CN108426767B - 一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法 - Google Patents

一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，包括以下步骤：S1：获得被检测压力管路的基本资料信息、材料性能数据信息以及损伤容限信息；S2：对压力管路结构进行简化并进行有限元分析得到裂纹附近的应变分布信息；S3：根据S2中的有限元分析结果确定分布式光纤传感器的布设方案；S4：对压力管路简化结构在实验室中进行液压实验，采集不同载荷下传感器的应变测量数据，计算光纤段间距的折算系数；S5：根据该压力管路的制作竣工图和S3中分布式光纤传感器的布设方案在管道外壁轴向以间距为d的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器实现对裂纹的实时监测。

Description

一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法
技术领域
本发明涉及结构监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法。
背景技术
管路系统是工业装备中传输工作流体的重要系统，例如飞行器的燃油系统、车辆的制动系统和船舶的排水系统等，均需要结构复杂的管路系统来输送流体介质。在服役期间，由于管道压力较高、流量脉冲较大，通常存在液压冲击并伴随有高频压力振荡。因此，压力管路系统容易产生裂纹。若不能及时、准确的对管路裂纹进行识别与定位，可能会导致管道破裂，发生重大的安全事故。
目前，在结构健康监测领域用于管路裂纹监测的主要技术有：压电传感技术、光纤传感技术、声发射技术。压电传感技术是基于压电元件和主动Lamb技术实现结构健康监测，但是对于结构复杂的管路，在测量时会产生大量的Lamb波反射信号，这些反射信号叠加会导致严重的模式混叠，从而无法准确地识别裂纹，直接影响监测效果。声发射技术只适用于监测正在开裂或者扩展的裂纹，当结构在应力较小的区域出现尺寸较大的缺陷时会导致漏检。基于光纤传感技术的光纤布拉格光栅传感器由于受到入射光带宽的限制，光纤布拉格光栅传感器的测点较少，在分布式多点检测领域，很难实现全分布式的结构在线健康监测，并可能导致漏检。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，具体包括以下步骤：
S1：获得被检测压力管路的基本资料信息、材料性能数据信息以及损伤容限信息；所述压力管路的基本资料信息包括该压力管路的制作竣工图、载荷状况、运行故障记录、历次检修和维修报告信息；所述材料性能数据信息包括拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；所述损伤容限信息为压力管路上的裂纹不会扩展到足以引起破坏时的裂纹阈值长度α；
S2：对压力管路结构进行简化并进行有限元分析得到裂纹附近的应变分布信息：根据S1中所述的压力管路运行故障记录和历次检修与维修报告确定管路裂纹易发生区域以及管路裂纹的角度信息，根据上述管路裂纹易发生区域对竣工图进行简化；根据管路裂纹的角度信息以及裂纹阈值长度α建立含裂纹管路的有限元模型，按照S1中被检测压力管路的加载条件和材料性能进行有限元数值分析得到不同有限元模型下裂纹附近的应变分布信息；
S3：根据S2中的有限元分析结果确定分布式光纤传感器的布设方案；
S4：对压力管路简化结构在实验室中进行液压实验，采集不同载荷下传感器的应变测量数据，计算光纤段间距的折算系数；
S5：根据该压力管路的制作竣工图和S3中分布式光纤传感器的布设方案在管道外壁轴向以间距为d的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器实现对裂纹的实时监测。
S3中分布式光纤传感器的布设方案采用如下方式确定：
S31：提取第i个有限元模型裂纹表面周向路径下的应变信息；
S32：确定第i个有限元模型在分布式光纤传感器测量精度以内能够识别到裂纹的最远周向路径，此路径距离裂纹中心距离为di，则分布式光纤传感器在能够识别到裂纹的前提下距离裂纹中心的最远距离为：ds＝min{di}，其中i＝1,2,…,n；
S33：分布式光纤传感器的布设方案为：在管道外壁轴向以间距为
Figure BDA0001592720430000021
的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器，k为折算系数。
S4中光纤段间距的折算系数具体采用如下方式计算：
S41：根据S1中的载荷状况对第i个简化结构在实验室中进行实验；按照S3中分布式光纤传感器的布设方案在管道外壁轴向距离裂纹中心(0,ds]的范围内，每间隔2mm沿周向环绕排布分布式光纤传感器；
