基于FBG機(jī)械連接部件微滲漏監(jiān)測(cè)應(yīng)用

胡 健，雒 燕，劉 瑾，魏世杰，何承宗，李明陽(yáng)，張晨陽(yáng)

(1.南京審計(jì)大學(xué) 工程審計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 211815；2.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

大型密閉輸送系統(tǒng)如地下綜合管廊、隧道、油氣管線等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模較大，難以進(jìn)行一體化施工制造，必須預(yù)制部件或分段施工后連接各個(gè)部分以形成完整的輸送通路。各結(jié)構(gòu)連接處往往成為整個(gè)輸送系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。在工程應(yīng)用中需要設(shè)計(jì)各種機(jī)械連接結(jié)構(gòu)以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接處的機(jī)械強(qiáng)度。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)最終會(huì)出現(xiàn)疲勞、松動(dòng)、磨損、松脫、契合度降低等失能現(xiàn)象，無(wú)法始終維持設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在內(nèi)容物壓力作用、設(shè)施老化磨損、第三方破壞、其他外部載荷等不利因素的長(zhǎng)期影響下，機(jī)械結(jié)構(gòu)連接位置處與一體化部位相比存在更嚴(yán)峻的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。連接結(jié)構(gòu)的各類(lèi)失能現(xiàn)象常以微觀形式發(fā)育，發(fā)生在連接部位的滲漏事故大多以微滲漏形式開(kāi)展。微滲漏潛伏時(shí)間長(zhǎng)、不易被察覺(jué)，被發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全或經(jīng)濟(jì)損失。因此，探索可應(yīng)用于大型密閉輸送系統(tǒng)機(jī)械連接部位微滲漏的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)育中的微滲漏風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

伴隨著滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和細(xì)化，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)出多種多樣的滲漏檢測(cè)方法。常用的方法可分為硬件方法和軟件方法[1]兩大類(lèi)。硬件方法包括利用聲學(xué)傳感器、示蹤劑、壓力傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)；軟件方法包括負(fù)壓波監(jiān)測(cè)、小波分析法、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)法、GPS時(shí)間標(biāo)簽法、超聲波監(jiān)測(cè)法、應(yīng)力波法等[2-7]。但上述幾種方法往往存在靈敏度低、成本高、監(jiān)測(cè)不及時(shí)等問(wèn)題，不適用于輸送系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接處的微滲漏監(jiān)測(cè)。光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)、精度高、安全穩(wěn)定，在監(jiān)測(cè)密閉輸送系統(tǒng)微滲漏領(lǐng)域具廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[8-10]已經(jīng)為運(yùn)輸系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)多類(lèi)光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)。王相超等[11]采用脈沖預(yù)泵浦布里淵光時(shí)域分析儀(Pulsed Pre-Pump-Brillouin Optical Time-Domain Analysis，PPP-BOTDA)技術(shù)對(duì)管道側(cè)向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別測(cè)量聚氯乙烯(PVC)管道的側(cè)向變形撓度和變形方向，試驗(yàn)結(jié)果表明傳感器測(cè)量撓度變化與百分表實(shí)測(cè)值誤差在3.68%以內(nèi)，變形方向的推算值與實(shí)測(cè)值較為吻合；朱新民等[12]采用分布式振動(dòng)光纖并結(jié)合壓力傳感技術(shù)開(kāi)展對(duì)輸水管道爆管預(yù)警系統(tǒng)的研究，通過(guò)高頻、高精度地采集水壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立擾動(dòng)信號(hào)與管道滲漏之間的關(guān)系，從而起到爆管預(yù)警作用；REN等[13]提出一種基于時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)干涉型光纖傳感器陣列的管道防破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)埋地管道的防破壞監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)解調(diào)后的相位信號(hào)特征值進(jìn)行判別，可實(shí)現(xiàn)有效的防破壞報(bào)警。光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感技術(shù)對(duì)應(yīng)變和溫度具有敏感性，在安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也越來(lái)越受到重視。任亮等[14]利用FBG應(yīng)變箍傳感器測(cè)量管道的平均環(huán)向應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道局部腐蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；趙雪峰等[15]提出一種主動(dòng)加熱測(cè)溫光纖的方法用于監(jiān)測(cè)海底管道，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析其可行性，取得了良好的效果；王德洋等[16]利用FBG傳感器測(cè)量地面沉降時(shí)管道的受力變形規(guī)律，為埋地管道安全預(yù)警提供一種新方法。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文針對(duì)大型密閉輸送系統(tǒng)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于FBG的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)微滲漏監(jiān)測(cè)方法，并設(shè)計(jì)一系列室內(nèi)試驗(yàn)分析不同因素對(duì)監(jiān)測(cè)靈敏度的影響，為機(jī)械連接結(jié)構(gòu)處微滲漏監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)原理

