監(jiān)測(cè)法蘭螺栓力的兩種膠封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器研究

許志強(qiáng)，王 超，白 彬，徒 蕓，于新海，賈九紅

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.中廣核研究院有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

螺栓法蘭連接是能源與石化行業(yè)中的設(shè)備、管道和閥門廣泛使用的可拆卸密封連接形式，也是石化裝置發(fā)生泄漏等事故的主要源頭，且數(shù)量龐大。一套典型石化裝置中，由法蘭造成的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)泄漏量約占總泄漏量的31%[1]。工程實(shí)踐表明，法蘭連接很少因強(qiáng)度不足而破壞，大多因密封性不良而導(dǎo)致泄漏。尤其是在役法蘭連接載荷工況及操作條件復(fù)雜多變，如非正常安裝引入的附加載荷、異常壓力和溫度波動(dòng)以及頻繁的開(kāi)停車等，螺栓法蘭連接泄漏已成為影響能源與化工行業(yè)安全發(fā)展的重大隱患。均勻、足量的螺栓力是保證法蘭連接密封可靠性的關(guān)鍵[2-3]。螺栓力不足會(huì)導(dǎo)致殘余墊片應(yīng)力不足，螺栓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致墊片被壓潰而喪失回彈能力。因此，螺栓力實(shí)時(shí)測(cè)量是監(jiān)測(cè)法蘭連接在安裝與運(yùn)行工況下密封狀態(tài)的有效手段，然而目前缺乏精確、可靠的螺栓力監(jiān)測(cè)方法。

現(xiàn)有螺栓力監(jiān)測(cè)方法主要包括電阻應(yīng)變片法、光學(xué)檢測(cè)法、超聲波法、壓電阻抗法以及光纖傳感器法等。電阻應(yīng)變片法是通過(guò)在被測(cè)螺桿表面直接粘貼或中心打孔灌膠埋入應(yīng)變片測(cè)量螺栓力[4-7]。然而，螺栓法蘭接頭結(jié)構(gòu)緊湊，大多情況都不具備粘貼或埋入應(yīng)變片的條件，且直徑為1～5 mm的應(yīng)變片引線引出會(huì)破壞法蘭接頭的結(jié)構(gòu)完整性。此外，電阻應(yīng)變片易受電磁干擾，難以在法蘭連接的服役環(huán)境中長(zhǎng)期可靠使用。利用電子散斑干涉(ESPI)、數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)、數(shù)字散斑干涉(DSPI)、熒光檢測(cè)等光學(xué)檢測(cè)手段測(cè)量螺栓力的方法[8-11]，需要復(fù)雜、昂貴的設(shè)備，且對(duì)螺栓類型和測(cè)量方式有一定要求，不適合用于螺栓力在線監(jiān)測(cè)?；诼晱椥栽淼某暡ǚㄍㄟ^(guò)測(cè)量超聲波在螺栓內(nèi)的渡越時(shí)間來(lái)確定螺栓力，包括單波法和雙波法(橫波縱波聯(lián)合測(cè)量法、模式轉(zhuǎn)換波法等)[12-15]。然而，單波法難以測(cè)得在役螺栓力，雙波法后續(xù)計(jì)算工作量大且精度相對(duì)不足，此外，溫度、耦合劑等均影響測(cè)量精度[16]。超聲能量法利用超聲波在傳播過(guò)程中的能量耗散來(lái)表征螺栓力，但易受環(huán)境噪聲信號(hào)的干擾[17-18]。壓電阻抗法將壓電材料粘貼在螺栓端面，利用壓電阻抗/導(dǎo)納信號(hào)中的特征參數(shù)變化來(lái)表征螺栓力變化[19]，但需先進(jìn)且昂貴的儀器設(shè)備[16]。

