CN104806761A - 一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构是：设有金属骨架(1)，其上装有径向光纤光栅温度传感器(4)、周向光纤光栅应变传感器(5)。本发明可以实现垫片密封功能及监测功能的集成，能够及时发现垫片的密封失效状态以便采取预防措施避免灾难性事故的发生，并且不需要对已有法兰结构进行改变即可安装使用，适用于已建法兰系统。

Description

一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片

技术领域

本发明涉及法兰垫片，特别是一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片。

背景技术

垫片在法兰连接中是极为重要的密封元件，其性能的好坏直接影响到安全生产。

现有的法兰垫片在实际使用过程中发生的密封失效主要是由于密封接触面预紧力小于其中的介质压力而引起的界面泄漏，其中的主要影响因素包括：一是由于法兰在实际使用过程中的螺栓预紧力下降而导致的垫片接触应力不足；二是由于垫片自身的蠕变和应力松弛而导致的垫片接触应力减小。

目前，法兰垫片密封状态监测技术主要有以下两类：第一类方法是在法兰垫片的初期安装过程中通过特定的检测装置测定螺栓预紧力的大小，这类方法的不足是无法在法兰实际使用过程中及时发现可能发生的预紧力下降；第二类方法是在法兰垫片设计阶段通过专门的检测装置测定垫片材料的蠕变和应力松弛性能，以及压缩率-回弹率等，这类方法的缺点是只能反映垫片材料试样在特定测试条件下的性能参数，不能反映出垫片在实际使用过程中所发生的性能变化。

由于现有监测方法的上述不足，目前还不能在法兰的实际使用过程中对垫片密封的失效状态进行有效监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，以克服上述现有技术存在的不足。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构是：设有金属骨架，该金属骨架装有径向光纤光栅温度传感器、周向光纤光栅应变传感器。

所述金属骨架表面设有周向铺设槽和径向铺设槽，其中周向铺设槽安装周向光纤光栅应变传感器，径向铺设槽安装径向光纤光栅温度传感器。

所述金属骨架，其上、下表面均设有表层复合材料。

所述周向光纤光栅应变传感器用耐高温胶粘结在周向铺设槽中，径向光纤光栅温度传感器用耐高温胶粘结在径向铺设槽中。

所述周向光纤光栅应变传感器由应变传感光栅和聚酰亚胺涂层光纤组成。

所述光纤光栅温度传感器由毛细钢管、温度传感光栅及聚酰亚胺涂层光纤组成，其中：温度传感光栅封装在毛细钢管的内腔中，通过聚酰亚胺涂层光纤引出，毛细钢管的两端分别由耐高温胶密封。