S42：通过采集不同载荷下传感器的应变测量数据，查找满足在实验条件下能监测到裂纹且距离裂纹最远的周向环绕光纤段，此段光纤距离裂纹中心的距离为Di，则折算系数
Figure BDA0001592720430000031
k＝max{ki}。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，由于需要对管路裂纹进行高精度的监测，分布式光纤传感器粘贴的密度越高，监测效果越好，但是受到结构环境特点、系统参数限制等因素的制约，光纤粘贴密度会受到限制，因此本发明提供一种分布式光纤传感器的最佳布设方案，可以在满足无漏检的状况下实现分布式光纤传感器的最优布设。当分布式光纤传感器监测的应变曲线出现突变时，表示该压力管路已经存在裂纹，自动发起警报，根据分布式光纤传感器监测的数据可以精准地识别裂纹出现的位置，及时地进行风险评估并进行排查检修。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法流程图；
图2为实施例中有限元分析得到的裂纹附近的应变分布信息；
图3为实施例中提取应变信息路径示意图；
图4为实施例中不同路径的应变曲线；
图5为实施例中实验测得的不同载荷下传感器的应变测量数据。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图5所示的一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，具体步骤为：
第一步：获得被检测压力管路的详细资料、材料性能数据以及损伤容限；
所述详细资料包括该压力管路的制作竣工图、载荷状况、运行故障记录、历次检修与维修报告；所述材料性能数据包括拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；所述损伤容限是指裂纹不会扩展到足以引起破坏时的裂纹阈值长度α。
第二步：对结构进行简化并进行有限元分析，得到裂纹附近的应变分布信息；
根据第一步所述的压力管路运行故障记录和历次检修与维修报告确定管路裂纹易发生区域以及管路裂纹的角度信息；根据上述管路裂纹易发生区域对竣工图进行简化；根据管路裂纹的角度信息以及裂纹阈值长度α建立含裂纹管路的有限元模型；按照第一步所述的加载条件和材料性能进行有限元数值分析，得到不同有限元模型下裂纹附近的应变分布信息。
第三步：根据第二步中的有限元分析结果，确定分布式光纤传感器的最佳布设方案，具体过程如下：
提取第i个有限元模型裂纹表面周向路径下的应变信息；确定第i个有限元模型在分布式光纤传感器测量精度以内能够识别到裂纹的最远周向路径，此路径距离裂纹中心距离为di，则分布式光纤传感器在能够识别到裂纹的前提下距离裂纹中心的最远距离为：ds＝min{di}，其中i＝1,2,…,n；由于数值模拟和实验之间存在误差，在此引入一个折算系数k；
分布式光纤传感器的最佳布设方案为：在管道外壁轴向以间距为
Figure BDA0001592720430000041
的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器。
第四步：对简化结构在实验室中进行液压实验，采集不同载荷下传感器的应变测量数据，确定折算系数k；
根据第一步所述的载荷状况，对第i个简化结构在实验室中进行实验；按照第三步所述的布设方案在管道外壁轴向距离裂纹中心(0,ds]的范围内，每间隔2mm沿周向环绕排布分布式光纤传感器；通过采集不同载荷下传感器的应变测量数据，确定在实验条件下能精确监测到裂纹，距离裂纹最远的周向环绕光纤段，此段光纤距离裂纹中心的距离为Di，则折算系数
Figure BDA0001592720430000042
k＝max{ki}。
第五步：布设分布式光纤传感器，实现对裂纹的实时监测；
根据该压力管路的制作竣工图以及第三步所述最佳布设间距制定分布式光纤传感器的布设方案，在管道外壁轴向以间距为d的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器，实现对裂纹的实时监测；
当分布式光纤传感器监测的应变曲线出现突变时，表示该压力管路已经存在裂纹，自动发起警报，根据检测的应变特征信息，可以实现裂纹所在位置的精确定位。
实施例：以某飞行器典型管路为例，依据本发明提供的一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，实现对管路裂纹的识别与定位，具体步骤如下：
第一步：获得被检测压力管路的详细资料、材料性能数据以及损伤容限；
本实施例取某飞行器典型管路的直管段，如图1所示，管路外径为48mm、长度为400mm、厚2mm，管路外表面有一深度为1mm的周向裂纹，试验最大内压为10MPa；管路所用材料为304不锈钢，材料的弹性模量为193GPa，泊松比为0.3，屈服极限为207MPa；
第二步：对其在上述加载条件下进行有限元分析，得到裂纹附近的应变分布信息，图2为裂纹附近的应变分布的仿真结果。
