[发明专利]一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法

权利要求书

1.一种基于分布式光纤的预应力管道压浆缺陷定量评估方法，其特征在于：采用下列步骤：

第一步、加热型分布式光纤传感器(1)的制作，将传感光纤(2)置于细管(3)中，在细管(3)外螺旋缠绕加热丝(4)，最外层包裹塑料护套(5)，使得光纤传感器同时具有加热和分布式温度测量的功能；

第二步、加热型分布式光纤传感器(1)的布设，采用强力胶将金属线卡(8)按照一定间隔粘结于钢绞线(7)顶部，将加热型分布式光纤传感器(1)穿过线卡(8)与钢绞线(7)固定在一起，并且在加热型分布式光纤传感器(1)与线卡(8)之间留有空隙，防止在张拉钢绞线(7)过程中对加热型分布式光纤传感器(1)造成损坏，将固定有加热型分布式光纤传感器(1)的钢绞线(7)穿入预应力管道(6)内部，同时将加热型分布式光纤传感器(1)从预应力管道两侧的排气孔(10)引出；

第三步、预应力管道(6)分布式温度数据的采集，将加热丝(4)与调压器(14)连接通电，将传感光纤(2)与数据采集仪器(13)连接，连续采集加热过程中加热型分布式光纤传感器(1)的温度数据；

第四步、压浆缺陷(9)的识别和定位，将采集的温度数据绘制加热型分布式光纤传感器温度分布曲线，因为压浆缺陷(9)与水泥浆体(11)的热学性质不同，因此在压浆缺陷(9)位置会产生明显的温度异常(15)，根据温度分布曲线上的温度异常(15)，即可以实现压浆缺陷(9)的识别和定位；

第五步、压浆缺陷长度L的定量评估，因为加热型分布式光纤传感器(1)沿纵向布设于预应力管道(6)内部，即加热型分布式光纤传感器(1)长度方向与缺陷长度L方向一致，所以压浆缺陷长度L与加热型分布式光纤传感器温度分布曲线上温度异常长度L_d成线性相关，根据温度异常长度L_d即可以实现压浆缺陷长度L的定量评估；

第六步、预应力管道(6)截面的提取，因为加热型分布式光纤传感器(1)长度方向上加热功率均匀，所以热量不会沿加热型分布式光纤传感器(1)长度方向传递，仅会沿着预应力管道(6)截面方向流动，将缺陷(9)位置的预应力管道(6)截面提取出来进行平面热传递分析；平面的半径为R，加热型分布式光纤传感器位于平面中心，距预应力管道(6)顶端的距离为d，压浆缺陷(9)高度用h表示；

第七步、平面等效导热系数λ_e与压浆缺陷高度h关系的构建，对于上述预应力管道平面，加热型分布式光纤传感器(1)位于平面中心，近似认为热量由中心沿径向向外流动，将该平面划分成n个微小热流单元，取θ方向的第i个热流单元(16)进行传热分析；

因为压浆缺陷(9)空腔体积较小，空气封闭难以流通，所以忽略空气中热对流及空气与其他物质之间对流换热的影响，仅仅按照固体热传导考虑；由等效热阻法可知，等效导热系数可以用来评估非均质热流单元的传热性能；比如，对于θ方向的第i个热流单元(16)，其等效导热系数可以表示为

其中，λ_ss、λ_a、λ_cs和λ_c分别为钢绞线(7)、压浆缺陷(9)、水泥浆体(11)和混凝土(12)的导热系数，L_ss、L_a、L_cs和L_c分别为钢绞线(7)、压浆缺陷(9)、水泥浆体(11)和混凝土(12)沿热流传递方向的长度，R为传热平面的半径；

由上式可知，对于不同角度的热流单元，其等效导热系数λ_eⁱ(θ)仅与热流单元中各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c相关，而预应力管道平面显示，各物质的长度L_ss、L_a、L_cs、L_c与压浆缺陷高度h、热流单元的角度θ相关，若将预应力管道平面上所有的热流单元进行积分取均值，便可以得到该平面的等效导热系数λ_e与缺陷高度h的对应关系；

第八步、平面等效导热系数(λ_e)的获取，对于预应力管道平面，热量沿着径向从加热型分布式光纤传感器(1)向外流动，径向热传导方程可表示为

其中，ΔT(r,t)为温升值/℃，r为平面上任意位置距离分布式光纤传感器(1)的径向距离/m，t为加热时间/s，a_e为平面等效热扩散系数/(m²·s^-1)，a_e(x)＝λ_e(x)/ρ_e(x)C_e(x)，λ_e为平面等效导热系数/(W·m^-1·℃^-1)，ρ_e为平面等效密度/(kg·m^-3)，C_e为平面等效比热容/(J·kg^-1·℃^-1)；

热传导方程的初始条件和边界条件如下：

ΔT(r,t)＝0,t≤0

其中，q为单位长度加热型分布式光纤传感器(1)的加热功率，可自行设定；

运用拉普拉斯变换对热传导方程求解，已知加热型分布式光纤传感器(1)是直径比较小的圆柱体，当加热时间t足够长时，加热型分布式光纤传感器(1)的表面温升为

其中，r₀为加热型分布式光纤传感器(1)的直径；

因为加热型分布式光纤传感器(1)的直径较小，因此其表面温度ΔT(r₀,t)即为传感器测量得到的温度；从上式可以看出，加热型分布式光纤传感器(1)所测温度ΔT(r₀,t)与加热时间的对数lnt成线性关系，并且其斜率为q/4πλ_e；第三步已经采集得到加热过程中加热型分布式光纤传感器(1)的温度数据，因此可以通过计算得到斜率q/4πλ_e，而加热功率q是自行设定的，为已知值，因此可以计算得到平面的等效导热系数λ_e；

第九步、压浆缺陷高度(h)的定量评估，将第八步计算得到的平面的等效导热系数λ_e代入第七步中的平面等效导热系数与压浆缺陷高度的关系曲线，即可以得到压浆缺陷的高度h。