1.1 FBG傳感器溫度測(cè)量原理

FBG通過(guò)紫外寫(xiě)入的方法永久性地改變纖芯的折射率，使纖芯折射率沿著纖芯軸向呈現(xiàn)周期性變化，從而形成空間相位光柵。光柵在纖芯內(nèi)形成一個(gè)個(gè)只會(huì)反射特定波長(zhǎng)光波的透鏡，外界環(huán)境條件(溫度或應(yīng)力)會(huì)影響其光學(xué)性質(zhì)。

當(dāng)一束廣譜入射光進(jìn)入光纖時(shí)，F(xiàn)BG只會(huì)反射指定波長(zhǎng)的光，其他波長(zhǎng)的光線幾乎不受影響地透射傳播，其原理如圖1所示。反射光波長(zhǎng)被稱(chēng)為布拉格波長(zhǎng)λB，當(dāng)反射光波長(zhǎng)滿足下列條件時(shí)被反射：

λB=2neffΛ

(1)

式中：neff為有效折射率；Λ為光柵間距。

溫度與應(yīng)變的變化均能影響光纖有效折射率及光柵間距的大小，從而導(dǎo)致布拉格波長(zhǎng)λB的移位。反射光波長(zhǎng)隨應(yīng)變及溫度的變化規(guī)律可歸納為

(2)

式中：Δλ為布拉格波長(zhǎng)變化量；Pc為光纖光學(xué)靈敏系數(shù)；ε為光纖受外力影響發(fā)生的軸向應(yīng)變；α為熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖溫度光學(xué)靈敏系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

圖1 FBG原理示例

由式(2)可知當(dāng)光纖的應(yīng)變?yōu)?時(shí)，其布拉格波長(zhǎng)變化量Δλ與溫度變化量ΔT呈線性關(guān)系，因此FBG可用于測(cè)量溫度變化。

1.2 基于FBG溫度計(jì)的微滲漏監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)干濕球濕度計(jì)的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)一種基于FBG溫度計(jì)的微滲漏監(jiān)測(cè)方法，原理如圖2所示。其構(gòu)造為將2支相同的FBG溫度計(jì)分別置于管道接口上下兩側(cè)，其中：一支位于上側(cè)保持干燥，用于測(cè)量氣溫t1；另一支用紗布包裹溫度計(jì)球部，固定于機(jī)械管道接口下方，示數(shù)用t2表示。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生滲漏時(shí)，位于下方的溫度計(jì)表面紗布被潤(rùn)濕，濕球表面水汽不斷蒸發(fā)吸熱，降低濕溫度計(jì)示數(shù)t2，因此干溫度計(jì)示數(shù)高于濕溫度計(jì)示數(shù)。根據(jù)干濕溫度計(jì)差值Δt的變化，可判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否發(fā)生滲漏。

圖2 監(jiān)測(cè)原理示例

由相關(guān)規(guī)范[17]可知，Δt的變化受溫度計(jì)所處環(huán)境的溫度、風(fēng)速、氣壓、相對(duì)濕度等因素的影響。假設(shè)滲漏液體是溫度接近氣溫的水，則Δt滿足：

(3)