所述耐高温胶采用8371环氧胶或DC 736耐高温胶。

所述复合材料采用聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯、柔性石墨中的一种。

本发明与现有技术相比有以下的主要的优点：

1.通过合理的结构和工艺设计，实现垫片密封功能及监测功能的集成；

2.支持在法兰的服役状态下对垫片表面的应变和温度变化进行实时监测，以便及时发现垫片的密封失效状态并采取预防措施避免灾难性事故的发生；

3.不需要对已有法兰结构进行改变即可安装使用，适用于已建法兰系统。

附图说明

图1是本发明基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1中金属骨架1的结构示意图。

图4是图3的俯视图。

图5是周向铺设槽101的结构参数示意图。

图6是径向铺设槽102的结构参数示意图。

图7是周向光纤光栅应变传感器101及径向光纤光栅温度传感器102的铺设示意图。

图8是径向光纤光栅温度传感器102的结构示意图。

图9是周向光纤光栅应变传感器5的结构示意图。

图10是法兰垫片密封失效状态监测系统示意图。

图11是垫片在0.8MPa预紧力下不同温度时的表面应变变化情况。

图12是垫片在1MPa预紧力下不同温度时的表面应变变化情况。

图13是垫片在温度为30℃时不同预紧力下的表面应变变化情况。

图14是垫片在温度为45℃时不同预紧力下的表面应变变化情况。

图中：1.金属骨架；101.周向光纤光栅应变传感器铺设槽；102.径向光纤光栅温度传感器铺设槽；2.表层复合材料；3.定位耳；4.径向光纤光栅温度传感器；401.聚酰亚胺涂层光纤；402.耐高温胶(8371环氧胶)；403.毛细钢管；404.温度传感光栅；5.周向光纤光栅应变传感器；501.聚酰亚胺涂层光纤；502.应变传感光栅；R1-引出端过渡圆弧；R2-引出端过渡圆弧；T1-定位环厚度；R-波齿圆弧半径；p-波齿距；h-波齿深度；t-金属骨架厚度；b1-周向光纤光栅应变传感器铺设槽宽度；h1-周向光纤光栅应变传感器铺设槽深度；b2-径向光纤光栅温度传感器铺设槽宽度；h2-径向光纤光栅温度传感器铺设槽宽度深度。

具体实施方式

本发明提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，是以波齿型复合垫片的金属骨架为基体，在其表面分别铺设光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，通过传感器测量得到的温度和应变数据对垫片在服役过程中可能出现的密封力下降进行及时监测，以便及早采取措施预防泄漏事故的发生。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，但不限定本发明。

本发明提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构如图1至图7所示：由金属骨架1、表层复合材料2、径向光纤光栅温度传感器4、周向光纤光栅应变传感器5、耐高温胶层组成，其中：径向光纤光栅温度传感器4以及周向光纤光栅应变传感器5分别用耐高温胶粘结在金属骨架1表面径向铺设槽和周向铺设槽中；并在压床上将表层复合材料2用耐高温胶粘结和模压在金属骨架1上下表面。

所述金属骨架1的结构如图3、图4、图5和图6所示：由周向光纤光栅应变传感器铺设槽101、径向光纤光栅温度传感器铺设槽102组成，金属骨架1上的波齿和光纤光栅传感器铺设槽由模具冲压完成。

所述复合材料2是根据法兰的使用工况条件来选取的，具体包括：聚四氟乙烯(适用于-100℃～200℃的温度范围，预紧力≦10MPa的场合)，膨胀聚四氟乙烯(适用于粗糙或易碎玻璃面法兰，预紧力≦20MPa，-100℃～250℃温度交变场合)，以及柔性石墨(适用于-220℃～800℃的温度范围，预紧力≦30MPa的场合)。

所述光纤光栅温度传感器4的结构如图8所示：由毛细钢管403、耐高温胶(8371环氧胶)402、聚酰亚胺涂层光纤401及温度传感光栅404组成，其中：温度传感404封装在毛细钢管403的内腔中，通过聚酰亚胺涂层光纤401引出，毛细钢管403的两端分别由耐高温胶402密封。

所述周向光纤光栅应变传感器5采用聚酰亚胺涂层，其结构如图9所示：由应变传感光栅502和聚酰亚胺涂层光纤501组成。

所述耐高温胶可以采用8371环氧胶或其他类型耐高温胶如DC 736耐高温胶等。

本发明提供的上述基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其制备方法包括以下步骤：

1.金属骨架1的制备：

以带定位耳型金属波齿复合垫片(如图1、图2所示)为基础，并在金属骨架1上进行设计的。其中金属骨架的材料及其硬度应符合GB/T 19066.1-2003的规定，金属骨架由模具冲压完成，其结构和基本参数如图3、图5和图6所示。其中：T1为定位环厚度；R为波齿圆弧半径；p为波齿距；h为波齿深度；t为金属骨架厚度。由于要在金属骨架上加工出光纤光栅应变传感器铺设槽，因此要求金属骨架的厚度t>4.5mm，以保证金属骨架的强度。金属骨架两侧面波峰和波谷错开1/2个齿距，波齿距一致，波齿圆弧半径相等，所有波齿应该在同一个平面内。

2.光纤光栅铺设槽设计：

金属骨架1的结构如图4和图5所示。其中101为周向光纤光栅应变传感器铺设槽，102为径向光纤光栅温度传感器铺设槽。其中，周向光纤光栅铺设槽101的深度h1要求≥2mm，宽度b1要求≥3mm，径向光纤光栅温度传感器铺设槽102深度h2要求≥2mm，宽度b2要求≥3mm。同时，为使金属骨架可适应窄槽冲压加工的需要，要求其中的宽厚比(b/t)满足b1/t≥0.6，b2/t≥0.6。