光纖光柵(FBG)傳感器因具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、抗輻射、靈敏度高、可準(zhǔn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于在航空航天、航海、土木、能源等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[20]。徒蕓等將所開(kāi)發(fā)的耐高溫金屬封裝再生FBG應(yīng)變傳感器點(diǎn)焊到螺栓光桿上，實(shí)現(xiàn)了高溫下螺栓力的測(cè)量[21]，但對(duì)螺栓類型和安裝空間均有一定要求，且制備工藝相對(duì)復(fù)雜。目前利用FBG傳感器測(cè)量常溫下的螺栓力，均通過(guò)在被測(cè)螺栓中心打孔，將敏感光柵灌膠直接埋入孔內(nèi)，或先粘貼到彈性基體封裝成FBG應(yīng)變傳感器再灌膠埋入孔內(nèi)[22-27]，但膠流動(dòng)性不佳會(huì)增大往小孔內(nèi)灌膠的難度。目前最常用的FBG應(yīng)變傳感器的封裝方式為表面粘貼式封裝，即將敏感光柵用膠直接粘貼到被測(cè)結(jié)構(gòu)，或先粘貼到彈性基體上，再將彈性基體粘貼到被測(cè)結(jié)構(gòu)。然而，未見(jiàn)采用表面粘貼式封裝FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量螺栓力的相關(guān)研究報(bào)道。

光纖光柵的封裝方式對(duì)應(yīng)變傳遞、光譜特性等均有重要影響，這些參數(shù)又直接關(guān)系到測(cè)量精度。因此，有必要開(kāi)展采用不同方式膠封裝FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)螺栓力的研究。根據(jù)傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系可分為表面式和埋入式。本文針對(duì)在役法蘭螺栓力難以精確可靠監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，對(duì)比研究了基于表面式和埋入式2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量螺栓力的應(yīng)變傳遞、靈敏度、線性、重復(fù)性、穩(wěn)定性等靜態(tài)特性，討論了2種膠封裝方式FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量螺栓力的特點(diǎn)及優(yōu)劣；并通過(guò)監(jiān)測(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中法蘭在安裝預(yù)緊及壓力試驗(yàn)工況下的螺栓力變化，驗(yàn)證了基于膠封裝FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)螺栓力的可行性。

1 光纖光柵傳感器測(cè)量螺栓力原理

光纖布拉格光柵是沿光纖軸向纖芯的一段區(qū)域中折射率發(fā)生周期性變化的一種光學(xué)衍射光柵結(jié)構(gòu)。滿足Bragg條件時(shí)，每個(gè)光柵平面反射的光逐步疊加，在反向形成一個(gè)反射峰，反射峰的中心波長(zhǎng)稱之為“Bragg波長(zhǎng)”，與光柵周期和纖芯有效折射率有關(guān)[28]。溫度和應(yīng)變的變化均可改變光柵面間周期長(zhǎng)度和有效折射率大小，從而改變Bragg波長(zhǎng)，因此，通過(guò)測(cè)量Bragg波長(zhǎng)的偏移量即可獲得光柵處的溫度或應(yīng)變的變化。

Bragg波長(zhǎng)偏移量與軸向應(yīng)變量的關(guān)系為[28]

ΔλB=λB(1-pe)Δε

(1)

式中：λB和ΔλB為初始Bragg波長(zhǎng)和Bragg波長(zhǎng)偏移量；pe為光纖的彈光系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化量。

當(dāng)螺栓承載發(fā)生彈性變形時(shí)，螺栓力可表示為

F=AEΔε

(2)

式中：F為螺栓力；A為螺栓的橫截面積；E為螺栓材料的彈性模量。

為測(cè)量螺栓力，可沿被測(cè)螺栓軸線方向安裝FBG應(yīng)變傳感器。當(dāng)被測(cè)螺栓和FBG應(yīng)變傳感器確定，聯(lián)立式(1)和式(2)，可得到螺栓力與Bragg波長(zhǎng)偏移量之間線性關(guān)系為

(3)

因此，通過(guò)測(cè)量Bragg波長(zhǎng)偏移量，可獲得螺栓力。

2 測(cè)量螺栓力FBG應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)制備

2.1 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)螺栓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究分別采用表面式和埋入式2種膠封裝結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

(a)表面式膠封裝結(jié)構(gòu)

(b)埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)圖1 2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

表面式膠封裝結(jié)構(gòu)是用膠直接將敏感光柵沿螺栓軸線方向粘貼到被測(cè)螺栓光桿表面，埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)是通過(guò)灌膠將敏感光柵埋入沿螺栓軸線的盲孔內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)螺栓軸向應(yīng)變(螺栓力)的測(cè)量。

