CN114087430B - 一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管，包括由内到外依次包裹的管芯内层混凝土、钢筒、管芯外层混凝土、预应力钢丝以及砂浆保护层，管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆；钢筒上布设碳纤维复合基光缆；管芯外层混凝土上布设高传递紧包护套应变感测光缆，预应力钢丝上布设光纤裸纤，砂浆保护层上布设玻璃纤维复合基光缆。本发明还涉及一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，本发明在PCCP制造过程中植入分布式光纤传感器，解决现有PCCP管线应变长距离分布式监测的问题，可为预应力钢筒混凝土管的运行阶段的安全评价提供技术支撑，适用价值较高。

Description

一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管及制造方法
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，涉及一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管，进一步的，涉及该混凝土管的制造方法。
背景技术
预应力钢筒混凝土管(PCCP)是由混凝土管芯、防渗薄钢筒、预应力钢丝和砂浆保护层组成的复合型管材。混凝土管芯是管道的主要结构部分，可提供光滑的内表面以利水流；薄钢筒是PCCP的防渗体，一般内衬或嵌入管芯混凝土；预应力钢丝以一定的拉应力螺旋式缠绕在管芯混凝土上，使管芯产生均匀的预压应力以抵抗由内压和外荷载产生的拉应力；密实的保护层砂浆保护预应力钢丝，使之免受碰撞损伤和外界腐蚀。
PCCP各层结构紧密复合在一起，共同抵御管道内水压力及外部荷载。PCCP常见的结构损伤有管芯混凝土和砂浆开裂、预应力钢丝断裂等，砂浆的开裂会造成腐蚀性离子腐蚀钢丝，断丝的发生造成管芯混凝土应力集中，最终导致管道渗漏破坏，甚至爆管。对PCCP运行过程中的运行状态进行监测分析，可保障管道安全稳定运行。
目前对长距离的PCCP的健康实时监测通常是监测断丝信号，再根据历史经验或计算分析评价管道的结构性能。无法直接评价管道的运行现状。
发明内容
本发明的目的是基于分布式光纤传感器，提供一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，解决了现有技术中存在的预应力钢筒混凝土管无法实现全分布式的监测的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管，包括由内到外依次包裹的管芯内层混凝土、钢筒、管芯外层混凝土、预应力钢丝以及砂浆保护层，管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆；钢筒上布设碳纤维复合基光缆；管芯外层混凝土上布设高传递紧包护套应变感测光缆，预应力钢丝上布设光纤裸纤，砂浆保护层上布设玻璃纤维复合基光缆。
本发明的特点还在于：
玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆采用纵向和环向双层布设，高传递紧包护套应变感测光缆设置在两圈预应力钢丝之间，光纤裸纤分布在预应力钢丝上。
玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆、高传递紧包护套应变感测光缆、光纤裸纤均在预应力钢筒混凝土管外留有尾纤，所有尾纤从引线保护气管或引线保护槽中引出。
本发明还提供一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，方案为：
步骤1，抛光清理钢筒表面，在钢筒表面布设碳纤维复合基光缆，碳纤维复合基光缆的尾纤PCCP插口处通过对应的引线保护气管引出；
步骤2，将钢筒直立放置，PCCP承口在下并浇筑管芯内、外层混凝土。
步骤3，在管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆，玻璃纤维复合基光缆的尾纤从对应引线保护气管中引出；
步骤4，管芯混凝土脱模并养护达到设计强度的70％后，预应力钢丝缠绕在管芯外层混凝土表面，在两圈预应力钢丝之间布设高传递紧包护套应变感测光缆，高传递紧包护套应变感测光缆布设在外层混凝土表面；高传递紧包护套应变感测光缆的尾纤从引线保护槽中引出；
步骤5，在预应力钢丝上固定光纤裸纤，光纤裸纤固定在预应力钢丝是的腋窝处；裸纤的尾纤从引线保护槽中引出；
