CN101793573A - 压力管道的fbg在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力管道的在线监测技术，具体涉及一种压力管道的光纤Bragg光栅在线监测技术。属光电子测量技术领域。本方法是将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。本发明的方法简便易行，可同时实现对压力管道的环向和轴向的压应力、以及温度的在线监测。

Description

压力管道的FBG在线监测方法

技术领域

本发明涉及一种压力管道的在线监测技术，具体涉及一种压力管道的光纤Bragg光栅在线监测技术。属光电子测量技术领域。

背景技术

《特种设备安全监察条例》(国务院令第373号)中定义压力管道是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa(表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质、且公称直径大于25mm的管道。压力管道作为一种特殊设备，其安全性越来越受到关注，作为压力管道安全运行的重要参量，管道压力和温度沿管线变化的实时在线监测就显得至关重要。

与本发明最接近的文献是《长输管道应力应变自动化监测系统研究》(马延霞、陈浩，《石油机械》2008，VOL.36，No.4)。该文采用电阻应变片采集管道在某一测点的三向应力状态，属于一种相对测量方式，无法实现对管道压力与温度的长期在线监测。另外一篇与本发明专利相近的文献是《分布式FBG传感器在管道检测中的应用》(李靖、刘微，《石家庄铁路职业技术学院学报》，2008(3)，VOL.7，No.1)。该文设计了一种用于检测管道泄露的分布式FBG传感器，但并未提及实现对管道的压力和温度的在线监测。

发明内容

本发明的目的在于解决提供一种压力管道的FBG在线监测方法，可同时实现对压力管道的环向和轴向的压应力、以及温度的在线监测。

实现本发明上述的目采取的技术方案是：将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。

管道在受内压作用下，其沿管线环向和轴向将产生压应力，通过粘贴在管道上的环向和轴向光纤Bragg光栅，可将管道环向和轴向上的线应变转换成光纤Bragg光栅的中心波长移位，两光纤Bragg光栅分别通过光纤与信号处理装置连接，可得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，实现波长与管道压力以及温度的对应关系。

根据厚壁圆筒中的应力分布，当管道受到内压P作用时，管道外壁沿管线环向应力σ_θ和轴向应力σ_z可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=P\left(\frac{2}{K^2-1}\right)+\frac{\mathrm{E\α\ΔT}}{2(1-v)}(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\\ {\mathrm{\σ}}_z=P\left(\frac{1}{K^2-1}\right)+\frac{\mathrm{E\α\ΔT}}{2(1-v)}(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，

为外径跟内径的比值；E为管材的Young’s模量；v为泊松比；α为平均热膨胀系数；ΔT为内外壁温差；

根据广义Hooke定理：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-v{\mathrm{\σ}}_z)---\left(2\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_z-v{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})$

把式(1)代入式(2)，则出管道外壁沿管线环向应变ε_θ和轴向应变ε_z可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{2-v}{E}\frac{P}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\frac{\mathrm{\α\ΔT}}{2}\\ {\mathrm{\ϵ}}_z=\frac{1-2v}{E}\frac{P}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\frac{\mathrm{\α\ΔT}}{2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

Δλ_B＝λ_B(1-p_e)ε(4)

式中，λ_B为光纤Bragg光栅中心波长，Δλ_B为波长移位量，p_e为有效弹-光系数，ε为沿光纤轴向的应变，将两支中心波长为

和

的光栅沿管线环向和轴向粘贴在管道外壁，式(3)分别代入式(4)，则管道沿管线环向和轴向受压跟光纤Bragg光栅波长移位的关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_1}={\mathrm{\λ}}_{B_1}(1-p_e)[\frac{2-v}{E}\frac{P}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\frac{\mathrm{\α\ΔT}}{2}\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_2}={\mathrm{\λ}}_{B_2}(1-p_e)[\frac{1-2v}{E}\frac{P}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\frac{\mathrm{\α\ΔT}}{2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

通过求解方程组(5)，则管道受内压P以及内外壁温差ΔT与光纤Bragg光栅波长移位的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{E(K^2-1)}{(1-p_e)(1+v){\mathrm{\λ}}_{B_1}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_1}-\frac{E(K^2-1)}{(1-p_e)(1+v){\mathrm{\λ}}_{B_2}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_2}\\ \mathrm{\ΔT}=\frac{2(2-v)}{\mathrm{\α}(1-p_e)(1+v)(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1}){\mathrm{\λ}}_{B_2}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_2}-\frac{2(1-2v)}{\mathrm{\α}(1-p_e)(1+v)(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1}){\mathrm{\λ}}_{B_1}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_1}\end{array}\right.---\left(6\right)$

本发明的有益效果是：

实现了压力管道的压力和温度的在线监测。本发明直接将光纤Bragg光栅沿管线环向和轴向粘贴在管道外壁上，压力管道受内压情况下沿管线环向和轴向的压应力转换成对光纤Bragg光栅的中心波长移位，并根据粘贴在环向和轴向的光栅对管道压力和温度响应的差异性来实现管道压力和温度情况的在线监测。

附图说明

图1为本发明的传感器布置及受力分析图。

图中：管道1、输入输出光纤2和5、光纤Bragg光栅3和4、信号处理装置6。

具体实施方式

参见图1，将两光纤Bragg光栅3和4分别沿管道1的环向和轴向粘贴在管道1外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤2和5将两光纤Bragg光栅3和4与信号处理装置6连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测，具体选择参数如下：

1.压力管道：选用奥氏体不锈钢(至Cr25Ni20)无缝钢管；

2.压力管道材料相关参数：公称直径DN50(φ60.3×5.6)，外径与内径比值K＝1.23；Young’s模量为E＝195GPa；泊松比v＝0.3；20℃和100℃之间奥氏体不锈钢的平均线膨胀系数α＝16.84×10^-6mm/(mm℃)；

3.光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长

有效弹-光系数p_e＝0.22；

4.按图1配置实验；

5.用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；

6.将已知量代入式(6)，管道压力和温差与沿管线轴向和环向粘贴在管道外壁的光纤Bragg光栅的中心波长移位的关系为：

$P=0.0638\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_1}-0.0636\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_2}$

$\mathrm{\ΔT}=0.138\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_2}-0.0325\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B_1}$ 。

Claims (1)

1.一种压力管道的FBG在线监测方法，其特征是：将两光纤Bragg光栅分别沿管道的环向和轴向粘贴在管道外壁上，两光纤Bragg光栅成垂直布置，再分别通过输入输出光纤将两光纤Bragg光栅与信号处理装置连接，利用解调仪得到的光纤Bragg光栅中心波长的移位值，将管道压力和温度值反算出来，从而对管道压力以及温度在线监测。

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