CN102706544A

CN102706544A - 一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法及监测装置

Info

Publication number: CN102706544A
Application number: CN2012100865483A
Authority: CN
Inventors: 肖嵘; 季献武; 杨凌辉; 李宏男; 任亮
Original assignee: Dalian University of Technology; Shanghai Municipal Electric Power Co; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Current assignee: Dalian University of Technology; State Grid Corp of China SGCC; Shanghai Municipal Electric Power Co; East China Power Test and Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法及监测装置，属检测领域。其采用增敏监测装置对光纤光栅进行增敏，将敏监测装置发生的应变视为法兰发生的应变，通过解调仪器检测光纤光栅的栅区部分产生的应变，得到法兰上该处的应变，以此来监测法兰螺栓松动产生的微小变形，进而实现法兰螺栓松动的无损检测。其较普通的光纤光栅传感器具有更高的灵敏度，灵敏度可调，便于适应实际工程的需求；监测装置的主体部分便于拆卸和更换，对原结构影响很小，便于推广应用。可广泛用于法兰连接结构的螺栓松动监测领域。

Description

一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法及监测装置

技术领域

本发明属于检测领域，尤其涉及一种用于对法兰螺栓连接状态进行监测的方法及装置。

背景技术

“法兰螺栓连接”是压力容器、高耸结构(如输电塔、电视塔)构件的主要连接方式。

由于其连接螺栓-螺母在结构上无自锁或锁死结构，故在采用螺栓连接的连接固定处，在长期的荷载作用下，螺栓会出现松动现象，如未及时发现，会造成法兰节点损伤的扩展，进而使结构发生破坏。

过去曾采用过用“双螺母自锁紧”的方式试图阻止连接螺栓的松动问题，但是由于作业方法、实施成本或适用场合等方面的原因，一直未能完全解决法兰连接螺栓的松动问题。

因此，对法兰螺栓连接进行有效监测，及时发现法兰连接螺栓是否发生松动，对保障结构安全有着重要的现实意义。

公开日为2011年9月27日，公开号为CN 102170392A的中国发明专利申请中公开了“一种核主泵用螺栓松动监测装置及其监测方法”，其通过旋转螺栓组松动监测装置和静止螺栓组松动监测装置中分别设置对应的第一CCD数字相机和第二CCD数字相机，并结合含有图像识别模块和预警系统的计算机，逐个计算出每个进行唯一性标示的螺栓的刻度线和对应的被固定的部件的刻度线之间的距离，根据该距离的跨度来进行不同的预警处理。

很明显，上述技术方案虽然简洁有效，但只适合于某些个别的重要设备和关键位置，且实施成本较高，对于广泛采用和大面积推广实施，具有一定的难度。

光纤光栅是近几年发展迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着重要作用。

以光纤光栅为传感元件研制的传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等特点，广泛用于应变、温度等物理量的测量。

目前已有研究将光纤光栅传感器直接安装于法兰连接的位置，利用光纤光栅传感器检测螺栓松动造成的法兰连接处的应变变化，据此来判定螺栓是否发生松动。

但在实际工程中，螺栓松动所引起的法兰连接位置的应变变化极小，采用普通的光纤光栅传感器无法有效地监测螺栓连接变化状况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法及监测装置，其充分利用光纤光栅传感元件的自身特点，较普通的光纤光栅传感器具有更高的灵敏度，能够有效监测法兰螺栓松动产生的微小变形，是一种高灵敏度的法兰螺栓松动无损检测方法，其灵敏度可调，便于适应实际工程的需求；其监测装置的主体部分便于拆卸和更换，对原结构影响很小，便于推广应用。

本发明的技术方案是：提供一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征所述的监测方法至少包括下列步骤：

A、在法兰两侧对应设置两个固定支座；

B、设置一保护钢管，将光纤光栅穿入保护钢管中，使光纤光栅的栅区部分位于保护钢管内，且不与保护钢管直接接触；

C、设置两个夹持部件；

D、使用环氧树脂胶，将保护钢管两侧光纤光栅的光纤部分与两个夹持部件分别对应粘接为一体，并使环氧树脂固化；

E、将两个夹持部件分别对应固定在法兰两侧的两个固定支座上；

F、采用上述结构来构成增敏监测装置，对光纤光栅进行增敏；

G、将增敏监测装置发生的应变ε视为法兰发生的应变；

H、通过解调仪器检测光纤光栅的栅区部分产生的应变ε_f；

I、根据光纤光栅栅区部分的应变ε_f＝增敏监测装置的应变ε×增敏系数K的对应关系，得到法兰上该处的应变；

J、通过采用上述结构和方法，实现对法兰螺栓松动情况进行增敏测量和监测。

进一步的，上述的监测方法通过对光纤光栅进行增敏和测量，来监测法兰螺栓松动产生的微小变形，进而实现法兰螺栓松动的无损检测。

具体的，上述的增敏系数采用如下方式确定：

K = \frac{L}{2 \frac{E_{f} A_{f}}{E_{s} A_{s}} L_{s} + L_{f}}

其中，K为增敏系数，L为两个固定支座之间的距离，L_f为保护钢管的长度，Ls为单个夹持部件的长度，E_S为构成保护钢管和夹持部件钢材的弹性模量、E_F为光纤的弹性模量，A_S为夹持部件的截面面积、A_F为光纤的截面面积。

