用于承壓構(gòu)件的在線(xiàn)光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

肖 飚 姚建平 王海濤 丁建勛

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 2.華東理工大學(xué)）

0 引言

隨著壓力管道的大量使用，管道泄漏現(xiàn)象日益增加。泄漏不僅造成了環(huán)境污染，也是一種巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)管道的泄漏檢測(cè)已經(jīng)開(kāi)展了大量工作。壓力管道的泄漏是非常普遍的現(xiàn)象，導(dǎo)致管道泄漏的原因非常復(fù)雜，如輸送介質(zhì)的多樣性，管道所處地理環(huán)境的多樣性 （埋地、海洋）等。此外，泄漏形式也是多樣性的 （滲漏、穿孔、斷裂）?，F(xiàn)階段用于管道檢漏的方法主要有負(fù)壓波法、壓力降檢測(cè)法、化學(xué)法、流量平衡法等。這些方法有下述一些不足之處：

（1）檢測(cè)距離不夠；

（2）定位精度低；

（3）微小泄漏檢測(cè)靈敏度低；

（4）誤報(bào)率高[1-4]。

采用分布式光纖法可對(duì)長(zhǎng)距離管道健康狀況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，并能夠?qū)π⌒孤┣闆r進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。

國(guó)內(nèi)外大量的研究表明，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)過(guò)程中受溫度變化的影響比較大，同時(shí)當(dāng)被監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生彎曲變形時(shí)，光纖監(jiān)測(cè)也將受到影響。在化工、石油、電力、儲(chǔ)罐區(qū)等生產(chǎn)裝置中，大量設(shè)備、管道溫度都在300～500℃范圍間，因此在這些設(shè)備的管道上使用光纖監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該考慮溫度變化對(duì)監(jiān)測(cè)的干擾作用。

1 分布式光纖法的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用

光纖傳感器已經(jīng)大量用于土木[5]、化工、水利等工程領(lǐng)域。在使用過(guò)程中，光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但是光纖傳感器作為監(jiān)測(cè)管道泄漏的一種技術(shù)，還存在一些不足，主要體現(xiàn)在定位精度不高、光纖分布方式對(duì)監(jiān)測(cè)的影響較大等方面。由于分布式光纖傳感系統(tǒng)光纖布放方式以及信號(hào)處理方式對(duì)管道泄漏監(jiān)測(cè)影響較大，因此國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行大量的研究。

國(guó)外在應(yīng)用光纖對(duì)溫度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)洛馬航空公司的Lisa等驗(yàn)證了EFPI光纖傳感器能夠應(yīng)用于低溫環(huán)境下的監(jiān)測(cè)，在-210～370℃溫度范圍內(nèi)它能夠正常工作。日本東京大學(xué)的Takeda等在液氮 (-170℃)儲(chǔ)罐表面粘貼了FBG傳感器，證實(shí)了傳感器能夠在液氮的溫度下正常使用，這就為FBG在低溫承壓設(shè)備上的使用打下了基礎(chǔ)。比利時(shí)根特大學(xué)的Waele等把FBG傳感器埋入復(fù)合材料壓力容器中，跟蹤載荷循環(huán)變化，監(jiān)測(cè)容器變形情況，得到了較好的結(jié)果。此外，還將FBG傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果和應(yīng)變片、聲發(fā)射的監(jiān)測(cè)結(jié)果作了深入的分析比較，證明FBG傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果與其他兩者均符合得很好。

在損傷監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)Acellent公司的研究人員使用SMART Layer條帶對(duì)纏繞式壓力容器進(jìn)行了損傷監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)表明，容器有損傷后，傳感器測(cè)量到的診斷波信號(hào)振幅變小，因此通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取信息就能夠確定出損傷的位置。瑞士SMARTEC的研究人員在壓縮氣體氣瓶上布置了6個(gè)SMARTape傳感器，驗(yàn)證了壓力和傳感器測(cè)得的應(yīng)變值成正比，因此通過(guò)傳感器獲得的信息能夠判斷損傷的類(lèi)型、大小和深度。美國(guó)的Ortyl將由雙軸FBG傳感器獲取的信息輸入到光學(xué)成像軟件中，得到了復(fù)合材料壓力容器上損傷的位置。

在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)的張恩勇、金偉良、宋牟平等對(duì)海底管道的泄漏破壞和結(jié)構(gòu)完整性[6]進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究。西南交通大學(xué)的茶國(guó)智 （2006）設(shè)計(jì)了一種分布式光纖管道形變傳感器，它僅用一根光纖通過(guò)自纏絞形成微彎，完成對(duì)形變的傳感功能。此外，還采用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式檢測(cè)。把光纖光柵與石油類(lèi)碳?xì)浠衔锵嗳菪院玫娜冶鹉z （EPDA）固定在一起。當(dāng)橡膠遇油膨脹時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置改變光纖光柵軸向應(yīng)力來(lái)改變光纖光柵反射波長(zhǎng)，最終通過(guò)檢測(cè)光柵反射波長(zhǎng)的漂移量來(lái)確定是否有漏油情況[7]。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所用系統(tǒng)為MOI公司租賃提供的Sm125光纖光柵解調(diào)儀一臺(tái)，所用傳感器為自己加工的光纖光柵傳感器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)備配置如表1所示，拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備配置如表2所示。