式中：eω(t1)、eω(t2)分別為對(duì)應(yīng)溫度下的飽和水汽壓，MPa；U為空氣相對(duì)濕度，%RH；A為溫度計(jì)的干濕球系數(shù)，℃-1，與風(fēng)速和氣溫有關(guān)；P為大氣壓，MPa。由此可知，針對(duì)一處管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，根據(jù)其環(huán)境參數(shù)的不同，Δt變化幅度也不同。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

為了更貼合待測(cè)機(jī)械管道的實(shí)際情況，選擇相對(duì)密閉的環(huán)境進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置包括待測(cè)管道、溫度傳感裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、風(fēng)速測(cè)量?jī)x、環(huán)境濕度計(jì)，試驗(yàn)中所需測(cè)量的管道為長(zhǎng)2 m、內(nèi)徑75 mm的PVC管，管身某處存在微裂隙，形成滲漏點(diǎn)。溫度傳感裝置由3支FBG溫度計(jì)及固定環(huán)組成，分別用于測(cè)量管道內(nèi)液體溫度、管道外環(huán)境溫度及滲漏處溫度。試驗(yàn)所用FBG溫度計(jì)型號(hào)為NZS-FBG-TM(E)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)跳線傳輸至FBG解調(diào)儀進(jìn)行分析，F(xiàn)BG解調(diào)儀型號(hào)為NSZ-FBG-A04；采用DT-625型濕度計(jì)測(cè)量環(huán)境濕度，AS8336型風(fēng)速儀測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境風(fēng)速。試驗(yàn)裝置布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置示例

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)已有研究文獻(xiàn)，為了研究水溫對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，分別設(shè)計(jì)并進(jìn)行初始水溫為室溫、高于室溫的微滲漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)；為了研究環(huán)境風(fēng)速對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)并進(jìn)行有風(fēng)環(huán)境下微滲漏監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

試驗(yàn)1：室溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。將自來(lái)水放置足夠長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到室溫，用外力使管道接口處出現(xiàn)微裂隙，用以模擬管道接口滲漏；然后將室溫水倒入待測(cè)管道，開(kāi)始記錄FBG溫度計(jì)數(shù)據(jù)，并且始終保持管道中有足夠的水。試驗(yàn)過(guò)程中用風(fēng)速測(cè)量?jī)x記錄微裂隙下方FBG溫度計(jì)處的風(fēng)速。試驗(yàn)持續(xù)記錄約2.5 h。

試驗(yàn)2：高溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。與試驗(yàn)1使用相同裝置，并采用恒溫壺將自來(lái)水加熱至50 ℃左右，加熱完成后立即將水注入PVC管道中，分別使水溫維持恒溫和自然冷卻至室溫進(jìn)行2次試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中同樣用風(fēng)速測(cè)量?jī)x記錄微裂隙下方FBG溫度計(jì)處的風(fēng)速，同時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)持續(xù)記錄約2.5 h。

試驗(yàn)3：有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。與試驗(yàn)1使用相同裝置，并將風(fēng)扇放置于管道一側(cè)，風(fēng)向沿管道對(duì)準(zhǔn)微裂隙下的FBG濕溫度計(jì)。其余操作與試驗(yàn)1保持一致。

