一种钢管在海洋环境下腐蚀的可视化实时监测方法

技术领域

本发明属于海洋环境下的结构监测技术领域，特别涉及钢管结构在海洋环境下腐蚀的可视化实时监测方法，具体地说是发明了一种以分布式光纤传感器对钢管结构在复杂海洋环境下腐蚀的监测、量化和可视化的实时监测方法。

背景技术

钢管桩是海上工程基础施工中常用的构件，被广泛运用于海洋基础设施中。然而，处于恶劣海洋环境中的钢管桩极易遭受腐蚀损伤，进而严重威胁结构的稳定性和安全性。同时，钢管桩不同区域所处的环境不同可以划分为大气区、水位变动区、浸没区、泥下区四个区域，分别遭受大气腐蚀、海水盐雾-海水冲刷耦合引起的飞溅腐蚀、海水直接浸没腐蚀和海泥-微生物腐蚀，不同区域表现出显著不同的腐蚀特征，因此对钢管服役期间的不同区域进行实时健康监测从而了解钢管的非均匀腐蚀情况是非常有必要的。目前应用较为广泛的钢结构腐蚀监测技术有直流法、电阻探针法、声发射法、线性极化法、电化学生物传感和电偶电流监测技术等。这些检测方法或存在着检测结果误差大、或存在着适用范围受限等问题。

在以往的基于分布式光纤传感器的腐蚀监测实验研究中，已知分布式光纤对钢筋混凝土结构中的钢筋进行腐蚀监测是可行的，但在钢管结构方面的应用研究甚少，且钢管桩的腐蚀特征与钢筋混凝土结构具有显著的区别：(1)钢管桩结构的尺寸更大，非均匀腐蚀特征更加明显。现有研究中通过假定钢筋截面发生均匀腐蚀以建立腐蚀应变与腐蚀质量损伤之间的关系，目前仍缺乏钢管截面发生非均匀腐蚀情况下的腐蚀应变与腐蚀质量损伤之间的换算关系；(2)钢管桩外围没有混凝土的约束作用，腐蚀产物更容易流失，且海洋环境中钢管的不同区域的腐蚀特征不同，导致建立海洋环境中钢管腐蚀应变与腐蚀质量之间的关系更加困难。比如在大气环境中的钢管腐蚀，体积膨胀，腐蚀产物累积在结构表面，导致管径增大，而在有水流冲刷的区域，在水流作用下，腐蚀产物脱离结构表面，呈现出管径缩小的现象。

发明内容

基于此，为了能高效、准确的测量出钢管桩在海洋中的非均匀腐蚀情况，本发明的首要目的是提供一种钢管在海洋环境下腐蚀的可视化实时监测方法，该方法以单模单芯光纤作为分布式传感器对钢管在复杂海洋环境下进行腐蚀的监测，能够对各种钢管结构的实时非均匀腐蚀监测。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种钢管在海洋环境下腐蚀的可视化实时监测方法，本监测方法的系统主要由布设在被监测钢管上的光纤传感器、数据采集模块、计算分析模块、非均匀腐蚀结果实时显示模块组成；其中数据采集模块采集并存储钢管腐蚀前及待测状态下布设的分布式光纤传感器发送的布里渊频移量；计算分析模块调用钢管腐蚀前及当前状态下光纤传感器发送的布里渊频移量，并进行计算；腐蚀程度结果实时显示模块采用云图方式将计算结果显示，给出整个钢管的全部非均匀腐蚀结果；数据采集模块可在任意时刻采集当前钢管所有布设有光纤传感器测点传来的布里渊频移量信号；计算分析模块实时调用数据采集模块中存储的钢管腐蚀前后所采集的布里渊频移量数据，根据腐蚀测量光纤和温度补偿光纤的布里渊频移量可获取由腐蚀引起的每一测点的应变，进而根据建立的钢管结构不同区域腐蚀应变与腐蚀质量损失之间的换算关系，实现对钢管整体的实时非均匀腐蚀监测。

钢管在不同的环境中腐蚀后的特征不同，其腐蚀损失量计算方式也不同，所处海洋大环境下的钢管结构的腐蚀计算模型主要可分为两种，一种为腐蚀产物堆积钢管表面而致使直径增大的模型，另一种是腐蚀产物被水流冲走而致使钢管直径减少的模型，具体步骤如下：

