楊 斌，段 鵬

（1.國網(wǎng)新源新安江水力發(fā)電廠 浙江省建德市 311608；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司 上海市 200090）

光纖光柵傳感技術(shù)在水電站壓力鋼管應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用研究

楊 斌1，段 鵬2

（1.國網(wǎng)新源新安江水力發(fā)電廠 浙江省建德市 311608；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司 上海市 200090）

壓力鋼管是水電機(jī)組的關(guān)鍵部件。本文基于電阻應(yīng)變法和光纖光柵傳感技術(shù)，開展了針對壓力鋼管運(yùn)行全過程的應(yīng)變形變特點(diǎn)的兩種方法比對試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，光纖光柵應(yīng)變法能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地表征鋼管運(yùn)行過程中的形變行為，且基于光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)所具有的抗干擾、抗腐蝕、高持久耐性等突出優(yōu)點(diǎn)，非常適合水電站壩內(nèi)壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環(huán)境下的長期健康性能監(jiān)測，是今后建設(shè)壓力鋼管實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變監(jiān)測的首選監(jiān)測技術(shù)。

水電機(jī)組；壓力鋼管；光纖光柵；實(shí)時(shí)監(jiān)測；應(yīng)變；安全

0 引言

壓力鋼管（特別是壓力鋼管明管段）是水電機(jī)組設(shè)備中極其關(guān)鍵的部件，鋼管一旦失效破壞極可能導(dǎo)致水淹廠房事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。研究壓力鋼管的安全狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)考察鋼管部件所承載的應(yīng)力強(qiáng)度和安全裕度。金屬部件的失效破壞大多均是在應(yīng)力的主導(dǎo)作用下發(fā)生，壓力鋼管往往因水流流速急速變化而承受頻繁的動(dòng)態(tài)應(yīng)力沖擊，或應(yīng)力強(qiáng)度過載超越安全極限，最終導(dǎo)致鋼管破裂[1]而引起安全事故。因此，開展壓力鋼管的應(yīng)力及安全狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的意義。

壓力鋼管應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)主要包括基于電學(xué)、光學(xué)及聲學(xué)等原理的試驗(yàn)方法?；陔娮訉W(xué)的電阻應(yīng)變法是采用電橋或電位差計(jì)的測量電路，將電阻應(yīng)變計(jì)（片）的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓（或電流）的變化，是長期以來一直得到穩(wěn)定推廣應(yīng)用的成熟技術(shù)?；诠鈱W(xué)原理的光纖光柵傳感技術(shù)是近十年快速發(fā)展起來的新技術(shù)，因其以光信號(hào)進(jìn)行信息傳輸，具備抗干擾能力強(qiáng)、抗腐蝕、高耐久性能等獨(dú)特優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件（尤其是環(huán)境較惡劣條件下）長期監(jiān)測的優(yōu)選技術(shù)。本文針對水電站壓力鋼管的運(yùn)行特點(diǎn)和環(huán)境對上述兩種方法展開對比試驗(yàn)研究。

1 研究對象

國內(nèi)某電站20世紀(jì)60年代投運(yùn)的立式混流式機(jī)組，設(shè)計(jì)容量95MW，設(shè)計(jì)水頭73m，引水系統(tǒng)為一管一機(jī)式，水輪機(jī)流量為138m3/s。引水鋼管由卷制鋼板焊接而成，明管規(guī)格5200mm×25mm，材質(zhì)為St3鋼。

因壓力鋼管軸向應(yīng)變在整個(gè)運(yùn)行過程中變形幅度不大，而且從圓筒形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度理論角度而言不是決定鋼管承載性能的主要因素[2]，故主要分析鋼管環(huán)向應(yīng)變的變化特性。選取了壓力鋼管的兩個(gè)不同區(qū)域在每一區(qū)域非常接近地環(huán)向方向布置了光柵應(yīng)變片和電阻應(yīng)變片，見現(xiàn)場布置圖1。

圖1 現(xiàn)場應(yīng)變測點(diǎn)布置示意圖

2 電阻應(yīng)變法試驗(yàn)結(jié)果

電阻應(yīng)變片共布置了兩個(gè)測點(diǎn)，典型的應(yīng)變形變過程見圖2（此測點(diǎn)近蝸殼端），記錄了機(jī)組從啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行、甩負(fù)荷至停機(jī)的全過程鋼管變形情況。