3 結(jié)果分析

3.1 室溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖4為試驗(yàn)1結(jié)果。由圖4可知：在試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)環(huán)境的干溫度計(jì)示數(shù)較為穩(wěn)定，當(dāng)注入室溫自來(lái)水的管道接口處出現(xiàn)滲漏時(shí)，貼合于管道接口的濕溫度計(jì)示數(shù)隨著時(shí)間推移不斷降低，干濕溫度計(jì)示數(shù)的溫度差相應(yīng)地快速上升；經(jīng)過(guò)1 000 s左右后濕溫度計(jì)示數(shù)變化幅度大幅下降，隨后保持在一定范圍內(nèi)，溫度差表現(xiàn)為先快速上升后趨于穩(wěn)定。在溫度差最開(kāi)始的上升階段，從管道滲漏出的水接觸到濕溫度計(jì)后發(fā)生蒸發(fā)，帶走濕溫度計(jì)周?chē)臒崃?；溫度差穩(wěn)定階段意味著濕溫度計(jì)周?chē)终舭l(fā)帶走的熱量與環(huán)境溫度達(dá)到平衡狀態(tài)。由溫度差的變化趨勢(shì)可明顯看出，在滲漏剛發(fā)生時(shí)FBG溫度計(jì)可迅速對(duì)滲漏產(chǎn)生反應(yīng)，并在1 800 s左右形成穩(wěn)定溫差，約1.81 ℃。根據(jù)FBG溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)得到的溫差變化數(shù)據(jù)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)管道接口處發(fā)生的滲漏現(xiàn)象，且當(dāng)干濕溫度計(jì)溫差越大時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警誤報(bào)的可能性越小。為了盡可能排除環(huán)境因素的影響，取穩(wěn)定溫差的一半即0.9 ℃為報(bào)警閾值。0.9 ℃遠(yuǎn)大于FBG溫度傳感器的精度，因此當(dāng)干、濕溫度計(jì)差值達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，可認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生滲漏。由圖4可知，當(dāng)滲漏發(fā)生600 s后，溫度差已達(dá)0.93 ℃，因此取600 s為室溫水滲漏監(jiān)測(cè)時(shí)的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間。

圖4 室溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 高溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

高溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中將水體溫度控制在(50.00±1.00)℃，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)前200 s進(jìn)行分析。圖5所示為50.00 ℃恒溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。由圖5可知，當(dāng)水體溫度維持在50.00 ℃時(shí)，溫度差基本保持穩(wěn)定，平均溫度差為22.83 ℃。這是因?yàn)榇藭r(shí)滲漏水體溫度遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，濕溫度計(jì)示數(shù)受高溫水體影響較大，抵消了水分蒸發(fā)帶來(lái)的熱量損失。FBG溫度傳感器可通過(guò)識(shí)別高溫水滲漏造成的干濕溫度計(jì)溫差，從而對(duì)滲漏的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警。取10.00 ℃為報(bào)警閾值，當(dāng)FBG溫度傳感器監(jiān)測(cè)到溫度差處于異常狀態(tài)持續(xù)20 s時(shí)，可認(rèn)為機(jī)械連接部件正在發(fā)生滲漏。

圖5 50 ℃恒溫水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水溫對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

為了更好地分析水溫變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，對(duì)水溫從50.00 ℃自然冷卻至室溫的條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。圖6所示為試驗(yàn)結(jié)果。由圖6可知，記錄氣溫的干溫度計(jì)示數(shù)始終保持穩(wěn)定，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方的濕溫度計(jì)示數(shù)持續(xù)下降，溫度差表現(xiàn)為先大幅度下降隨后緩慢上升。在注入遠(yuǎn)高于室溫的自來(lái)水的管道出現(xiàn)滲漏時(shí)，貼合于管道滲漏處的濕溫度計(jì)受水溫影響較大，因此試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)濕溫度計(jì)示數(shù)遠(yuǎn)高于干溫度計(jì)示數(shù)；在試驗(yàn)過(guò)程中，由于管道內(nèi)的水高于環(huán)境溫度，熱量不斷從水傳遞至環(huán)境中，水溫持續(xù)下降，同時(shí)干、濕溫度計(jì)示數(shù)差相應(yīng)地不斷降低；經(jīng)過(guò)4 800 s左右后溫度變化幅度大幅下降，隨后保持在一定范圍內(nèi)。溫度變化時(shí)間跨度長(zhǎng)，溫度計(jì)持續(xù)對(duì)溫度產(chǎn)生反應(yīng)。