表1 應(yīng)變信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)備

表2 拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備

2.1 Sm125-500數(shù)據(jù)采集儀的特點(diǎn)和性能指標(biāo)

Sm125-500數(shù)據(jù)采集儀,主要進(jìn)行靜態(tài)傳感測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)傳感器故障檢測(cè)等。

其主要特點(diǎn)為：

（1）該設(shè)備具有靜態(tài)傳感測(cè)量功能，是專(zhuān)為測(cè)量應(yīng)力、溫度和壓力等參數(shù)而設(shè)計(jì)的。采樣頻率有1 Hz、 2 Hz或 5 Hz。

（2）便攜性好，質(zhì)量為2 kg，非常輕，適用于現(xiàn)場(chǎng)攜帶使用。

（3）可以檢測(cè)光纖光柵的全反射譜，因此該儀器可以檢測(cè)所安裝的傳感器的質(zhì)量好壞，利于工程測(cè)量。

（4）可多通道同步測(cè)量，每通道80 nm帶寬 。

（5）系統(tǒng)擁有自校準(zhǔn)功能，每次測(cè)量后利用乙炔氣體吸收光譜和標(biāo)準(zhǔn)器具自動(dòng)校準(zhǔn)，具有極高的穩(wěn)定性，精度為1 pm。

（6）50 dB動(dòng)態(tài)范圍 （可監(jiān)測(cè)80 km）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖1～圖4所示。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)平臺(tái)包括下述幾個(gè)部分。

（1）采集系統(tǒng)：MOI公司產(chǎn)的光纖傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 傳感器與儀器

圖2 連接線(xiàn)與傳感器

圖3 采集儀端接口

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（2）試驗(yàn)系統(tǒng)：長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所產(chǎn)的電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)。

（3）測(cè)試試樣：Q235蠕變拉伸試樣。

試驗(yàn)工況一：將拉伸試樣放在加熱爐內(nèi)，不加拉伸載荷，溫度從30℃升至400℃。在此過(guò)程中進(jìn)行溫度測(cè)量，以試驗(yàn)機(jī)上配置的熱電偶測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，測(cè)試光纖傳感器的溫度測(cè)量是否穩(wěn)定。

試驗(yàn)工況二：將工況一的溫度降至常溫后，再對(duì)工況一做完的試樣進(jìn)行加載，逐漸升溫至100℃并進(jìn)行保溫。在升溫過(guò)程和保溫過(guò)程中進(jìn)行溫度和應(yīng)變測(cè)量，測(cè)試光纖傳感器的溫度、應(yīng)變測(cè)量是否穩(wěn)定。

試驗(yàn)工況三：在加載的情況下，將溫度從常溫升至120℃并保溫，進(jìn)行溫度和應(yīng)變測(cè)量。隨后升溫至200℃并保溫。在升溫過(guò)程和保溫過(guò)程中進(jìn)行溫度和應(yīng)變測(cè)量，測(cè)試光纖傳感器的溫度、應(yīng)變測(cè)量是否穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果

利用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況及結(jié)果

通過(guò)以上試驗(yàn)，我們可以得到以下結(jié)論：

(1)在30～100℃范圍內(nèi)，光纖傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性較好。

(2)在100℃以上，光纖光柵傳感器的測(cè)量值不準(zhǔn)確，如何保證其在線(xiàn)測(cè)量結(jié)果的可靠性，還需要進(jìn)行大量的工作。

(3)對(duì)光纖光柵傳感器展開(kāi)的試驗(yàn)表明，在220℃下其波峰偏移量開(kāi)始衰減。

4 結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)證明，要將光纖傳感器直接用于現(xiàn)場(chǎng)高溫管道或者高溫設(shè)備上進(jìn)行泄漏、溫度測(cè)量，仍然存在以下要做的工作：

（1）對(duì)于長(zhǎng)距離管道和超大型設(shè)備，基于現(xiàn)階段光纖傳感器的布置方式，應(yīng)研究如何合理地布置數(shù)量合適的傳感器，進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，既保證監(jiān)測(cè)的可靠性，又保證方案的經(jīng)濟(jì)型。

（2）試驗(yàn)室將光纖傳感器用點(diǎn)焊的方式安放在拉伸試樣上，在承壓管道或設(shè)備上是否可用該方式，點(diǎn)焊的方式是否會(huì)造成設(shè)備本體損傷，這些都需要進(jìn)一步研究。

（3）在化工、煉油行業(yè)，工況溫度在300～500℃區(qū)間較多，鑒于本次試驗(yàn)結(jié)果，考慮采用FBG傳感器代替光纖光柵傳感器進(jìn)行下一階段的工作。

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