进一步的，所述保护钢管的长度等于两个夹持部件相对端之间的距离；保护钢管及两个夹持部件的长度之和，等于法兰两侧对应的两个固定支座外侧端之间的距离。

更进一步的，所述的监测方法通过增加或减少保护钢管的轴向长度来调节该装置的灵敏度。

本发明还提供了一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，包括刻有光栅栅区的光纤，其特征：在法兰两侧对应设置两个固定支座；在光纤光栅的栅区部分设置一保护管；在保护管两端分别设置一夹持部件；所述的两个夹持部件分别与保护管两端的光纤对应固接为一体；所述的两个夹持部件分别与法兰两侧的固定支座固接。

其所述的保护管和夹持部件为钢管。

其所述的两个夹持部件经环氧树脂与保护管两端的光纤分别对应固接为一体。

具体的，所述保护管的长度等于两个夹持部件相对端之间的距离。

所述保护管及两个夹持部件的轴向长度之和，等于法兰两侧对应的两个固定支座外侧端之间的距离。

所述的两个夹持部件经紧固件与法兰两侧的固定支座分别固接。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.采用对光纤光栅增敏的方式，实现了高灵敏度的法兰螺栓松动无损检测；

2.可以根据螺栓松动所引起法兰应变的理论计算值，改变监测装置的灵敏度系数，以适应实际工程的需求；

3.监测装置安装工艺简单，造价低廉，且具备光纤光栅传感元件灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等优点；监测装置的主体部分便于拆卸和更换，对原结构影响很小，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明的监测方法步骤方框示意图；

图2是本发明监测装置的结构示意图。

图中1为法兰，2为螺栓，3为刻有光栅的光纤，4为保护钢管，5为夹持部件，6为固定支座，L为两个固定支座之间的距离，L_f为保护钢管的长度(即两个夹持部件之间的距离)，Ls为两个夹持部件的长度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，本技术方案的监测方法至少包括下列步骤：

A、在法兰两侧对应设置两个固定支座；

C、设置两个夹持部件；

G、将增敏监测装置发生的应变ε视为法兰发生的应变；

H、通过解调仪器检测光纤光栅的栅区部分产生的应变ε_f；

本技术方案采用上述的监测方法通过对光纤光栅进行增敏和测量，来监测法兰螺栓松动产生的微小变形，进而实现法兰螺栓松动的无损检测。

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格(Bragg)条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor)属于光纤传感器的一种，是一种波长调制型光纤传感器。

具体的，上述的增敏系数采用如下方式确定：

K = \frac{L}{2 \frac{E_{f} A_{f}}{E_{s} A_{s}} L_{s} + L_{f}}

图2中，本技术方案的监测装置，包括刻有光栅栅区的光纤3，在法兰1两侧对应设置有两个固定支座6，在光纤光栅栅区部分的外部设置有一保护管4，在保护管两端分别设置有一夹持部件5，两个夹持部件分别与法兰两侧的固定支座固接。

保护管和夹持部件为钢管。

两个夹持部件经环氧树脂与保护管两端的光纤分别对应固接为一体。

两个夹持部件经紧固件与法兰两侧的固定支座分别固接。

由图可知，保护管的长度L_f等于两个夹持部件相对端之间的距离。

保护管及两个夹持部件的轴向长度之和L_f+L_s，等于法兰两侧对应的两个固定支座外侧端之间的距离L。

本发明技术方案的原理简述：

设两个固定支座之间的距离为L，保护钢管的长度(即两个夹持部件之间的距离)为L_f，两个夹持部件的长度均为Ls。

假设螺栓松动使该监测装置位置的法兰盘产生ΔL的变形，相应的夹持部件和光纤光栅的变形分别为ΔLs和ΔL_f(保护钢管不发生变形)，变形引起的该装置的内力为F。

忽略夹持部件和光纤之间粘接剂的影响，由材料力学基本原理可知

ϵ_{s} = \frac{F L_{s}}{E_{s} A_{s}} - - - (1)

ϵ_{f} = \frac{F L_{f}}{E_{f} A_{f}} - - - (2)

ϵ = \frac{ΔL}{L} - - - (3)

ΔL＝2ΔL_s+ΔL_f＝2ε_sL_s+ε_fL_f (4)