圖6 水體自然冷卻監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

為了更清晰地反映不同時(shí)間段內(nèi)溫度的變化，分別選取試驗(yàn)過(guò)程中0～8 000 s 前后2個(gè)階段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7為水體自然冷卻監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中時(shí)間進(jìn)程4 000～8 000 s的試驗(yàn)結(jié)果圖。由圖7可知：當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至4 000 s時(shí)，濕溫度計(jì)示數(shù)仍在快速下降，干溫度計(jì)示數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，并且濕溫度計(jì)示數(shù)大于干溫度計(jì)示數(shù)，干、濕溫度計(jì)示數(shù)差值與濕溫度計(jì)示數(shù)變化趨勢(shì)保持一致；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至4 800 s時(shí)，濕溫度計(jì)示數(shù)與干溫度計(jì)示數(shù)近乎相同，干溫度計(jì)示數(shù)仍保持穩(wěn)定，濕溫度計(jì)示數(shù)下降幅度變緩，隨后溫度差變化趨勢(shì)與濕溫度計(jì)示數(shù)變化趨勢(shì)相反，開(kāi)始緩慢上升；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至7 500 s時(shí)，濕溫度計(jì)示數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，溫度差也同樣趨于穩(wěn)定，并在8 000 s 左右形成穩(wěn)定溫差，約1.17 ℃。

圖7 水體自然冷卻監(jiān)測(cè)試驗(yàn)4 000 s后結(jié)果

圖8 水體自然冷卻監(jiān)測(cè)前80 s結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)濕溫度計(jì)示數(shù)快速下降時(shí)，濕溫度計(jì)示數(shù)高于干溫度計(jì)示數(shù)，說(shuō)明此時(shí)濕溫度計(jì)示數(shù)受管道內(nèi)水體溫度變化影響更大，溫度差變化趨勢(shì)也與濕溫度計(jì)示數(shù)保持一致；當(dāng)干、濕溫度計(jì)示數(shù)趨于相同時(shí)，溫度差達(dá)最低點(diǎn)，隨后溫度差開(kāi)始緩慢上升，說(shuō)明此時(shí)水分蒸發(fā)造成的熱量損失大于熱水帶來(lái)的熱量，因此會(huì)出現(xiàn)濕溫度計(jì)示數(shù)下降而溫度差上升的現(xiàn)象；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，管道內(nèi)的水體溫度趨于室溫，濕溫度計(jì)示數(shù)也趨于穩(wěn)定，最終形成穩(wěn)定溫差。

圖8為水體自然冷卻監(jiān)測(cè)中前80 s的試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可知，在滲漏初期FBG溫度計(jì)可對(duì)溫度變化迅速產(chǎn)生反應(yīng)，溫度差整體呈下降趨勢(shì)，在80 s內(nèi)溫度差降低超過(guò)2.00 ℃，高溫液體滲漏后溫度改變速率明顯大于常溫下液體滲漏溫度改變速率。與圖5相比，當(dāng)水溫自然冷卻時(shí)干、濕溫度計(jì)差值也隨之呈下降趨勢(shì)，這也說(shuō)明在水溫遠(yuǎn)大于室溫的情況下，溫度差受水溫影響更大。

由上述分析可知：當(dāng)水溫接近室溫時(shí)，F(xiàn)BG可以產(chǎn)生反應(yīng)，識(shí)別溫度差異，對(duì)滲漏進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)水溫遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度時(shí)，F(xiàn)BG可以在較短時(shí)間內(nèi)迅速對(duì)溫度的變化產(chǎn)生反應(yīng)，從而有效地對(duì)滲漏進(jìn)行預(yù)警；從50.00 ℃至室溫的不同溫度下FBG傳感器都可識(shí)別溫度差的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)滲漏風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)預(yù)警。因此，本方法更適用于監(jiān)測(cè)滲漏液體溫度遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度的情況。