步骤一：光纤布设，在钢管的每一个测点对应的区段，对光纤施加一定预应力并等距螺旋缠绕于其外表面；

为实现温度补偿，在钢管内表面以波浪的形式粘贴光纤，光纤保持自然松弛状态，内表面均匀涂抹防蚀膏，防止内表面因发生腐蚀而引起温度补偿光纤发生形变。

步骤二：环境作用下，数据采集模块首先采集并存储钢管腐蚀前的每个测点的布里渊频移量信号，供长期实时监测时调用；

步骤三：数据采集模块实时采集并存储待测状态下钢管所有测点的腐蚀测量光纤和温度补偿光纤的布里渊频移量信号；

步骤四：计算分析模块实时调用数据采集模块中存储的钢管腐蚀前及腐蚀后任意时刻所有测点上光纤的布里渊频移量信号，并由计算分析模块基于如下步骤进行计算分析并输出监测结果：

(1)光纤在温度与应变作用下会使布里渊散射光的频率发生变化且布里渊频移变化量ΔV

ΔV

其中K

通过腐蚀测量光纤测得布里渊频移变化量ΔV

(2)根据钢管结构在海洋环境中不同的腐蚀特征划分为大气区、水位变动区、浸没区和泥下区四个区域，根据建立的钢管结构不同区域腐蚀应变与腐蚀质量损失之间的换算关系计算得到各测点的腐蚀质量损失，即各个测点的质量损失量Δm

其中，大气区由于膨胀性腐蚀产物会一直堆积于其表面，导致包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径增大，引起光纤应变增大，因此位于大气区的钢管各个测点的质量损失量可通过以下公式计算：

水位变动区、浸没区和泥下区由于钢管表面的腐蚀产物随水流的带动而不断流失，导致包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径减小，引起光纤应变，因此位于水位变动区、浸没区和泥下区的钢管各个测点的质量损失量可通过以下公式计算：

其中ρ为钢管密度；h为纵向长度相邻两道光纤的间距；L

第一个公式由以下过程推出：

钢管角度大小α可由钢管半径R

因此，钢管中发生锈蚀部分的体积V

其中钢管未腐蚀前外半径为R

因此，由于腐蚀造成的各个测点的质量损失量Δm

由于大气区腐蚀产物堆积，导致钢管腐蚀后体积膨胀，将大气区的钢管腐蚀体积膨胀系数λ定义为：

根据应变的定义，可知钢管腐蚀膨胀后包含锈层的半径R

R

并将公式(9)代入公式(8)，再代入公式(7)，可得各个测点的质量损失量Δm

由于上式中腐蚀引起的应变量ε

第二个公式由以下过程推出：

钢管中发生锈蚀部分的体积V

因此，由于腐蚀造成的各个测点的质量损失量Δm

由于水位变动区、浸没区和泥下区腐蚀产物流失，导致钢管腐蚀后体积缩小，将水位变动区、浸没区和泥下区的钢管腐蚀体积膨胀系数β

根据应变的定义，可知钢管腐蚀缩小后包含锈层的半径R

R

并将公式(16)代入公式(15)，再代入公式(14)，可得各个测点的质量损失量Δm

由于上式中腐蚀引起的应变量ε

求整个钢管的总腐蚀质量损失可由下公式得到：

因为钢管损失测量的每一个区域共有m道光纤且每道光纤上均有n个测点，求钢管的每一腐蚀区的腐蚀损失量时，可由下计算，

大气区腐蚀的总质量损失量Δm为：

水位变动区、浸没区和泥下区的各腐蚀区带的总质量损失量Δm为：

(3)利用公式即可计算出钢管不同区域各测点因腐蚀而损失的质量，利用分析软件将各测点的质量损失量通过矩阵转换为云图，以云图的形式直观反映出钢管的非均匀腐蚀。

本发明的有益效果在于，相较于传统的直流法、电阻探针法、声发射法、线性极化法、电化学生物传感和电偶电流监测技术等方法，本发明具有分布式测量、灵敏度高、精度好、抗电磁干扰能力强等诸多优点，在实际工程中具有一定的应用价值。