步骤6，辊射砂浆保护层并布设玻璃纤维复合基光缆在砂浆保护层表面，璃纤维复合基光缆的尾纤从对应引线保护气管中引出。
步骤1具体的为：
步骤1.1，抛光清理钢筒表面，保证钢筒表面平整和光滑，表面清理宽度不小于10cm；
步骤1.2，用自喷漆或者速干胶沿着环向和纵向均布设碳纤维复合基光缆，碳纤维复合基光缆的尾纤从PCCP插口处引出；可根据监测要求与经济成本，加密或者减少布设的数量。
步骤1.3，在整条线上再刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入碳纤维中。
步骤3具体的为：管芯混凝土脱模后，先在内层混凝土表面选择环向和纵向线路，清洗干净管芯内层混凝土表面，采用自喷漆或者速干胶，初步固定玻璃纤维复合基光缆，之后沿着玻璃纤维复合基光缆再次涂刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入。
步骤4具体的为：
步骤4.1，等待管芯混凝土达到设计强度的70％后，将预应力钢丝缠绕在管芯外层混凝土表面并将尾纤从对应引线保护槽中引出；
步骤4.2，在管芯外层混凝土表面上布设高传递紧包护套应变感测光缆：在两圈预应力钢丝之间且靠近一侧预应力钢丝的位置布设高传递紧包护套应变感测光缆，布设时，先用速干胶初步固定在混凝土表面，然后在其表面用胶枪打上一层环氧树脂胶完全固定。
步骤5具体的为：首先用砂纸对需要监测的预应力钢丝进行打磨、抛光，其次将光纤裸纤用速干胶初步固定在预应力钢丝腋窝处，然后在钢丝腋窝处涂抹环氧树脂胶进行保护。
步骤6为：先在砂浆保护层表面选定环向和纵向布设线路，沿着选定的线路打磨砂浆保护层表面，采用自喷漆初步固定玻璃纤维复合基光缆，最后在光缆上部再次涂刷1-2遍浸渍胶使其完全固定。
步骤4和步骤5中，在光纤裸纤或者紧包护套光缆上套上3mm粗的铠装套管，再将套管固定在预应力钢丝腋窝处，最后用环氧树脂胶完全固定，选择引线保护槽固定在预应力钢丝表面，将引线放置在引线保护槽中，在步骤6砂浆辊射完成后，小心挖开引线保护槽，取出引线。
本发明的有益效果是：
考虑了预应力钢筒混凝土管的生产施工工艺及分布式传感器与材料的传递性能，提供一种考虑预应力钢筒混凝土管多层结构的全分布式光纤应变监测技术，在PCCP制造过程中植入分布式光纤传感器，解决现有PCCP管线应变长距离分布式监测的问题，可为预应力钢筒混凝土管的运行阶段的安全评价提供技术支撑，适用价值较高。
附图说明
图1是本发明一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法的流程图；
图2(a)是本发明一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法中分布式光纤纵向安装示意图；
图2(b)是本发明一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法中是分布式光纤环向安装示意图。
图3是本发明一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法中管芯外层混凝土和预应力钢丝上分布式光纤的布设方法示意图。
图4是本发明一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法中管芯外层混凝土和预应力钢丝上分布式光纤引线引出方式示意图。
图中，1.纵向分布式光纤，2.PCCP插口，3.PCCP承口，4.引线保护气管，5.管外光纤引线，6.数据采集设备，7.操控电脑，8.环向分布式光纤，9.管芯外层混凝土，10.预应力钢丝，11.光纤裸纤，12.高传递紧包护套应变感测光缆，13.引线保护槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管，包括由内到外依次包裹的管芯内层混凝土、钢筒、管芯外层混凝土9、预应力钢丝10以及砂浆保护层，管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆；钢筒上布设碳纤维复合基光缆；管芯外层混凝土9上布设高传递紧包护套应变感测光缆12，预应力钢丝10上布设光纤裸纤11，砂浆保护层上布设玻璃纤维复合基光缆。
玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆、高传递紧包护套应变感测光缆12、光纤裸纤11均在预应力钢筒混凝土管外留有尾纤，所有尾纤均从对应的引线保护气管4或引线保护槽13中引出，防止生产过程中尾纤破坏。
玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆采用纵向和环向双层布设，高传递紧包护套应变感测光缆12设置在两圈预应力钢丝10之间，光纤裸纤11分布在预应力钢丝10上。
本发明涉及一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，在PCCP制造过程中分别为各层结构植入分布式光纤传感器，如图1，通过以下步骤制造：
步骤1，抛光清理钢筒表面，在钢筒表面布设碳纤维复合基光缆，碳纤维复合基光缆的尾纤PCCP插口2处通过对应的引线保护气管4引出
步骤2，将钢筒直立放置，PCCP承口3在下并浇筑管芯内、外层混凝土。
步骤3，在管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆，玻璃纤维复合基光缆的尾纤从对应引线保护气管4中引出；
步骤4，管芯混凝土脱模并养护达到设计强度的70％后，预应力钢丝10缠绕在管芯外层混凝土9表面，在两圈预应力钢丝10之间布设高传递紧包护套应变感测光缆12，高传递紧包护套应变感测光缆12布设在外层混凝土表面；高传递紧包护套应变感测光缆12的尾纤从对应引线保护槽13中引出；
步骤5，在预应力钢丝10上固定光纤裸纤11，光纤裸纤11固定在预应力钢丝10是的腋窝处；光纤裸纤11的尾纤从引线保护槽13中引出；
步骤6，辊射砂浆保护层并布设玻璃纤维复合基光缆在砂浆保护层表面，璃纤维复合基光缆的尾纤从对应的引线保护气管4中引出。
步骤1具体的为：
步骤1.1，抛光清理钢筒表面，保证钢筒表面平整和光滑，表面清理宽度不小于10cm；
步骤1.2，用自喷漆或者速干胶沿着环向和纵向均布设碳纤维复合基光缆，碳纤维复合基光缆的尾纤从PCCP插口2处引出；
步骤1.3，在整条线上再刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入碳纤维中。
步骤3具体的为：
管芯混凝土脱模后，先在内层混凝土表面选择环向和纵向线路。按照选定的线路，清洗干净管芯内层混凝土表面，采用自喷漆或者其他类型速干胶，初步固定玻璃纤维复合基光缆，之后沿着玻璃纤维复合基光缆再次涂刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入。
步骤4和步骤5如图3所示，步骤4具体的为：
步骤4.1，等待管芯混凝土达到设计强度的70％后，将预应力钢丝10缠绕在管芯外层混凝土9表面；表面预留有引线保护槽13；
步骤4.2，在管芯外层混凝土9表面上布设高传递紧包护套应变感测光缆12；
在两圈预应力钢丝10之间且靠近一侧预应力钢丝10的位置布设直径较小的高传递紧包护套应变感测光缆12，避免辊射最外层的砂浆保护层时对光缆造成损坏。布设时，先用速干胶初步固定在混凝土表面，然后在其表面用胶枪打上一层环氧树脂胶完全固定。
步骤5具体的为：
首先用砂纸对需要监测的预应力钢丝10进行打磨、抛光。
其次将光纤裸纤11用速干胶初步固定在预应力钢丝10腋窝处，然后在钢丝腋窝处涂抹环氧进行保护，防止被高速辊射的砂浆破坏。
其中，步骤4和5如图4，管芯外层混凝土9和预应力钢丝10上的光纤传感器尾纤需要在每个环向位置预留出线口。具体来说，在光纤裸纤11或者高传递紧包护套应变感测光缆12上套上3mm粗的铠装套管，再将套管固定在钢丝腋窝处，最后用环氧树脂胶完全固定，保护光纤出口处不被弯折破坏。根据引线的多少选择合适的引线保护槽13固定在预应力钢丝10表面，将引线放置在引线保护槽13中，防止辊射砂浆时破坏引线。待砂浆辊射完成后，小心挖开线槽，取出引线。
步骤6具体的为：
先在砂浆表面选定环向和纵向布设线路，沿着选定的线路打磨砂浆保护层表面，采用自喷漆初步固定玻璃纤维复合基光缆，最后在光缆上部再次涂刷1-2遍浸渍胶使其完全固定。
根据上述方法完成制造后，可将分布式光纤串联集成不同线路，通过接入管外光纤引线接入OSI-C应变采集设备6：
为结合生产工序，上述内层混凝土、钢筒、管芯外层混凝土9、预应力钢丝10以及砂浆保护层上的分布式光纤是各自独立布设，根据采集设备6采集长度的要求，采用串联集成不同线路光纤或者单独通过管外光纤引线5接入采集设备6，采集分布式光纤应变数据传入操控电脑7，实时监测PCCP的应变状态。
实施例1
一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，步骤如下
执行步骤1～6，其中：
步骤1中本实施例选择5m长、内径3.4m的PCCP为例；