2.2 應(yīng)變傳遞有限元分析

螺栓軸向應(yīng)變通過(guò)剪切應(yīng)力依次傳遞至膠層、涂層和光纖，傳遞過(guò)程將不可避免地產(chǎn)生應(yīng)變損耗[29]。因此，膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度主要取決于膠層長(zhǎng)度、寬度、厚度以及膠材料性能[30-32]。為了優(yōu)化封裝材料和結(jié)構(gòu)，采用有限元法分析膠封裝FBG傳感器的應(yīng)變傳遞率。

本研究以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中法蘭AM16 mm×50 mm雙頭螺栓作為被測(cè)結(jié)構(gòu)，材料為A2-70，中間光桿長(zhǎng)度約為15 mm。選擇3 mm柵長(zhǎng)FBG作為敏感光柵，353ND系列雙組份環(huán)氧膠作為封裝材料。為了安裝方便，表面式膠封裝結(jié)構(gòu)的螺栓光桿被加工為直徑為13 mm的光桿，埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)的螺栓沿其軸線開(kāi)孔徑為2 mm的盲孔。先利用SolidWorks建立三維結(jié)構(gòu)幾何簡(jiǎn)化模型，包括：螺栓光桿段(長(zhǎng)15 mm)和膠封裝FBG應(yīng)變傳感器。然后將幾何模型導(dǎo)入ANSYS建立三維有限元模型，如圖2所示。模型各部分的材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。螺栓、膠層和光纖均采用8節(jié)點(diǎn)的Solid185六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)光纖和有機(jī)涂層部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以提高模型分析精確度。2種膠封裝結(jié)構(gòu)均在螺栓光桿一側(cè)端面施加均布螺栓載荷。分析模型做如下假設(shè)：各材料均為各向同性；變形均為小變形；光纖/涂層/膠層/螺栓各層中間結(jié)合完好；應(yīng)變各分量在界面連續(xù)。

(a)表面式膠封裝結(jié)構(gòu)

(b)埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)圖2 ANSYS三維有限元模型

表1 有限元分析模型材料力學(xué)性能參數(shù)

對(duì)于表面式膠封裝結(jié)構(gòu)，參考研究結(jié)果[30，32]，選取優(yōu)化的膠層幾何參數(shù)長(zhǎng)×寬×厚為12 mm×4 mm×0.1 mm。對(duì)于埋入式膠封結(jié)構(gòu)，膠層幾何參數(shù)直徑×長(zhǎng)為Φ2 mm×40 mm。通過(guò)設(shè)置路徑，獲得沿纖芯軸線3 mm長(zhǎng)光柵段以及與之平行等長(zhǎng)、距軸線3 mm處螺桿段的應(yīng)變值，并分別取其均值作為光柵軸向應(yīng)變及螺栓軸向應(yīng)變。當(dāng)施加20 kN螺栓載荷時(shí)，表面式膠封裝的螺栓軸向應(yīng)變?yōu)?72 με，光柵軸向應(yīng)變?yōu)?45 με(應(yīng)變傳遞率為96.0%)；埋入式膠封裝的螺栓軸向應(yīng)變?yōu)?20 με，光柵軸向應(yīng)變?yōu)?16 με(應(yīng)變傳遞率為99.2%)。有限元分析結(jié)果表明，埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞率略高于表面式的應(yīng)變傳遞率，這主要是因?yàn)?種封裝結(jié)構(gòu)的膠層厚度不同。

2.3 傳感器封裝

經(jīng)優(yōu)化確定的膠封裝工藝如下：

(1)清洗螺栓：用超聲清洗機(jī)清洗浸于丙酮溶液的螺栓，以清除螺栓表面以及加工盲孔內(nèi)的油污。

(2)配膠：將353ND系列膠的A和B雙組份按10：1比例調(diào)配并攪拌均勻，之后靜置10 min，以盡量減少氣泡。

(3)沖洗光柵：先切除多余尾纖，以確保光柵位于螺栓光桿待測(cè)段；再用丙酮沖洗光纖，以去除光柵表面油污。

(4)涂膠或灌膠：涂膠步驟：預(yù)拉伸后，先用聚酰亞胺膠帶將光柵兩端的光纖粘貼固定于水平放置的螺栓光桿待測(cè)段表面，再將螺栓水平放置于加熱臺(tái)上并固定，最后將353ND-T膠涂刷在固定有光柵的螺栓表面。涂刷過(guò)程應(yīng)盡量保證膠層厚度均勻，膠層長(zhǎng)×寬×厚約為12 mm×4 mm×0.1 mm。灌膠步驟：先將螺栓豎直放置，再將光柵插入螺栓盲孔內(nèi)并置于螺栓光桿待測(cè)段后用膠帶固定尾纖，最后將353ND膠澆灌入盲孔內(nèi)靜置0.5 h。

