Yao R W, Ge Z T, Wang D Y, et al. Self-sensing joints for in-situ structural health monitoring of composite pipes: A piezoresistive behavior-based method[J]. Engineering Structures, 2024, 308: 118049.
Yao, Ri-Wu, et al. "Self-sensing joints for in-situ structural health monitoring of composite pipes: A piezoresistive behavior-based method." Engineering Structures, 308 (2024): 118049.
Yao, R. W., Ge, Z. T., Wang, D. Y., Shang, N. T., & Shi, J. F. (2024). Self-sensing joints for in-situ structural health monitoring of composite pipes: A piezoresistive behavior-based method. Engineering Structures, 308, 118049.
背景简介
非金属及其复合管道凭借良好的柔韧性、耐腐蚀性和抗震性能，已在石油、天然气、核电冷却水输送等关键工业领域得到广泛应用。随着管道服役时间的增加以及对运行安全保障要求的不断提升，发展高效的结构健康监测技术（Structural Health Monitoring, SHM）显得尤为重要。目前，针对管道的监测技术多样，包括基于导波、光纤以及导电复合材料压阻特性的方法等。其中，基于压阻特性的监测方法是利用导电复合材料在受到机械刺激（如应变或损伤）时其导电性能发生变化，从而通过监测材料/结构的电学参数（如电阻、电流等）实现结构安全监测。该方法已广泛应用于混凝土结构监测与柔性传感器开发等领域。
复合管道在实际工况中常承受复杂的载荷组合，如内部压力、接头处的局部应力集中、管道自重以及外部环境（如土壤）载荷等，其失效模式也因此呈现多样性和复杂性。这些因素使得将导电复合材料的压阻特性有效转化为管道接头的自感知监测能力，面临着显著的技术挑战。本研究提出采用短碳纤维导电复合材料制备复合管道接头，在保证管道接头结构强度的同时，基于管道接头本体材料的压阻传感特性，开发了具有本征损伤感知功能的复合管道接头，构建了基于复合材料压阻传感特性的管道结构损伤监测技术。该技术避免了以往嵌入式监测方法对结构完整性的破坏，同时利用管道接头本体材料的自传感特性，可以实现管道接头内部的结构损伤监测。该研究成果于2025年3月入选ESI高被引论文。
成果介绍
本研究成功开发了具有本征损伤感知功能的复合管道接头，并系统验证了其在监测管道内部压力和结构损伤方面的性能，为复合材料管道的安全保障提供了新的技术方案。
（1）复合管道自感知接头的制备。本研究选用高密度聚乙烯作为基体材料，T700-12K短切碳纤维作为导电填料来制备短碳纤维导电复合材料（SCFCCs）。通过单螺杆挤出机进行材料混合制备，并采用工业注塑成型机制备得到管道接头。研究发现，SCFCCs的电导率在纤维含量达到约14.7wt%（逾渗阈值fc）时发生数量级（约七个数量级）的显著提升，表明此时形成了有效的导电网络。为确保接头具有良好的电学传感性能，本研究选择15wt%的SCF含量进行接头制造。除了赋予接头自感知功能外，纤维的加入还提升了材料的强度，从而增强了接头的结构强度。采用该导电复合材料制备得到的管道接头内部存在连续的纤维导电网络，该纤维导电网络在载荷或损伤作用下会发生相应的变形或者破坏，从而接头本体材料的导电性发生变化，由此通过监测管道接头的电学参数（如电阻）可以表征管道接头的结构安全状态。
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图1 复合管道自感知接头的制造及其在管道结构健康监测中的应用
（2）自感知接头内压监测效果验证。循环内压试验结果显示，自感知接头的监测电阻能够对复合材料管道内部压力的加载和卸载做出及时、可重复且灵敏的响应。当内部压力增加时，接头膨胀，导致内部导电网络中的SCF间距增大，部分纤维甚至从导电路径中分离，导致电阻增加。压力卸载后，接头回弹，SCF网络得以重组，电阻恢复至初始水平。通过与传统应变片的监测结果对比，该自感知监测方法展现出极高的监测灵敏度。如图2中，在5MPa内压下，自感知接头的灵敏度约为应变片的90倍，这是由于自感知接头能够感知其监测范围内（特别是应变更大的内壁区域）SCFCCs整体的应变及微损伤情况，从而更早、更显著地响应压力变化和潜在的内部损伤。
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图2 自感知复合接头的压阻响应
（3）接头损伤过程的有效监测与失效机理分析。在自感知复合接头的爆破试验中，其监测电阻的变化可清晰地划分为如图3的三个阶段：I期为弹性变形主导阶段，监测电阻缓慢线性增加；II期为损伤萌生阶段，此时接头内部开始出现微裂纹等损伤，导致监测电阻出现明显上扬；III期为损伤失稳扩展阶段，损伤迅速发展并贯穿整个接头壁厚，监测电阻急剧攀升，并伴有明显波动，直至接头完全破坏。对爆破后接头断口的宏观与微观分析进一步揭示了其损伤机制。如图4所示断口上观察到一近似半椭圆形的应力发白区域，扫描电镜(SEM)观察显示，该区域内部的断裂形貌粗糙，伴有基体材料的明显变形和纤维拔出，呈现韧性断裂特征，表明该区域为裂纹缓慢扩展区。而该区域以外的部分断裂形貌相对平坦，基体塑性变形不明显，符合脆性快速断裂的特征。综合分析确定，裂纹首先从接头内表面萌生，随后向外表面逐渐扩展。
图4 复合管道自感知接头的失效模式
（4）监测电阻与接头损伤程度的定量关系建立及安全评价准则。为建立监测电阻变化与接头实际损伤程度之间的定量关系，设计了一系列预损伤试验。首先对多组接头施加不同的预载内压以引入不同程度的初始损伤，随后对这些预损伤接头进行爆破试验，测定其剩余爆破强度，由此确定了不同内压下的接头的损伤程度。试验结果表明，当预加载内压低于5MPa时，接头损伤程度基本可忽略；当压力达到约6MPa时，损伤程度开始显著增加，表明损伤开始萌生；随后损伤程度随压力增加而急剧上。将监测电阻的相对变化率与量化的接头损伤程度进行对比分析，发现两者之间存在如图5所示的强相关性。基于此，获得了95%置信区间下的临界监测电阻变化率，用于自感知接头的安全评价。这种电阻变化与损伤状态的对应关系可从导电网络的变化得到解释：如图6所示，弹性变形阶段主要表现为SCF间接触的微小可逆变化（小范围导电网络分离）；而损伤萌生与扩展则导致导电网络的广泛破坏（如裂纹扩展切断导电通路），从而引起电阻的显著且不可逆的增加。
图5 自感知接头监测电阻与损伤程度的关联关系
图6 基于压阻传感特性的复合管道自感知接头损伤监测
致谢
该研究工作得到了国家自然科学基金（批准号：52175150、52305427）、中国博士后科学基金（批准号：2023M733035）和山东省重点研发计划（批准号：2021CXGC010303）的支持。本文第一作者：姚日雾博士后（浙江大学），本文通讯作者：施建峰教授（浙江大学）。
本期小编 姚日雾（整理）
董乃健（发布）
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