3.光纤光栅铺设槽的位置、数量及尺寸要求：

径向铺设槽与周向铺设槽开设在垫片的同一面上，如图4所示。

(1)周向光纤光栅应变传感器铺设槽位置、数量及尺寸要求：

在金属骨架边缘部位开设周向光纤光栅应变传感器铺设槽，共有4个，沿圆周方向均匀分布。由于其中的应变传感光栅长度约为10mm，因此要求周向光纤光栅应变传感器铺设槽周向长度≥18mm，周向槽引出端过渡圆弧半径R1要求≥8mm，R2要求≥6mm(如图4所示)。

(2)径向光纤光栅温度传感器铺设槽的位置、数量及尺寸要求：

径向光纤光栅温度传感器铺设槽为1个，与金属骨架的直径方向一致，由靠近金属骨架内侧的第二个波谷处开始延伸至金属骨架外侧。

4.光纤光栅传感器制作及铺设：

(1)径向光纤光栅温度传感器：

径向光纤光栅温度传感器用来对周向光纤光栅应变传感器测得的波长变化进行温度补偿，其结构如图8所示，其中的温度传感光栅404通过毛细钢管封装以消除外力的影响。

a)径向光纤光栅温度传感器制作：

径向光纤光栅温度传感器4的制作方法如下：首先在准备铺设的温度传感光栅表面涂一层胶黏剂(8371环氧胶)，涂层厚度以刚好能裹住光栅部位为宜。待其未固化前穿入毛细钢管403，确保温度传感光栅部分铺设在毛细钢管403的中间位置并且不接触毛细钢管侧壁，，然后用胶粘剂402(8371环氧胶)封住毛细钢管403两端出口。

b)径向光纤光栅温度传感器铺设：

光纤光栅温度传感器的铺设如下：①用软刷蘸胶黏剂(8371环氧胶)在铺设槽槽底面均匀涂覆一层；②待其未固化前铺设温度传感器4，保证引出端光纤与金属骨架外径齐平；③填充胶黏剂(8371环氧胶)使其厚度与毛细钢管上侧面高度一致，待其固化。

(2)周向光纤光栅应变传感器：

周向光纤光栅应变传感器5的铺设如下：①用软刷蘸胶黏剂(8371环氧胶)在铺设槽底面均匀涂覆一层；②待其未固化前铺设周向光纤光栅应变传感器5，保证光栅部分在周向铺设槽中间；③填充胶黏剂(8371环氧胶)使其厚度与周向铺设槽槽底面应变传感光栅的径向厚度一致，待其固化。

(3)传感器引出端引出：

在径向以及周向光纤光栅传感器铺设完成并固化后，将各引出光纤沿着金属骨架外侧同一方向集中在一处后引出，并在引出部位用扎带固定以保护其中的光纤。

5.表层复合材料的选取及复合工艺：

表层复合材料2可根据垫片的不同使用要求从三种材料中选用，具体包括：(1)聚四氟乙烯，(2)膨胀聚四氟乙烯，(3)柔性石墨。其中，聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力，适用于-100℃～200℃的温度范围，预紧力≦10MPa的场合。膨胀聚四氟乙烯具有抗蠕变、具有优良的化学稳定性、耐腐蚀、密封性和无污染的特点，适用于粗糙或易碎玻璃面法兰，预紧力≦20MPa，-100℃～250℃温度交变的场合。柔性石墨具有良好的防腐蚀性，耐高/低温，良好的压缩回弹性和高强度性，适用于-220℃～800℃的温度范围，预紧力≦30MPa的场合。

表层复合材料在压床上被模压在金属骨架表面，厚度在0.6mm～2mm范围内。

6.智能型法兰垫片功能：

基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片利用光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器测量得到的应变及温度变化实现对法兰垫片密封状态的感知功能，具体是：通过铺设在其中的周向光纤光栅应变传感器来感知垫片在服役状态下的应变变化，通过铺设在其中的径向光纤光栅温度传感器来感知垫片在服役状态下的温度变化，通过把光纤光栅传感器的引出端与调制解调仪及计算机系统相连接可以实现对垫片服役状态下应变及温度数据的实时采集和分析，以便及时发现垫片的失效状态并尽早采取预防措施避免灾难性后果的发生。