本发明利用分布式光纤传感器实现了对钢管在复杂海洋环境下腐蚀的监测、量化和可视化的实时监测方法，该方法适用于各种钢管结构的实时非均匀腐蚀监测。

附图说明

图1为本发明的具体流程示意图。

图2为钢管结构在海洋环境下的四个区域划分图。

图3为分布式光纤布设钢管示意图。

图4为钢管大气区表面腐蚀质量损失的计算模型示意图。

图5为钢管水位变动区、浸没区和泥下区表面腐蚀质量损失的计算模型示意图。

图6为具体实施方式实验设置图；

图7为本发明布设于泥下区的分布式光纤沿测量长度的应变分布图。

图8为本发明布设于浸没区的分布式光纤沿测量长度的应变分布图。

图9为本发明布设于水位变动区的分布式光纤沿测量长度的应变分布图。

图10为本发明布设于大气区的分布式光纤沿测量长度的应变分布图。

图11为本发明钢管非均匀腐蚀引起的质量损失云图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所实现的方法，具体步骤如下：

步骤一：光纤布设，在钢管的每一个测点对应的区段，对光纤施加一定预应力并等距螺旋缠绕于其外表面，如图3所示，为实现温度补偿，在钢管内表面以波浪的形式粘贴光纤，光纤保持自然松弛状态，内表面均匀涂抹防蚀膏，防止内表面因发生腐蚀而引起温度补偿光纤发生形变；

步骤二：环境作用下，数据采集模块首先采集并存储钢管腐蚀前的每个测点的布里渊频移量信号，供长期实时监测时调用；

步骤三：数据采集模块实时采集并存储待测状态下钢管所有测点的腐蚀测量光纤和温度补偿光纤的布里渊频移量信号；

步骤四：计算分析模块实时调用数据采集模块中存储的钢管腐蚀前及腐蚀后任意时刻所有测点上光纤的布里渊频移量信号，并由计算分析模块基于如下步骤进行计算分析并输出监测结果：

(1)光纤在温度与应变作用下会使布里渊散射光的频率发生变化且布里渊频移变化量ΔV

ΔV

其中K

通过腐蚀测量光纤测得布里渊频移变化量ΔV

(2)如图2所示，根据钢管结构在海洋环境中不同的腐蚀特征划分为大气区、水位变动区、浸没区和泥下区四个区域，根据建立的钢管结构不同区域腐蚀应变与腐蚀质量损失之间的换算关系计算得到各测点的腐蚀质量损失，即各个测点的质量损失量Δm

其中，大气区由于膨胀性腐蚀产物会一直堆积于其表面，导致包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径增大，引起光纤应变增大，因此位于大气区的钢管各个测点的质量损失量可通过以下公式计算：

水位变动区、浸没区和泥下区由于钢管表面的腐蚀产物随水流的带动而不断流失，导致包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径减小，引起光纤应变，因此位于水位变动区、浸没区和泥下区的钢管各个测点的质量损失量可通过以下公式计算：

其中ρ为钢管密度；h为纵向长度相邻两道光纤的间距；L

第一个公式(2)运用于膨胀性腐蚀产物会一直堆积于其表面，包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径增大，光纤应变增大的情形，如图4所示；第二个公式(3)运用于钢管表面的部分腐蚀产物随水流的带动而不断流失，包含锈层的钢管直径相比于未腐蚀前钢管直径减小，光纤应变减小的情形，如图5所示。