圖2 電阻應(yīng)變法監(jiān)測鋼管運(yùn)行全過程

鋼管從啟動(dòng)到停機(jī)的全過程應(yīng)變監(jiān)測全面地體現(xiàn)了不同工況階段鋼管的應(yīng)力變化行為。啟動(dòng)時(shí)刻，因振動(dòng)等因素鋼管的環(huán)向應(yīng)變呈現(xiàn)了一些特殊的變化，這種變化應(yīng)當(dāng)與導(dǎo)葉打開時(shí)鋼管的流量急速變化有關(guān)，見圖3中的a點(diǎn)。滿負(fù)荷運(yùn)行之后，機(jī)組進(jìn)入了相對穩(wěn)定階段，此刻因部分靜壓轉(zhuǎn)化為動(dòng)壓致使鋼管環(huán)向應(yīng)變有所下降，見圖3中b點(diǎn)。圖3中c點(diǎn)是甩負(fù)荷時(shí)的應(yīng)變瞬間變化，顯著地體現(xiàn)了水力沖擊造成鋼管應(yīng)變陡升劇烈變化的結(jié)果；之后機(jī)組步入緩慢的停機(jī)階段，最后終止于d點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，d點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)最終回歸為0，與a點(diǎn)的起始階段相同，這本質(zhì)上是因?yàn)橥C(jī)終了鋼管的受力狀態(tài)和啟動(dòng)起始前的狀態(tài)完全相同。

圖3 鋼管甩負(fù)荷全過程的環(huán)向應(yīng)變變化

3 光纖光柵應(yīng)變法試驗(yàn)研究

與M點(diǎn)區(qū)域電阻應(yīng)變片臨近布置的光柵點(diǎn)甩負(fù)荷工況全過程的鋼管應(yīng)變變化狀況見圖4。從啟動(dòng)、甩負(fù)荷和停機(jī)過程中鋼管應(yīng)變的整體變化趨勢來看，光纖光柵應(yīng)變法和電阻應(yīng)變法的試驗(yàn)結(jié)果幾乎相同，兩種方法的瞬間變化極值也同步體現(xiàn)，這說明光纖光柵應(yīng)變片能夠靈敏且準(zhǔn)確地反映鋼管的應(yīng)變（或應(yīng)力）瞬態(tài)變化。

圖4中a階段體現(xiàn)了機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定過程，理論上由于靜水壓力部分轉(zhuǎn)化為流動(dòng)動(dòng)壓，因此壓力降低使得鋼管的環(huán)向應(yīng)變略有降低，如圖中電阻應(yīng)變法的試驗(yàn)結(jié)果，而光纖光柵應(yīng)變法在此階段未呈現(xiàn)環(huán)向應(yīng)變降低的特征。造成這一現(xiàn)象，主要是由于試驗(yàn)中光柵應(yīng)變片與鋼管采用了膠粘粘貼的界面結(jié)合方式，在耦合界面系統(tǒng)中存在一定的系統(tǒng)誤差（因本身這一環(huán)向應(yīng)變變化較?。┧隆５@一問題在采用光柵應(yīng)變片與鋼管表面以機(jī)械結(jié)合（如焊接）的方式連接之后將會(huì)完全避免。

圖4 光纖光柵法與電阻應(yīng)變法監(jiān)測對比過程

另外一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是，兩種方法測量結(jié)果的峰值并非絕對等同，見圖5。形成這一現(xiàn)象的原因極可能是光纖光柵應(yīng)變采集系統(tǒng)在表征鋼管應(yīng)力應(yīng)變變化時(shí)的輸出比例系數(shù)需要進(jìn)一步修正，通過試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)以及與電阻應(yīng)變法在標(biāo)準(zhǔn)試件上的進(jìn)一步比對論證試驗(yàn)，完全可以解決這一問題并能夠真實(shí)反映鋼管應(yīng)力應(yīng)變變化。

圖5 光纖光柵法與電阻應(yīng)變法監(jiān)測環(huán)向應(yīng)變峰值的比較

通過光纖光柵應(yīng)變測試技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)，以及與電阻應(yīng)變法對鋼管實(shí)時(shí)應(yīng)變變化的比對論證試驗(yàn)，可以得出光柵應(yīng)變系統(tǒng)能夠獲得鋼管應(yīng)力變化過程的真實(shí)反映，而且能夠在鋼管實(shí)際應(yīng)變確實(shí)發(fā)生變化的時(shí)刻做出及時(shí)地表征和體現(xiàn)（甩負(fù)荷工況下的變化趨勢與電阻應(yīng)變法試驗(yàn)結(jié)果趨勢幾乎完全重合），至于應(yīng)力峰值的差別問題可通過系列試驗(yàn)得到完全解決。

因此，從表征構(gòu)件應(yīng)變變化過程的角度而言，光纖光柵應(yīng)變系統(tǒng)具備了能夠真實(shí)反映鋼管應(yīng)力變化行為及程度的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測能力。

4 光纖光柵傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)

目前適合于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)變傳感器主要有應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)變傳感器。應(yīng)變片價(jià)格低廉，但耐久性較差，一般壽命不超過6個(gè)月，且為電信號(hào)輸出。振弦式應(yīng)變計(jì)價(jià)格較高，目前多用的進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格更高，耐久性一般為3～5年，其信號(hào)也為電信號(hào)。光纖光柵應(yīng)變傳感器精度高、價(jià)格適中、為光信號(hào)輸出，但測試設(shè)備價(jià)格相對較高。