(5)加熱固化：對(duì)于涂刷的353ND-T，在100 ℃條件下保溫2.5 h后自然冷卻；對(duì)于澆灌的353ND膠，在85 ℃條件下保溫3 h后自然冷卻。

最終得到2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的螺栓，如圖3所示。

(a)表面式膠封裝

(b)埋入式膠封裝圖3 帶膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的螺栓實(shí)物圖

光纖光柵的膠封裝工藝對(duì)光譜特性有重要影響。圖4給出了封裝前后FBG在室溫下的反射光譜。反射譜形狀和反射峰幅值均無(wú)明顯變化，邊摸抑制比大于20 dB，滿足大多數(shù)商業(yè)化光纖光柵解調(diào)儀要求。同時(shí)，表面式膠封裝FBG和埋入式膠封裝FBG的Bragg波長(zhǎng)分別出現(xiàn)了約1.6 nm和1.2 nm的“藍(lán)移”。上述結(jié)果說(shuō)明，封裝過(guò)程在光纖上產(chǎn)生了均勻?qū)ΨQ分布的殘余壓應(yīng)力，膠封裝工藝不改變FBG的反射光譜形狀。表面式膠封裝工藝產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力較埋入式膠封裝的大，主要是由于前者的固化溫度比后者高。

(b)埋入式膠封裝圖4 封裝前后FBG在室溫下的反射光譜

3 傳感器標(biāo)定及靜態(tài)性能分析

3.1 標(biāo)定試驗(yàn)

使用螺栓組合拉伸夾具夾持螺栓兩端，利用CMT5504型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試安裝于螺栓的2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的靜態(tài)性能。

采用載荷控制的方式對(duì)被測(cè)螺栓進(jìn)行單軸拉伸多級(jí)加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)以50 N/s的加載速度，以5 kN為一級(jí)，從5 kN加載至35 kN。每一級(jí)加載完成后，保載130 s使螺栓伸長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，再進(jìn)入下一級(jí)加載，以便于取多個(gè)Bragg波長(zhǎng)測(cè)量值的均值。加載至最大載荷后，同樣以50 N/s的卸載速率，以5 kN為一級(jí)進(jìn)行多級(jí)卸載。重復(fù)2次上述單軸拉伸試驗(yàn)步驟，得到3次加卸載循環(huán)的6組數(shù)據(jù)。整個(gè)標(biāo)定試驗(yàn)過(guò)程，利用力傳感器讀取加載載荷，利用Sm125-500型光纖光柵解調(diào)儀采集膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的Bragg波長(zhǎng)及反射光譜。

3.2 靜態(tài)性能分析

圖5給出了3次單軸拉伸多級(jí)加卸載試驗(yàn)中膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的Bragg波長(zhǎng)偏移量與螺栓力之間的線性關(guān)系。分別對(duì)圖5(a)和圖5(b)中各6組加載和卸載的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，線性回歸方程確定系數(shù)R2均大于0.999，說(shuō)明膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的螺栓力測(cè)量輸出具有良好的線性特性。

(a)表面式膠封裝

(b)埋入式膠封裝圖5 膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的Bragg波長(zhǎng)偏移量與螺栓力關(guān)系

分別對(duì)各6條擬合直線斜率取均值，得到表面式膠封裝FBG傳感器的螺栓力靈敏度為43.2 pm/kN(應(yīng)變靈敏度約為1.16 pm/με)，埋入式膠封裝FBG傳感器的螺栓力靈敏度為33.8 pm/kN(應(yīng)變靈敏度約為1.2 pm/με)。室溫下裸FBG的應(yīng)變靈敏度為1.2 pm/με，由此得到表面式膠封結(jié)構(gòu)和埋入式膠封結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞率分別為96.7%和100%。