式中，ε、ε_s、ε_f分别为整个监测装置、夹持部件、光纤光栅栅区部分的应变，E_s、E_f分别为钢材和光纤的弹性模量，A_s、A_f分别为夹持部件和光纤的截面面积(由于A_f＜＜A_s，忽略夹持部件内光纤部分的截面面积)。将式(4)带入式(3)，并联立式(1)(2)消去F，可得：

ϵ = \frac{ΔL}{L} = \frac{2 ϵ_{s} L_{s} + ϵ_{f} L_{f}}{L} = \frac{2 \frac{E_{f} A_{f}}{E_{s} A_{s}} ϵ_{f} L_{s} + ϵ_{f} L_{f}}{L} - - - (5)

将式(5)变形，得

ϵ_{f} = \frac{L}{2 \frac{E_{f} A_{f}}{E_{s} A_{s}} L_{s} + L_{f}} ϵ = Kϵ - - - (6)

其中，

即为该监测装置的增敏系数。

实际工程中，由于E_fA_f＜＜E_sA_s，故可以通过减小L_f来提高该装置的灵敏度。

监测装置的具体制作方法是，首先将光纤光栅3穿入保护钢管4，使栅区部分位于保护钢管4内，且不与保护钢管4直接接触，使用环氧树脂胶将夹持部件5粘接在保护钢管4两侧的光纤部分并使环氧树脂固化，将固定支座6焊接在法兰1两侧，最后将夹持部件5以螺栓连接的方式安装在固定支座6上。

当法兰上的螺栓松动后，使监测装置和光纤光栅栅区部分产生的应变分别为ε和ε_f。如前所述，ε和ε_f的关系为ε_f＝Kε。由于ε_f可以通过解调仪器直接测得，即可由该公式计算得到法兰上该处的应变值ε。

即，对于螺栓松动所引起的法兰上该装置位置的应变ε，实际监测值ε_f将ε放大了K倍，从而实现增敏测量。

对于实际工程中不同的结构，可以通过改变保护钢管的长度值L_f，调整合适的监测装置灵敏度系数。

本技术方案所公开的基于光纤光栅的增敏型法兰螺栓松动监测装置，其安装工艺简单，造价低廉，且具备光纤光栅传感元件灵敏度高、体积小、抗电磁辐射等优点；可以根据螺栓松动所引起法兰应变的理论计算值，改变监测装置的灵敏度系数，以适应实际工程的需求；监测装置的主体部分便于拆卸和更换，对原结构影响很小，是一种高灵敏度的法兰螺栓松动无损检测装置。

本发明可广泛用于法兰连接结构的螺栓松动监测领域。

Claims

1.一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征所述的监测方法至少包括下列步骤：

A、在法兰两侧对应设置两个固定支座；

C、设置两个夹持部件；

G、将增敏监测装置发生的应变ε视为法兰发生的应变；

H、通过解调仪器检测光纤光栅的栅区部分产生的应变ε_f；

2.按照权利要求1所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征是所述的监测方法通过对光纤光栅进行增敏和测量，来监测法兰螺栓松动产生的微小变形，进而实现法兰螺栓松动的无损检测。

3.按照权利要求1所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征是所述的增敏系数采用如下方式确定：

K = \frac{L}{2 \frac{E_{f} A_{f}}{E_{s} A_{s}} L_{s} + L_{f}}

其中，K为增敏系数，L为两个固定支座之间的距离，L_f为保护钢管的长度，L_s为单个夹持部件的长度，E_S为构成保护钢管和夹持部件钢材的弹性模量、E_F为光纤的弹性模量，A_S为夹持部件的截面面积、A_F为光纤的截面面积。

4.按照权利要求1所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征是所述保护钢管的长度等于两个夹持部件相对端之间的距离；保护钢管及两个夹持部件的长度之和，等于法兰两侧对应的两个固定支座外侧端之间的距离。

5.按照权利要求1所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测方法，其特征是所述的监测方法通过增加或减少保护钢管的轴向长度来调节该装置的灵敏度。

6.一种增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，包括刻有光栅栅区的光纤，其特征：

在法兰两侧对应设置两个固定支座；

在光纤光栅的栅区部分设置一保护管；

在保护管两端分别设置一夹持部件；

所述的两个夹持部件分别与保护管两端的光纤对应固接为一体；

所述的两个夹持部件分别与法兰两侧的固定支座固接。

7.按照权利要求6所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，其特征是所述的保护管和夹持部件为钢管。

8.按照权利要求6所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，其特征是所述的两个夹持部件经环氧树脂与保护管两端的光纤分别对应固接为一体。

9.按照权利要求6所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，其特征是所述保护管的长度等于两个夹持部件相对端之间的距离。

10.按照权利要求6所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，其特征是所述保护管及两个夹持部件的轴向长度之和，等于法兰两侧对应的两个固定支座外侧端之间的距离。

11.按照权利要求6所述的增敏型光纤光栅法兰螺栓松动监测装置，其特征是所述的两个夹持部件经紧固件与法兰两侧的固定支座分别固接。