與普通機(jī)械、電子類傳感器相比，光纖光柵傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗電磁干擾：一般電磁輻射的頻率比光波低很多，所以在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不受電磁干擾的影響。

（2）電絕緣性能好，安全可靠：光纖本身是由電介質(zhì)構(gòu)成的，而且無需電源驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在易燃易爆的油、氣、化工生產(chǎn)中使用。

（3）難腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定：由于制作光纖的材料——石英具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，因此光纖傳感器適宜于在較惡劣環(huán)境中使用。

（4）體積小、重量輕，幾何形狀可塑。

（5）傳輸損耗?。嚎蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控監(jiān)測。

（6）傳輸容量大：可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量。

（7）測量范圍廣：可測量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度、成分等。

（8）光柵的長度小，只有毫米級(jí)，測量值空間分辨率高。

（9）輸出線性范圍寬，在10000微應(yīng)變范圍內(nèi)波長移動(dòng)與應(yīng)變有良好的線性關(guān)系，頻帶寬，信噪比高。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，Alavie（1994）等人將布拉格光柵傳感器埋入碳纖維復(fù)合材料，測其應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)表明：在0～2000 循環(huán)320000次后，光纖傳感器仍沒有出現(xiàn)劣化現(xiàn)象；Morey（1996）通過加速老化試驗(yàn)，認(rèn)為光纖布拉格光柵存活壽命大于25年。這些優(yōu)點(diǎn)是其他傳感器無法比擬的。

5 金屬基焊接式光纖光柵應(yīng)變傳感器簡介

從上述分析中可以看出，光纖光柵傳感器是一種高精度、高耐久性、施工簡單、不受電磁干擾、準(zhǔn)分布測量的傳感器，尤其適用于具有較高耐久性要求的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，是目前國際和國內(nèi)大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中較為廣泛采用的傳感器。

根據(jù)水電站壓力鋼管普遍處于潮濕環(huán)境的特點(diǎn)和要求，可選用金屬基焊接式光纖光柵應(yīng)變傳感器，它采用無膠粘封裝技術(shù)，克服了傳統(tǒng)膠封光纖光柵傳感器不可跨越的耐久性問題，其標(biāo)距可以根據(jù)客戶的需要定制。它具有結(jié)構(gòu)簡單、量程大、工程布設(shè)方便、應(yīng)變測試精度高、耐久性好、穩(wěn)定可靠，使用壽命大于20年，其性能如下表1所示。

表1 光纖光柵應(yīng)變傳感器性能指標(biāo)

6 結(jié)論與建議

通過本文兩種應(yīng)變監(jiān)測方法的對比試驗(yàn)研究結(jié)果來看，光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測獲得了與電阻應(yīng)變監(jiān)測下的幾乎完全相同的鋼管應(yīng)變變化趨勢，能夠同步實(shí)時(shí)表征鋼管形變變化瞬態(tài)時(shí)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變行為及特征，具備抗腐蝕、高耐久性、抗電磁干擾、高疲勞壽命以及長距離信號(hào)傳輸?shù)入娮钁?yīng)變傳感器所無法比擬的長期在線性能監(jiān)測優(yōu)勢，尤其是金屬基傳感器與被測表面的焊接連接方式使得監(jiān)測數(shù)據(jù)精度和穩(wěn)定性更高，很適合水電站壩內(nèi)壓力鋼管明管段等潮濕腐蝕環(huán)境下的長期健康性能監(jiān)測。

[1] 馬元珽.波蘭Lapino水電站壓力鋼管破裂的調(diào)查和分析[譯].水利水電快報(bào)，2002，23（6）：1～3.

[2] 徐芝倫.彈性力學(xué)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，1990.

楊 斌（1972—），男，工程碩士，高級(jí)工程師，從事水電站設(shè)備安全技術(shù)研究及管理。

段 鵬（1980—），男，高級(jí)工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全技術(shù)試驗(yàn)研究及管理。

The Research of the Fiber Bragg Grating （FBG）Sensor Technology in the Hydropower Unit Penstock

YANG Bin，DUAN Peng
（1. State Grid XinYuan Company Xinanjiang Hydropower Plant Jiande 311608，China；2. Shanghai Ming Hua Electric Power Technology Engineering Co.，Ltd.Shanghai 200090，China）

Penstock is a key component of a hydropower unit.Based on the different characters of strain change and shape change during the process of penstock operation，this paper is to make a comparison between the electrical resistance strain gauge and fiber bragg grating （FBG）sensor technology.According to the research result from the paper，the FBG strain gauge can effectively and timely express the shape change of penstock. In addition，since the FBG sensor technology is drought-tolerant，corrosion resistant and long lasting，it is suitable to supervise the health state of the penstock exposed in the moisture and erosion environment in a hydropower dam，and thus will be the first choice for strain gauge supervision during the penstock construction.

hydropower unit；penstock；fiber bragg grating（FBG）；timely supervision；strain change；afety