步骤1、3、6中的玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆如图2(a)，纵向分布式光纤1在0°、90°、180°和270°四个方向上固定，如图2(b)环向分布式光纤2从距离PCCP承口3有1m、2m、2.5m、3m、4m的位置固定。
引线保护气管均固定在PCCP插口2附近；
其中玻璃纤维复合基光缆、碳纤维复合基光缆、高传递紧包护套应变感测光缆12、光纤裸纤11的尾纤引出长度不少于1.5m。
其中本实施例选用直径为0.242mm的光纤裸纤11、0.9mm直径的高传递紧包护套应变感测光缆12进行制备。

Claims (7)

1.一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，步骤包括：
步骤1，抛光清理钢筒表面，在钢筒表面布设碳纤维复合基光缆，所述碳纤维复合基光缆的尾纤PCCP插口(2)处通过对应的引线保护气管(4)引出；
步骤2，将钢筒直立放置，PCCP承口(3)在下并浇筑管芯内、外层混凝土；
步骤3，在管芯内层混凝土上布设玻璃纤维复合基光缆，所述玻璃纤维复合基光缆的尾纤从对应引线保护气管(4)中引出；
步骤4，管芯混凝土脱模并养护达到设计强度的70％后，预应力钢丝(10)缠绕在管芯外层混凝土表面，在两圈预应力钢丝(10)之间布设高传递紧包护套应变感测光缆(12)，高传递紧包护套应变感测光缆(12)布设在外层混凝土表面；所述高传递紧包护套应变感测光缆(12)的尾纤从对应引线保护槽(13)中引出；
步骤5，在预应力钢丝(10)上固定光纤裸纤(11)，所述裸纤(11)固定在预应力钢丝(10)是的腋窝处；所述光纤裸纤(11)的尾纤从对应引线保护槽(13)中引出；
步骤6，辊射砂浆保护层并布设玻璃纤维复合基光缆在砂浆保护层表面，所述璃纤维复合基光缆的尾纤从对应的引线保护气管(4)中引出。
2.如权利要求1所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，所述步骤1具体的为：
步骤1.1，抛光清理钢筒表面，保证钢筒表面平整和光滑，表面清理宽度不小于10cm；
步骤1.2，用自喷漆或者速干胶沿着环向和纵向均布设碳纤维复合基光缆，所述碳纤维复合基光缆的尾纤从PCCP插口(2)处引出；
步骤1.3，在整条线上再刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入碳纤维中。
3.如权利要求1所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，所述步骤3具体的为：管芯混凝土脱模后，先在内层混凝土表面选择环向和纵向线路，清洗干净管芯内层混凝土表面，采用自喷漆或者速干胶，初步固定玻璃纤维复合基光缆，之后沿着玻璃纤维复合基光缆再次涂刷1-2遍浸渍胶，确保整条线路中浸渍胶完全浸入。
4.如权利要求1所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，所述步骤4具体的为：
步骤4.1，等待管芯混凝土达到设计强度的70％后，将预应力钢丝(10)缠绕在管芯外层混凝土表面并将尾纤从对应引线保护槽(13)中引出；
步骤4.2，在管芯外层混凝土表面上布设高传递紧包护套应变感测光缆(12)：在两圈预应力钢丝(10)之间且靠近一侧预应力钢丝(10)的位置布设高传递紧包护套应变感测光缆(12)，布设时，先用速干胶初步固定在混凝土表面，然后在其表面用胶枪打上一层环氧树脂胶完全固定。
5.如权利要求4所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，所述步骤5具体的为：首先用砂纸对需要监测的预应力钢丝(10)进行打磨、抛光，其次将光纤裸纤(11)用速干胶初步固定在预应力钢丝(10)腋窝处，然后在钢丝腋窝处涂抹环氧进行保护。
6.如权利要求5所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，所述步骤6为：先在砂浆表面选定环向和纵向步线，沿着选定的选路打磨砂浆保护层表面，采用自喷漆初步固定玻璃纤维复合基光缆，最后在光缆上部再次涂刷1-2遍浸渍胶使其完全固定。
7.如权利要求6所述的一种可实时监测应变的预应力钢筒混凝土管的制造方法，其特征在于，步骤4和步骤5中，在裸纤(11)或者紧包护套光缆(12)上套上3mm粗的铠装套管，再将套管固定在钢丝腋窝处，最后用环氧树脂胶完全固定，选择引线保护槽(13)固定在钢丝表面，将引线放置在引线保护槽(13)中，在步骤6砂浆辊射完成后，小心挖开引线保护槽(13)，取出引线。
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