用于高温压力管道应变监测的光纤光栅应变片技术研究

摘要

高温压力管道在化工、石油企业和发电厂得到了广泛应用,但不时发生的爆管恶性事故,对人们的生命和财产安全造成了重大损失。大量研究数据表明,只要对高温压力管道表面的应变状态进行在线监测,就可以有效避免失效管道爆管事故的发生。为此,在研究管道应力应变分布的基础上,研究一应变监测装置,实时监控其应变状态,及时对管道爆管作出预警,提醒企业及时更换管道,对管道安全运行有着十分重要的意义。
　　本文在管道热力学理论的基础上,利用有限元法对高温管道工况运行下典型部位进行应力分布及应变状况的分析。分析结果表明直管段的应力应变集中区域为其外表面;弯管道的应力应变集中区域是其内弧区;三通管段的应力应变集中区域是接头外部面。
　　在应力应变分析基础上,本文利用特种光纤布拉格光栅的应变传感特性及耐高温特性将其作为传感元件,设计了H型和T型两种二维耐高温光纤光栅应变片,一种一维H型耐高温光纤光栅应变片和菱形应变 FBG传感器(委托其他公司加工),用于实时监测高温压力管道的表面应变,为高温压力管道寿命预测模型提供实时的实验数据。主要研究工作包括光纤布拉格光栅的温度应变交叉敏感问题、光纤布拉格光栅的横向效应、应变片的结构设计原理、材料选取、应变传递性能和粘结技术的研究。最后设计实验系统,搭建实验平台对四种耐高温光纤光栅应变结构的相关性能进行了测定,给出测量结果并进行分析。
　　测试结果表明:两种二维耐高温光纤光栅应变片具有温度补偿、二维测量等功能,且其适应温度范围为0~300℃。另外,应变方面,“H”型二维应变片的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.71％、0.78%、0.01%和1.36%;温度方面“H”型二维应变片的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.32%、0.96%、0.36%和1.83%;压应变灵敏系数为1.051pm/με,拉应变灵敏系数为0.5401pm/με,温度灵敏系数为0.02521nm/℃;应变分辨率和温度分辨率分别为9με和0.4℃。应变方面,“T”型二维应变片的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.31%、0.59%、0.87%和0.68%;温度方面“T”型二维应变片的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.22%、0.21%、0.24%和0.37%;拉应变灵敏系数为1.051pm/με,压应变灵敏系数为1.04pm/με,温度灵敏系数为0.0213nm/℃;应变分辨率和温度分辨率分别为9με和0.5℃。一维耐高温光纤光栅应变片的拉应变灵敏系数为0.9000pm/με,压应变灵敏系数为0.8796pm/με,其应变方面的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为1.7%、1.3%、0.05%和2.14%;温度灵敏系数为0.0223nm/℃,其温度方面的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.72%、1.5%、2.0%和2.6%;应变分辨率和温度分辨率分别为11με和0.45℃。菱形应变FBG传感器的温度灵敏系数为0.0128nm/℃,其温度方面的迟滞误差、重复性误差、非线性误差和综合误差分别为0.94%、0.52%、0.23%和1.10%。

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附表清单

1. 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 耐高温光纤光栅应变片的关键技术

1.3 主要研究内容及论文安排

2 高温压力管道的寿命预测

2.1 高温压力管道寿命预测的各种模型及评价

2.2 在线监测系统的发展状况

2.3 本章小结

3 基于高温压力管道热力学理论的有限元分析

3.1 管道压力管道热应力的基础和理论分析

3.2高温压力管道应力应变的有限元分析

3.3本章小结

4 耐高温光纤光栅应变片技术研究

4.1 光纤光栅传感技术

4.2 耐高温光纤光栅应变片

4.3 本章小结

5 应变片的实验测试及性能分析

5.1系统实验平台设计及搭建

5.2 “H”型二维耐高温光纤光栅应变片的综合性能分析

5.3 “T”型二维耐高温光纤光栅应变片的综合性能分析

6 总结与展望

6.1 研究与总结

6.2 展望

参考文献

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