻关项目,并参加一些国家重大项目研制任务。
科研条件在我国理工科大学中处于先进水平。
土木工程系具有交通运输工程、力学博士点和博士后流动站,具有土木工程一级学科硕士点。
近年来,与美国、俄罗斯、英国、法国、日本、新加坡、台湾、香港等国家和地区的著名大学和研究机构开展经常性的学术交流和合作。
南京航空航天大学拥有工程力学国家和国防重点学科、一般力学与力学基础省级重点学科。
2、项目组成员以往承担国家、省级等各类科技计划项目及完成情况,取得的自主知识产权成果及产业化的效果
项目组成员近年来一直从事结构工程方面的研究工作。
①1998-2000年主持河南省自然科学基金项目“钢筋混凝土双向预应力叠合板试验研究”。
②1999-2002参加国家自然科学基金(59809003)“水工混凝土结构可靠度反分析”研究
③2006-2008主持江苏省水利重点科技项目“水工混凝土结构耐久性智能监测技术研究”,获江苏省水利科技进步三等奖。
④申请者近年来在土木工程学报等国内外刊物上发表研究论文60余篇:
[1]赵新铭,张剑,刘宁.大体积混凝土力学参数的Bayes随机优化反演.土木工程学报,2005.10第38卷第10期:
93-96.
[2]赵新铭,张剑,刘宁.基于CG法刚架结构位移参数的动态Bayes随机估计.南京航空航天大学学报,2007.02第39卷第1期:
60-64.
[3]赵新铭,郑恒祥,刘瑞.双向预应力混凝土叠合板抗剪强度试验研究.河海大学学报,2000.05第28卷第3期:
86-89.
[4]赵新铭,白新理,杨开云.简支预应力U型薄壳渡槽槽身整体结构优化.港工技术2002.09(3)
[5]赵新铭,刘宁,束善杭.DFP优化法及其在材料参数反分析中的应用.华北水利水电学院学报,2002.03第23卷第1期:
1-3.
[6]赵新铭,张剑,刘宁.混凝土温度场热学参数反演方法的研究.华北水利水电学院学报,2002.12第23卷第4期:
6-9
[7]欧日强,赵新铭,吴瑾.预应力碳纤维布加固RC梁抗弯性能研究.隧道建设,2006.04第26卷 第2期:
12-15
[8]高俊启,施斌,张巍等.BOTDR检测钢筋混凝土梁分布式应变的试验研究.土木工程学报,2005.09第38卷 第9期:
74-79.
[10]刘宁,张剑,赵新铭.大体积混凝土温度场热学参数随机反演方法初探.工程力学,2003.10第20卷第5期:
114-120
[11]张剑,叶见曙,赵新铭.薄壁箱型结构位移参数的动态Bayes随机估计.华中科技大学学报,2006.03第23卷第1期:
66-70.
[12]张剑,叶见曙,赵新铭.基于Novozhilov理论连续弯箱位移参数的动态Bayes估计.应用数学和力学,2007.01Vol.28,No.1:
77-84.
[13]张剑,叶见曙,赵新铭.基于Novozhilov理论的弯箱梁桥分析.公路交通科技,2006.10第23卷第10期:
44-49.
[14]JiangGeng,JinWu,XinmingZhao.ApplicationofFiberBraggGratingSensorforRebarCorrosion.2ndInternationalConferenceonSmartMaterialsandNanotechnologyinEngineering,200(7)
[15]JiangGeng,JinWu,XinmingZhao.SimulationofFiberBraggGrating.2ndInternationalConferenceonSmartMaterialsandNanotechnologyinEngineering,200(7)
[16]JunqiGao,JinWu,JunLi,XinmingZhao.MonitoringofcorrosioninreinforcedconcretestructureusingBragggratingsensing.NDT&EInternational,2011,44
(2):
202-205.(SCI)
3、项目实施具备的人才队伍条件
项目组成员由南京航空航天大学土木工程系的业务骨干组成。
多年来,项目组成员一直从事建筑结构的研究、教学、开发、咨询服务、专利推广和应用工作,在水工混凝土结构、钢-混凝土组合结构等方面已取得阶段性成果。
明显的学科综合优势,将为本项目的顺利完成奠定坚实的基础。
4、项目实施具备的仪器设备等研究试验条件
南京航空航天大学智能材料与结构重点实验室是由原中国航空工业总公司投资1200万建设,于2001年6月建成并通过验收的部门开放重点实验室。