由圖5可知有限元分析的表面式和埋入式的軸力靈敏度分別為45.2 pm/kN和32.0 pm/kN。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)5.4%，說(shuō)明有限元法可用于預(yù)測(cè)膠封裝FBG傳感器的應(yīng)變傳遞率。誤差產(chǎn)生主要原因是有限元模擬中的膠材料性能參數(shù)與實(shí)際存在差異。埋入式膠封裝方式的應(yīng)變傳遞率相較于表面式的高約4%，這主要是由于表面式封裝的膠層厚度較薄且涂刷不均勻所致。

由圖5可知，3次加卸載循環(huán)試驗(yàn)中表面式和埋入式膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的Bragg波長(zhǎng)偏移量與螺栓軸力關(guān)系特性曲線幾乎完全重合，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別不超過(guò)7 pm和3 pm，對(duì)應(yīng)測(cè)量應(yīng)變不超過(guò)6 με和3 με，說(shuō)明基于2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量螺栓力具有良好的重復(fù)性。

穩(wěn)定性是FBG應(yīng)變傳感器的重要性能指標(biāo)之一，可用在規(guī)定時(shí)間內(nèi)零點(diǎn)輸出量隨時(shí)間的變化表示[33]。圖6給出了3次加卸載循環(huán)時(shí)膠封裝FBG傳感器Bragg波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化。求得表面埋入式膠封裝FBG傳感器和埋入式膠封裝FBG傳感器Bragg波長(zhǎng)的最大零點(diǎn)漂移分別為±13 pm和±8 pm，相當(dāng)于測(cè)量的應(yīng)變分別為±11 με和±7 με，說(shuō)明2種膠封裝FBG傳感器對(duì)軸力的響應(yīng)均具有良好的穩(wěn)定性。

(a)表面式膠封裝

(b)埋入式膠封裝圖6 3次加卸載試驗(yàn)中膠封裝FBG傳感器的Bragg波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化

4 閥門中法蘭螺栓力監(jiān)測(cè)

核動(dòng)力裝置中的閥門中法蘭多為典型非標(biāo)螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)螺栓力來(lái)反映法蘭連接在安裝與運(yùn)行工況下的密封狀態(tài)。

4.1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)對(duì)象為一臺(tái)ZAZP-16K型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，公稱通徑為DN50 mm，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度為20～200 ℃，閥門材質(zhì)為ASTM A351 CF8。通常使用該型號(hào)閥門作為核電站二回路冷卻水流量控制閥門。調(diào)節(jié)閥中法蘭采用螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)，其中，雙頭螺柱規(guī)格為AM16 mm×50 mm，材料為A2-70，共6個(gè)。

本試驗(yàn)共制備了6個(gè)安裝有膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的螺栓，采用3.1節(jié)的試驗(yàn)方法標(biāo)定了螺栓力靈敏度，見(jiàn)表2。

表2 膠封裝FBG傳感器測(cè)量中法蘭螺栓力標(biāo)定結(jié)果

閥門中法蘭螺栓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)在如圖7所示實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥固定在專用工裝夾具上，調(diào)節(jié)閥進(jìn)口及出口端安裝有截止閥，同時(shí)進(jìn)出口安裝有壓力表及溫度計(jì)，可實(shí)時(shí)讀取管道內(nèi)部壓力及溫度。進(jìn)口端與安全閥氣體增壓臺(tái)相連，該增壓裝置可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥中法蘭管道內(nèi)部壓力。按圖7所示的方式布置安裝中法蘭螺栓，其中，#1、#3、#4、#5和#6號(hào)光柵尾纖直接從螺栓頭部引出，#2號(hào)光柵尾纖從兩法蘭面中間約1 mm間隙引出，并與Sm125-500型光纖解調(diào)儀相連實(shí)時(shí)采集信號(hào)。本次試驗(yàn)介質(zhì)為氮?dú)狻?/p>

圖7 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖及螺栓安裝示意圖

整個(gè)安裝預(yù)緊及壓力試驗(yàn)步驟如下：參考ASME PCC-1-2013的緊固方法，先用扭矩扳手按星形方式緊固螺栓，再按螺栓力大小依次緊固螺栓，直至把預(yù)定的螺栓安裝載荷均勻地施加至每個(gè)螺栓；安裝完成后以0.05 MPa為一個(gè)臺(tái)階，逐級(jí)升壓至1.6 MPa，在每級(jí)壓力下保壓2 min。整個(gè)試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)采集并保存膠封裝應(yīng)變傳感器的Bragg波長(zhǎng)及其相應(yīng)螺栓力。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