基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片的功能主要表现为以下两个方面：第一，可以在法兰螺栓预紧过程中对实际作用于垫片上的预紧力数值进行精确测量，以便根据要求进行调整；第二，能够在法兰的服役状态下感知垫片表面的应变和温度变化情况，为及时发现垫片的失效状态并尽早采取预防措施以避免灾难性事故的发生提供了重要的前提。

本发明提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其性能指标可以通过以下试验方法获得：

在基于光纤光栅传感的智能法兰垫片试验过程中，通过对法兰垫片施加不同大小的预紧力(0.8MPa和1MPa)来模拟垫片实际工作过程中的不同载荷工况，分别对应于螺栓预紧后的预紧力(1MPa)和螺栓松弛后的预紧力(0.8MPa)；通过加热带对法兰整体加热来模拟垫片工作过程中不同的温度变化情况(30℃和45℃)；通过在垫片表面铺设的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器采集垫片表面的温度和应变变化数据。其中，101为在垫片周向铺设的光纤光栅应变传感器(试验时在周向只铺设了一根光纤光栅应变传感器)，102为在垫片径向铺设铺设光纤光栅温度传感器，其初始波长如表1所示。

表1 光纤光栅传感器初始波长

传感器编号	传感器位置	初始波长/nm
			101	周向	1545.9468
102	径向	1530.9658

(1)试验数据采集：

表2 0.8MPa预紧力下温度为30℃时的波长监测数据

表3 0.8MPa预紧力下温度为45℃时的波长监测数据

:

表4 1MPa预紧力下温度为30℃时的波长监测数据

表5 1MPa预紧力下温度为45℃下的波长监测数据

(2)试验数据的处理和分析：

通过上述监测试验数据的处理和分析可以得到垫片表面应变的变化情况，具体如图11-图14所示。其中，A是温度为30℃时在0.8MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，B是温度为45℃时在0.8MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，C是温度为30℃时在1MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，D是温度为45℃时在1MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，G是温度为30℃时在0.8MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，H是温度为30℃时在1MPa预紧力下的垫片表面应变的变化情况，E是温度为45℃时在0.8MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况，F是温度为45℃时在1MPa预紧力下垫片表面应变的变化情况。

通过上述数据分析结果可以发现：(1)当预紧力一定时，垫片表面的应变随着温度的升高而增大；(2)当工作温度一定时，垫片表面应变随着预紧力的升高而增大。因此，通过铺设在垫片内的光纤光栅传感器可以监测垫片表面应变的变化情况，反映垫片在工作过程中所受的预紧力及温度变化情况，从而实现对垫片失效状态的及时监测。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征是设有金属骨架(1)，该金属骨架装有径向光纤光栅温度传感器(4)、周向光纤光栅应变传感器(5)。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述金属骨架(1)表面设有周向铺设槽和径向铺设槽，其中周向铺设槽安装周向光纤光栅应变传感器(5)，径向铺设槽安装径向光纤光栅温度传感器(4)。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述周向光纤光栅应变传感器(5)用耐高温胶粘结在周向铺设槽中，径向光纤光栅温度传感器(4)用耐高温胶粘结在径向铺设槽中。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述金属骨架(1)，其上、下表面均设有表层复合材料(2)。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述复合材料(2)采用聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯、柔性石墨中的一种。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述光纤光栅温度传感器(4)由毛细钢管、温度传感光栅及聚酰亚胺涂层光纤组成，其中：温度传感光栅封装在毛细钢管的内腔中，通过聚酰亚胺涂层光纤引出，毛细钢管的两端分别由耐高温胶密封。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述耐高温胶采用8371环氧胶或DC 736耐高温胶。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述周向光纤光栅应变传感器(5)由应变传感光栅和聚酰亚胺涂层光纤组成。