3.4 有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

圖9所示為試驗(yàn)3有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖9 有風(fēng)環(huán)境監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知：在試驗(yàn)開(kāi)始階段干溫度計(jì)示數(shù)呈上升趨勢(shì)，濕溫度計(jì)示數(shù)呈下降趨勢(shì)；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，干溫度計(jì)示數(shù)出現(xiàn)小幅下降，濕溫度計(jì)示數(shù)小幅上升，隨后二者均趨于穩(wěn)定；干、濕溫度計(jì)示數(shù)差呈現(xiàn)出與干溫度計(jì)示數(shù)相同的變化趨勢(shì)。在試驗(yàn)開(kāi)始階段，由于干溫度計(jì)周?chē)諝馀c風(fēng)扇吹出的風(fēng)相互摩擦，使空氣分子動(dòng)能加強(qiáng)，干溫度計(jì)示數(shù)出現(xiàn)上升現(xiàn)象；同時(shí)在高風(fēng)速影響下，濕溫度計(jì)處的滲漏水分蒸發(fā)作用加強(qiáng)，周?chē)諝獗粠ё吒酂崃?，使?jié)駵囟扔?jì)示數(shù)快速下降；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，高溫區(qū)域?qū)崃繉?duì)流給低溫區(qū)域，高風(fēng)速擾動(dòng)的空氣造成的影響被周?chē)諝饩徍?，干溫度?jì)示數(shù)出現(xiàn)小幅下降，濕溫度計(jì)示數(shù)出現(xiàn)小幅上升，最終趨于穩(wěn)定，溫度差也在出現(xiàn)小幅下降后趨于穩(wěn)定，約2.28 ℃，比同條件下風(fēng)速為0 m/s的試驗(yàn)1的穩(wěn)定溫差提高約0.47 ℃。試驗(yàn)3中的平均風(fēng)速為1.3 m/s，可見(jiàn)風(fēng)速的增加對(duì)穩(wěn)定溫差的提高有積極作用。由圖9還可知，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至約300 s時(shí)溫差達(dá)0.97 ℃，遠(yuǎn)大于FBG溫度計(jì)的精度，通過(guò)FBG傳感器監(jiān)測(cè)得到滲漏造成的明顯溫差變化可作為判定機(jī)械連接部件出現(xiàn)滲漏的依據(jù)。

4 結(jié) 論

針對(duì)大型密閉輸送系統(tǒng)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種機(jī)械連接結(jié)構(gòu)微滲漏監(jiān)測(cè)方法。為了探究不同因素對(duì)監(jiān)測(cè)效果的影響，設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列室內(nèi)試驗(yàn)，表1所示為試驗(yàn)得到的參數(shù)，對(duì)比分析得到如下結(jié)論：

表1 試驗(yàn)滲漏監(jiān)測(cè)結(jié)果參數(shù)

(1) 當(dāng)滲漏水體溫度為室溫時(shí)，利用本方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)得到的溫差可達(dá)1.81 ℃，說(shuō)明此方法可用于機(jī)械管道微滲漏監(jiān)測(cè)。

(2) 當(dāng)滲漏水體溫度高于氣溫時(shí)，F(xiàn)BG傳感器反應(yīng)更加迅速。對(duì)于50 ℃水體滲漏監(jiān)測(cè)，本裝置能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)到平均22.83 ℃的溫差，有效預(yù)警機(jī)械管道中發(fā)生的微滲漏，同理此法也適用于水體溫度遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度的微滲漏監(jiān)測(cè)。

(3) 高風(fēng)速能夠加快滲漏水分蒸發(fā)，帶走更多熱量，縮短監(jiān)測(cè)裝置響應(yīng)時(shí)間。在1.3 m/s風(fēng)速條件下監(jiān)測(cè)室溫水的穩(wěn)定溫差增加0.47 ℃。因此，此方法也適用于有風(fēng)環(huán)境下的機(jī)械管道微滲漏監(jiān)測(cè)。

本方法對(duì)報(bào)警閾值的取值較為保守，在實(shí)際應(yīng)用中還可通過(guò)調(diào)整閾值大小控制預(yù)警響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行參數(shù)修正，以實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測(cè)效果。今后可結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)對(duì)本方法進(jìn)行改進(jìn)，利用分布式光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)相關(guān)因素對(duì)本方法的影響進(jìn)行定量研究，使本方法可更好地適應(yīng)各種工況，以便更快、更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)處存在的微滲漏風(fēng)險(xiǎn)的分布式監(jiān)測(cè)。