实验室拥有2000kN压力试验机、液压同步千斤顶、500kN万能试验机、重载反力架、四通道高速声发射信号测试分析系统、2MHZ数字存储记忆高频示波器等结构试验设备。
结构强度实验室具有先进的仪器和实验手段:
SUN工作站及计算软件,MTS疲劳试验机,万能材料试验机,数字式压力机,电子拉力机,万用数字测量系统(应变、位移、温度),HP3562A动态信号分析仪,瑞士产光纤BOTDA分析仪等,多点协调加载系统,无损检测系统,湿、热环境系统,数值仿真系统(SGI工作站及软件)、高速数据采集系统等。
为本项目的研究提供了很好的研究和实验条件。
土木工程系依托我校力学国家重点一级学科以及振动工程开放实验室和智能材料与控制实验室等优势资源,于1999年成立。
目前具有道路与铁道工程二级学科博士点和土木工程一级学科硕士点,拥有交通运输工程博士后流动站。
经过多年学科建设,我校土木工程学科已形成了一支中青年教师为主体、充满活力的学术队伍,现有教师25人,96%教师具有博士学位,其中教授6人,副教授11人,讲师6人,工程师2人。
近年来,本学科教师主持国家自然科学基金、国家863项目、江苏省自然科学基金重点项目和面上项目20多项,发表了400余篇高水平的学术论文,被SCI和EI收录100余篇。
在混凝土结构耐久性、结构抗震抗风、桥梁性能状态评估与加固、机场道面材料与结构等领域取得了具有特色的成果。
六、项目研究组人员情况
序号
姓名
年龄
职称
专业
本项目
中分工
投入项目工作总月数
单位
1
赵新铭
52
教授
水工结构
项目负责
8
南京航空航天大学
2
王法武
40
副教授
结构工程
理论分析
8
南京航空航天大学
3
耿飞
35
副教授
工程材料
试验研究
8
南京航空航天大学
4
高俊启
46
副教授
岩土工程
试验监测
6
南京航空航天大学
5
张剑
41
副教授
工程力学
数值计算
6
南京航空航天大学
6
刘浩
26
硕士
结构工程
试验研究
10
南京航空航天大学
7
谭锋
25
硕士
岩土工程
数值模拟
10
南京航空航天大学
8
张贺鹏
26
硕士
结构工程
试验研究
10
南京航空航天大学
9
陈娇
23
硕士
岩土工程
试验研究
10
南京航空航天大学
附表1:
项目立项申请表
编号:
项目名称
项目来源
合作单位
技术领域
项目类型
PCCP分布式光纤断丝监测技术研究
企业自立项目
南京航空航天大学
健康监测
新技术
项目内容
针对现在国内外大口径PCCP管道中预应力钢丝因腐蚀断丝造成爆管等问题,研发基于分布式光纤的断丝监测技术,达到预应力钢丝断丝实时在线监测。
研究内容主要包括:
分布式光纤传感器与管道粘结方式研究;光纤布置方式研究;断丝引起光纤中的布里渊散射光的频率漂移量与光纤所受的轴向应变关系研究;通过合理的光纤布设方式实现断丝识别,断丝根数跟踪监测。
利用有限元仿真分析,探讨断丝根数与PCCP发生爆管之间的规律。
填补利用光纤技术监测预应力钢丝断丝的空白。
起止年月
2017.2~2018.6
申请人
申请日期
2017.2
中心办公室意见
年月日
技术委员会意见
年月日
专家委员会意见
年月日
技术中心意见
年月日
注:
1、项目来源指国家技术创新计划项目、国家863项目、国家科技攻关项目、国家高技术产业化示范项目、国家自然科学基金项目、其它省部级以上重点开发项目(请注明)、国际合作项目、企业自立项目、其它项目;
2、项目类型:
新产品、新技术、新工艺、基础研究、新服务、软课题等;
3、项目内容:
简要描述项目主要技术开发或研究内容;
4、审核意见:
应说明是否受理、是否同意立项,技委会、专委会意见视项目情况决定是否出具。
附表2:
科技活动经费主要内容与预算金额
(万元)
主要经费内容
预算金额
备注
公司内部开展科技活动经费支出
(预计)
1、科技活动人员劳务费
6.4
主要为研究生助研费
2、科技活动消耗原材料费
14.0
包括试验费用
3、科技活动购买与自制设备支出
1.0
4、其它支出
11.8
其中:
前期论证费
0.5
调研差旅费
2.0
办公费
资料图书费
0.4
水电费
1.0
科研设备维修费
0.8
印刷费
0.6
专题会议费
2.0
包括专家费、车费
成果鉴定费
3.0
包括专利申请费
科研房租费
间接服务人员劳务费的分摊
培训费
学校科研管理费
1.5
学校管理费5%
1-4项小计
33.2
委外经费支出(预计)
5、委托外单位开展科技活动经费支出
3.0
1-5项合计
36.2
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PCCP 分布式 光纤 监测 技术研究
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