用于承压构件的在线光纤监测技术研究

肖 飚 姚建平 王海涛 丁建勋

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院 2.华东理工大学）

0 引言

随着压力管道的大量使用，管道泄漏现象日益增加。泄漏不仅造成了环境污染，也是一种巨大的经济浪费。因此国内外对管道的泄漏检测已经开展了大量工作。压力管道的泄漏是非常普遍的现象，导致管道泄漏的原因非常复杂，如输送介质的多样性，管道所处地理环境的多样性 （埋地、海洋）等。此外，泄漏形式也是多样性的 （渗漏、穿孔、断裂）。现阶段用于管道检漏的方法主要有负压波法、压力降检测法、化学法、流量平衡法等。这些方法有下述一些不足之处：

（1）检测距离不够；

（2）定位精度低；

（3）微小泄漏检测灵敏度低；

（4）误报率高[1-4]。

采用分布式光纤法可对长距离管道健康状况进行长期监测，并能够对小泄漏情况进行准确预报。

国内外大量的研究表明，光纤监测技术在监测过程中受温度变化的影响比较大，同时当被监测设备发生弯曲变形时，光纤监测也将受到影响。在化工、石油、电力、储罐区等生产装置中，大量设备、管道温度都在300～500℃范围间，因此在这些设备的管道上使用光纤监测时，应该考虑温度变化对监测的干扰作用。

1 分布式光纤法的技术特点及其应用

光纤传感器已经大量用于土木[5]、化工、水利等工程领域。在使用过程中，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀和灵敏度高等优点。但是光纤传感器作为监测管道泄漏的一种技术，还存在一些不足，主要体现在定位精度不高、光纤分布方式对监测的影响较大等方面。由于分布式光纤传感系统光纤布放方式以及信号处理方式对管道泄漏监测影响较大，因此国内外已经开始对这些问题进行大量的研究。

国外在应用光纤对温度的在线监测方面，美国洛马航空公司的Lisa等验证了EFPI光纤传感器能够应用于低温环境下的监测，在-210～370℃温度范围内它能够正常工作。日本东京大学的Takeda等在液氮 (-170℃)储罐表面粘贴了FBG传感器，证实了传感器能够在液氮的温度下正常使用，这就为FBG在低温承压设备上的使用打下了基础。比利时根特大学的Waele等把FBG传感器埋入复合材料压力容器中，跟踪载荷循环变化，监测容器变形情况，得到了较好的结果。此外，还将FBG传感器的监测结果和应变片、声发射的监测结果作了深入的分析比较，证明FBG传感器的监测结果与其他两者均符合得很好。

在损伤监测方面，美国Acellent公司的研究人员使用SMART Layer条带对缠绕式压力容器进行了损伤监测。试验表明，容器有损伤后，传感器测量到的诊断波信号振幅变小，因此通过传感器网络获取信息就能够确定出损伤的位置。瑞士SMARTEC的研究人员在压缩气体气瓶上布置了6个SMARTape传感器，验证了压力和传感器测得的应变值成正比，因此通过传感器获得的信息能够判断损伤的类型、大小和深度。美国的Ortyl将由双轴FBG传感器获取的信息输入到光学成像软件中，得到了复合材料压力容器上损伤的位置。

在国内，浙江大学的张恩勇、金伟良、宋牟平等对海底管道的泄漏破坏和结构完整性[6]进行了监测试验研究。西南交通大学的茶国智 （2006）设计了一种分布式光纤管道形变传感器，它仅用一根光纤通过自缠绞形成微弯，完成对形变的传感功能。此外，还采用OTDR技术实现了分布式检测。把光纤光栅与石油类碳氢化合物相容性好的三元乙丙橡胶 （EPDA）固定在一起。当橡胶遇油膨胀时，通过监测装置改变光纤光栅轴向应力来改变光纤光栅反射波长，最终通过检测光栅反射波长的漂移量来确定是否有漏油情况[7]。

2 试验系统简介

试验所用系统为MOI公司租赁提供的Sm125光纤光栅解调仪一台，所用传感器为自己加工的光纤光栅传感器。数据采集系统的设备配置如表1所示，拉伸试验系统的设备配置如表2所示。

表1 应变信号采集系统设备

表2 拉伸试验系统设备

2.1 Sm125-500数据采集仪的特点和性能指标

Sm125-500数据采集仪,主要进行静态传感测量、现场传感器故障检测等。

其主要特点为：

（1）该设备具有静态传感测量功能，是专为测量应力、温度和压力等参数而设计的。采样频率有1 Hz、 2 Hz或 5 Hz。

（2）便携性好，质量为2 kg，非常轻，适用于现场携带使用。

（3）可以检测光纤光栅的全反射谱，因此该仪器可以检测所安装的传感器的质量好坏，利于工程测量。

（4）可多通道同步测量，每通道80 nm带宽 。

（5）系统拥有自校准功能，每次测量后利用乙炔气体吸收光谱和标准器具自动校准，具有极高的稳定性，精度为1 pm。

（6）50 dB动态范围 （可监测80 km）。数据采集系统如图1～图4所示。

2.2 试验过程及结果分析

试验平台包括下述几个部分。

（1）采集系统：MOI公司产的光纤传感器以及数据采集系统。

图1 传感器与仪器

图2 连接线与传感器

图3 采集仪端接口

图4 数据采集系统

（2）试验系统：长春试验机研究所产的电子蠕变疲劳试验机。

（3）测试试样：Q235蠕变拉伸试样。

试验工况一：将拉伸试样放在加热炉内，不加拉伸载荷，温度从30℃升至400℃。在此过程中进行温度测量，以试验机上配置的热电偶测量的温度数据为基准数据，测试光纤传感器的温度测量是否稳定。

试验工况二：将工况一的温度降至常温后，再对工况一做完的试样进行加载，逐渐升温至100℃并进行保温。在升温过程和保温过程中进行温度和应变测量，测试光纤传感器的温度、应变测量是否稳定。

试验工况三：在加载的情况下，将温度从常温升至120℃并保温，进行温度和应变测量。随后升温至200℃并保温。在升温过程和保温过程中进行温度和应变测量，测试光纤传感器的温度、应变测量是否稳定。

3 试验结果

利用该试验系统进行试验，试验工况及结果如表3所示。

表3 试验工况及结果

通过以上试验，我们可以得到以下结论：

(1)在30～100℃范围内，光纤传感器的测量稳定性较好。

(2)在100℃以上，光纤光栅传感器的测量值不准确，如何保证其在线测量结果的可靠性，还需要进行大量的工作。

(3)对光纤光栅传感器展开的试验表明，在220℃下其波峰偏移量开始衰减。

4 结论

通过以上试验证明，要将光纤传感器直接用于现场高温管道或者高温设备上进行泄漏、温度测量，仍然存在以下要做的工作：

（1）对于长距离管道和超大型设备，基于现阶段光纤传感器的布置方式，应研究如何合理地布置数量合适的传感器，进行有效监测，既保证监测的可靠性，又保证方案的经济型。

（2）试验室将光纤传感器用点焊的方式安放在拉伸试样上，在承压管道或设备上是否可用该方式，点焊的方式是否会造成设备本体损伤，这些都需要进一步研究。

（3）在化工、炼油行业，工况温度在300～500℃区间较多，鉴于本次试验结果，考虑采用FBG传感器代替光纤光栅传感器进行下一阶段的工作。

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