第一个公式(2)由以下过程推出：

钢管角度大小α可由钢管半径R

因此，钢管中发生锈蚀部分的体积V

其中钢管未腐蚀前外半径为R

因此，由于腐蚀造成的各个测点的质量损失量Δm

由于大气区腐蚀产物堆积，导致钢管腐蚀后体积膨胀，将大气区的钢管腐蚀体积膨胀系数λ定义为：

根据应变的定义，可知钢管腐蚀膨胀后包含锈层的半径R

R

并将公式(9)代入公式(8)，再代入公式(7)，可得各个测点的质量损失量Δm

由于上式中腐蚀引起的应变量ε

第二个公式(3)由以下过程推出：

钢管中发生锈蚀部分的体积V

因此，由于腐蚀造成的各个测点的质量损失量Δm

由于水位变动区、浸没区和泥下区腐蚀产物流失，导致钢管腐蚀后体积缩小，将水位变动区、浸没区和泥下区的钢管腐蚀体积膨胀系数β

根据应变的定义，可知钢管腐蚀缩小后包含锈层的半径R

R

并将上述公式代入质量损失量计算式可得各个测点的质量损失量Δm

由于上式中腐蚀引起的应变量ε

/>

求整个钢管的总腐蚀质量损失可由下公式得到：

因为钢管损失测量的每一个区域共有m道光纤且每道光纤上均有n个测点，求钢管的每一腐蚀区的腐蚀损失量时，可由下计算，

直径增加的腐蚀区带(大气区)总质量损失量Δm为：

直径减少的腐蚀区带(水位变动区、浸没区和泥下区)总质量损失量Δm为：

(3)利用公式即可计算出钢管不同区域各测点因腐蚀而损失的质量，利用分析软件将各测点的质量损失通过矩阵转换为云图，以云图的形式直观反映出钢管的非均匀腐蚀。

以某钢管在模拟海洋环境下的加速腐蚀实验为例进行非均匀腐蚀监测的研究，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图2所示，海洋环境中，通常具有大气区、水位变动区、浸没区和泥下区四个区域。如图3所示，采用1根高30cm，外径16.5cm，壁厚为0.3cm的钢管(Q235)模拟处于海洋环境中的钢管桩；配置浓度为3.5％的氯化钠溶液来模拟海水；水箱底部铺设砂石，通过钢管下部埋置于砂石模拟海洋环境中的泥下区；砂石层顶面至最低水位线区域模拟海洋环境中的浸没区；通过水泵对水箱中的模拟海水进行抽水和防水周期性改变水位，将水位变动划分为涨潮和落潮两个阶段，水位最低点至水位最高点模拟海洋环境中的水位变动区；水位最高点以上为大气区；通过红外辐射加热器对钢管进行周期性加热，同一实验周期中，将温度分为常温阶段、升温阶段、高温稳定阶段以及降温阶段四个不同阶段，模拟钢管被日光照射的真实环境，试件朝向加热器的一侧为向阳侧，另一侧为背阴侧；通过空调来控制室温，实验过程中室内温度可视为恒温。布里渊频移数据通过RP1020型布里渊光时域分析仪采集，其空间分辨率20cm，采样分辨率5cm，应变精度小于等于±20με，温度精度小于等于±1℃，温度影响系数K

该实验步骤如下：

(1)将清理干净的FC/APC光纤跳线接头接入布里渊光时域分析仪，确保在测量过程中光纤与仪器连接接触良好。如图3、图6所示。

(2)将钢管试样放置于水箱内，将被浓度为3.5％氯化钠盐溶液浸泡1天的沙石铺设于水箱底部，铺设厚度以刚好埋没泥下区7.5cm即可，随后倒入盐溶液，水位高度到达浸没区与水位变动区交界处15cm即可。

(3)调整传感器参数。传感器参数主要是调整泵浦光强度，确保布置于钢管桩表面的光纤能够被完整测量的。

(4)日照模拟。如图6所示，在钢管的一侧布置加热器，用于模拟钢管被日光照射的真实环境，试件朝向加热器的一侧为向阳侧，另一侧为背阴侧。

(5)钢管加速腐蚀模拟。将可调直流稳压电源的正极连接钢管，负极连接碳棒，并施加大小为2A的电流。

(6)在未腐蚀前，分别测量每天的12组不同温度环境下的布里渊频移量数据。

(7)当开始加速腐蚀时，通过改变腐蚀环境使得每天对应组的腐蚀温度环境相同(即未腐蚀前的每天内测量的第5组的温度大小与加速腐蚀过程中每天测量的第5组时的温度大小一致)从而剔除温度变化对测量得到布里渊频移的影响。则可通过腐蚀前后对应组别的布里渊频移差计算得到腐蚀产生的应变大小。

(8)通过计算分析软件对采集的数据进行后处理。

利用本方法，首先通过测量光纤传感器采集布里渊频移量ΔV

由图11的云图分析结果可看出，用本发明的方法，可以实现模拟海洋环境下的钢管腐蚀的监测、量化和可视化，并可得出如下结论：钢管的腐蚀会导致布置在钢管表面的分布式光纤传感器的应变发生变化；钢管在电化学加速腐蚀下，浸没区最严重(如图8所示)，其次为泥下区(如图7所示)，大气区(如图10所示)最轻微，水位变动区次之(如图9所示)。

上述实验无论是数据的采集完整性、准确性、实时性，还是计算的便捷性和结果的可视化程度，都可以表明，本发明的以分布式光纤传感器对钢管在复杂海洋环境下腐蚀的监测、量化和可视化的实时监测方法可较好地运用于复杂海洋环境下的钢管非均匀腐蚀监测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。