第三步：根据第二步中的有限元分析结果，确定分布式光纤传感器的最佳布设方案；
提取上述有限元分析结果中裂纹附近的应变分布信息；如图3所示，分别提取距离裂纹(编号为5)2mm(编号为1)、4mm(编号为2)、6mm(编号为3)、8mm(编号为4)的周向路径的应变信息；
实施例采用的分布式光纤传感器能够测量到的最小应变差值为10με，从图4所示的应变曲线中可以看出编号为3的路径为能够识别到裂纹的最远周向路径，则在本实施例中分布式光纤传感器在能够识别到裂纹的前提下距离裂纹中心的最远距离为：ds＝6mm；
分布式光纤传感器的最佳布设方案为：在管道外壁轴向以间距为
Figure BDA0001592720430000051
的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器。
第四步：对试件在实验室中进行液压实验，采集不同载荷下传感器的应变测量数据，确定折算系数k；
根据第一步所述的载荷状况，对某飞行器典型管路的直管段在实验室中进行实验。如图3所示，按照第三步所述的布设方案在管道外壁轴向距离裂纹中心(0,6mm]的范围内，每间隔2mm沿周向环绕排布分布式光纤传感器，其中距离裂纹2mm的光纤段编号为1、4mm的光纤段编号为2、6mm的光纤段编号为3；图5为在不同载荷下，编号为3的光纤段采集的传感器的应变测量数据，从图中可以明显的观察到对应光纤3.950m的位置曲线出现峰值，可以检测到裂纹。因此，对于本实施例，编号为3的光纤段为能检测到裂纹的最远周向环绕光纤段，此段光纤距离裂纹中心的距离为6mm，则折算系数k＝1。
第五步：布设分布式光纤传感器，实现对裂纹的实时监测；
根据该压力管路的制作竣工图以及第三步所述最佳布设间距制定分布式光纤传感器的布设方案，在管道外壁轴向以间距为d＝12mm的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器，实现对裂纹的实时监测；
当分布式光纤传感器监测的应变曲线出现突变时，表示该压力管路表面已经存在裂纹，自动发起警报，根据检测的应变特征信息，可以实现裂纹所在位置的精确定位。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于分布式光纤传感技术的压力管路裂纹识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：获得被检测压力管路的基本资料信息、材料性能数据信息以及损伤容限信息；所述压力管路的基本资料信息包括该压力管路的制作竣工图、载荷状况、运行故障记录、历次检修和维修报告信息；所述材料性能数据信息包括拉伸性能数据、杨氏模量和泊松比；所述损伤容限信息为压力管路上的裂纹不会扩展到足以引起破坏时的裂纹阈值长度α；
S2：对压力管路结构进行简化并进行有限元分析得到裂纹附近的应变分布信息：根据S1中所述的压力管路运行故障记录和历次检修与维修报告确定管路裂纹易发生区域以及管路裂纹的角度信息，根据上述管路裂纹易发生区域对竣工图进行简化；根据管路裂纹的角度信息以及裂纹阈值长度α建立含裂纹管路的有限元模型，按照S1中被检测压力管路的加载条件和材料性能进行有限元数值分析得到不同有限元模型下裂纹附近的应变分布信息；
S3：根据S2中的有限元分析结果确定分布式光纤传感器的布设方案；
S4：对压力管路简化结构在实验室中进行液压实验，采集不同载荷下传感器的应变测量数据，计算光纤段间距的折算系数；
S5：根据该压力管路的制作竣工图和S3中分布式光纤传感器的布设方案在管道外壁轴向以间距为d的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器实现对裂纹的实时监测；
S3中分布式光纤传感器的布设方案采用如下方式确定：
S31：提取第i个有限元模型裂纹表面周向路径下的应变信息；
S32：确定第i个有限元模型在分布式光纤传感器测量精度以内能够识别到裂纹的最远周向路径，此路径距离裂纹中心距离为di，则分布式光纤传感器在能够识别到裂纹的前提下距离裂纹中心的最远距离为：ds＝min{di}，其中i＝1,2,…,n；
S33：分布式光纤传感器的布设方案为：在管道外壁轴向以间距为
Figure FDA0002392054410000011
的间隔粘贴周向环绕排布的分布式光纤传感器，k为折算系数；
S4中光纤段间距的折算系数具体采用如下方式计算：
S41：根据S1中的载荷状况对第i个简化结构在实验室中进行实验；按照S3中分布式光纤传感器的布设方案在管道外壁轴向距离裂纹中心(0,ds]的范围内，每间隔2mm沿周向环绕排布分布式光纤传感器；
S42：通过采集不同载荷下传感器的应变测量数据，查找满足在实验条件下能监测到裂纹且距离裂纹最远的周向环绕光纤段，此段光纤距离裂纹中心的距离为Di，则折算系数
Figure FDA0002392054410000021
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