用于高溫壓力管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)的光纖光柵應(yīng)變片技術(shù)研究.pdf

1、高溫壓力管道在化工、石油企業(yè)和發(fā)電廠得到了廣泛應(yīng)用,但不時(shí)發(fā)生的爆管惡性事故,對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失。大量研究數(shù)據(jù)表明,只要對(duì)高溫壓力管道表面的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),就可以有效避免失效管道爆管事故的發(fā)生。為此,在研究管道應(yīng)力應(yīng)變分布的基礎(chǔ)上,研究一應(yīng)變監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)控其應(yīng)變狀態(tài),及時(shí)對(duì)管道爆管作出預(yù)警,提醒企業(yè)及時(shí)更換管道,對(duì)管道安全運(yùn)行有著十分重要的意義。
　　本文在管道熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,利用有限元法對(duì)高溫管道

2、工況運(yùn)行下典型部位進(jìn)行應(yīng)力分布及應(yīng)變狀況的分析。分析結(jié)果表明直管段的應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域?yàn)槠渫獗砻?彎管道的應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域是其內(nèi)弧區(qū);三通管段的應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域是接頭外部面。
　　在應(yīng)力應(yīng)變分析基礎(chǔ)上,本文利用特種光纖布拉格光柵的應(yīng)變傳感特性及耐高溫特性將其作為傳感元件,設(shè)計(jì)了H型和T型兩種二維耐高溫光纖光柵應(yīng)變片,一種一維H型耐高溫光纖光柵應(yīng)變片和菱形應(yīng)變 FBG傳感器(委托其他公司加工),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高溫壓力管道的表面應(yīng)變,為高

3、溫壓力管道壽命預(yù)測(cè)模型提供實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。主要研究工作包括光纖布拉格光柵的溫度應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題、光纖布拉格光柵的橫向效應(yīng)、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、材料選取、應(yīng)變傳遞性能和粘結(jié)技術(shù)的研究。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)四種耐高溫光纖光柵應(yīng)變結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行了測(cè)定,給出測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行分析。
　　測(cè)試結(jié)果表明:兩種二維耐高溫光纖光柵應(yīng)變片具有溫度補(bǔ)償、二維測(cè)量等功能,且其適應(yīng)溫度范圍為0~300℃。另外,應(yīng)變方面,“H”型二維應(yīng)變片的

4、遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為0.71％、0.78%、0.01%和1.36%;溫度方面“H”型二維應(yīng)變片的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為0.32%、0.96%、0.36%和1.83%;壓應(yīng)變靈敏系數(shù)為1.051pm/με,拉應(yīng)變靈敏系數(shù)為0.5401pm/με,溫度靈敏系數(shù)為0.02521nm/℃;應(yīng)變分辨率和溫度分辨率分別為9με和0.4℃。應(yīng)變方面,“T”型二維應(yīng)變片的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性

5、誤差和綜合誤差分別為0.31%、0.59%、0.87%和0.68%;溫度方面“T”型二維應(yīng)變片的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為0.22%、0.21%、0.24%和0.37%;拉應(yīng)變靈敏系數(shù)為1.051pm/με,壓應(yīng)變靈敏系數(shù)為1.04pm/με,溫度靈敏系數(shù)為0.0213nm/℃;應(yīng)變分辨率和溫度分辨率分別為9με和0.5℃。一維耐高溫光纖光柵應(yīng)變片的拉應(yīng)變靈敏系數(shù)為0.9000pm/με,壓應(yīng)變靈敏系數(shù)為0.879

6、6pm/με,其應(yīng)變方面的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為1.7%、1.3%、0.05%和2.14%;溫度靈敏系數(shù)為0.0223nm/℃,其溫度方面的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為0.72%、1.5%、2.0%和2.6%;應(yīng)變分辨率和溫度分辨率分別為11με和0.45℃。菱形應(yīng)變FBG傳感器的溫度靈敏系數(shù)為0.0128nm/℃,其溫度方面的遲滯誤差、重復(fù)性誤差、非線性誤差和綜合誤差分別為0.94%、0.