螺栓安裝力及其擰緊方法是有效控制法蘭連接泄漏的關(guān)鍵。因此，有必要通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)緊工況下螺栓力變化來(lái)準(zhǔn)確獲取螺栓安裝力。圖8為預(yù)緊電動(dòng)閘閥中法蘭螺栓時(shí)，螺栓力的變化情況，目標(biāo)螺栓安裝力為6 kN。由圖可以明顯觀察到預(yù)緊螺栓的整個(gè)過(guò)程，第一輪是按星形方式，即：#1，#4，#6，#3，#5，#2依次緊固螺栓，再按螺栓力大小依次緊固螺栓，直至每個(gè)螺栓獲得均勻、足量的螺栓預(yù)緊力為止。由圖8可以看出，第一輪按星形方式緊固螺栓后，6個(gè)螺栓力差異較大且與目標(biāo)安裝力差距較大；再按螺栓力大小依次緊固螺栓至找平螺栓力后，各螺栓力接近目標(biāo)安裝力且分布更均勻，整個(gè)過(guò)程螺栓間的彈性交互作用明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器均可實(shí)現(xiàn)閥門中法蘭在安裝預(yù)緊工況下的螺栓力監(jiān)測(cè)，為優(yōu)化安裝擰緊方法以快速方便地獲得均勻、足量螺栓安裝力提供了技術(shù)支持。

圖8 中法蘭螺栓安裝預(yù)緊過(guò)程螺栓力變化情況

在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)壓力、正常運(yùn)行壓力、附加外載荷作用等運(yùn)行工況下，螺栓安裝力變化對(duì)法蘭密封性能至關(guān)重要。因此，有必要監(jiān)測(cè)運(yùn)行工況下的法蘭螺栓力。圖9為壓力試驗(yàn)過(guò)程法蘭螺栓力變化情況。因閥蓋自重，初始升壓時(shí)螺栓力基本無(wú)變化，直至壓力升至接近1 MPa時(shí)螺栓力才開(kāi)始變化。由圖9可以看出，在升壓至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1.6 MPa設(shè)計(jì)壓力時(shí)，隨壓力逐級(jí)升高，總體上每個(gè)螺栓的螺栓力均穩(wěn)定逐級(jí)增大且具有相似性，不均勻性基本不變。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器均可實(shí)現(xiàn)閥門中法蘭在常溫運(yùn)行工況下的螺栓力監(jiān)測(cè)。

圖9 壓力試驗(yàn)過(guò)程中法蘭螺栓力變化情況

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于光纖光柵測(cè)量螺栓力原理，采用有限元法分析了表面式與埋入式2種膠封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳遞率，制備了帶兩種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的螺栓，通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)標(biāo)定了傳感器的靈敏度，評(píng)價(jià)了其線性、重復(fù)性及穩(wěn)定性，最后通過(guò)閥門中法蘭螺栓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)上述研究得出如下結(jié)論：

(1)采用表面式和埋入式膠封裝結(jié)構(gòu)和工藝，均可成功制備帶FBG應(yīng)變傳感器的螺栓，膠封裝工藝不改變FBG的反射光譜形狀，僅在光纖上產(chǎn)生了均勻?qū)ΨQ分布的殘余壓應(yīng)力，表面式較埋入式封裝工藝更簡(jiǎn)單方便且不破壞螺栓結(jié)構(gòu)完整性。

(2)室溫下表面式和埋入式2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器對(duì)螺栓力響應(yīng)均具有良好的線性、重復(fù)性和穩(wěn)定性；埋入式膠封裝的應(yīng)變傳遞率可達(dá)100%，表面式膠封裝的應(yīng)變傳遞率可達(dá)96.7%，前者較后者高約4%，這主要是由于表面式封裝的膠層厚度較薄且涂刷不均勻。

(3)基于2種膠封裝FBG應(yīng)變傳感器，均可實(shí)現(xiàn)閥門中法蘭在安裝預(yù)緊和運(yùn)行工況下的螺栓力監(jiān)測(cè)，有助于優(yōu)化安裝擰緊方法以快速方便地獲得均勻、足量螺栓安裝力，并及時(shí)反映法蘭連接密封狀態(tài)。