CN114152391A - 一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及渗漏检测的技术领域，特别涉及一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，包括步骤：在待测复合材料典型件表面粘贴光纤传感器；构建低温环境并设置温度传感器，再进行温度标定试验；对复合材料典型件施加荷载，再根据反馈的温度和应变响应，进行应变补偿得到应变数值；再对复合材料典型件应变较大的部位进行渗漏检测；通过不断施加荷载，直至复合材料典型件断裂，并记录不同荷载下的渗漏状况，最终得到表征复合材料典型件的应变‑渗漏性能关联信息。本发明提供的方法，能够实现复合材料压力容器的大面积检测，满足测试设备的轻质化，减少测试的繁琐步骤。既能实现地面离线检测，也能实现地面试验、服役过程的在线检测。

Description

一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法

技术领域

本发明涉及渗漏检测的技术领域，特别涉及一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法。

背景技术

复合材料压力容器是当代化工、炼油、石化、冶金、轻工、食品、航空航天、海洋、核站等领域广泛应用的关键设备，其应用场合具有潜在危险，且使用条件苛刻，尤其是存在设备开裂、泄露而引起爆炸、中毒等危险，因此，如何对复合材料压力容器进行检漏监测关系重大。

而贮箱作为复合材料压力容器的一种，是航天器及运载火箭的关键结构，面对近年来重型运载火箭研制的减重需求，大型复合材料低温贮箱的研制与发展成为必然；特别是在运载火箭在试验及飞行过程中，一旦其漏率超过设计允许值，就会引发泄露故障，严重则会危及主体结构的整体安全。因此，必然要对复合材料贮箱进行检漏监测。

现有的针对复合材料贮箱及其他复合材料压力容器的检漏方法主要基于压差法原理，通过贮箱内部加气加压至适当水平，使测试气体通过微裂纹产生的渗漏路径流动，随后利用氦质谱检漏仪结合真空用罩盒或检漏气枪方法进行检漏。具体如文献陈叔平,昌锟,刘振全,谢高峰,葛瑞宏,刘志东.贮箱漏率正压检测方法[J].低温与超导,2005(03):43-45+64.一文中提供的氦质谱仪检漏方法，包括有吸枪法、气罩积分法、正压累积法和压力真空法。

然而，上述基于质谱仪的检漏方法，在实际应用中，由于复合材料压力容器一般体积较大，检测面较广，因此，仅能通过地面离线检测进行，且检测工序繁琐，对于结构不同区域仅能逐一检测，检测效率较低。

发明内容

为解决上述现有技术中复合材料压力容器采用质谱仪进行检漏的方法存在检测繁琐、效率低的不足，本发明提供一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，包括以下步骤：在待测的复合材料典型件表面上粘贴分布式光纤传感器；构建与服役环境相符的低温环境，在低温环境的采集区域设置若干温度传感器，以用于全程记录温度变化量；

对复合材料典型件进行光纤传感的温度标定试验；

再对复合材料典型件渐进式施加荷载，并根据光纤传感器反馈的应变响应以及温度传感器反馈的温度变化量，对温度波动大的区域进行应变补偿，以得到准确的应变数值；再对应变数值进行场变量重构以得到应变云图；

根据应变云图的分析，对复合材料典型件应变较大的部位进行渗漏检测，以得到渗漏量；

最后，对复合材料典型件渐进式施加荷载，直至复合材料典型件断裂，同时分析并记录不同荷载下复合材料典型件的渗漏量，最终得到表征复合材料典型件的应变-渗漏性能关联信息。

在一实施例中，所述复合材料典型件的材料形式、铺层方式以及厚度与待检测的复合材料压力容器的主体结构一致。

在一实施例中，所述温度标定试验步骤为:对稳定的低温环境进行逐级减温，同时检测并记录各级温度下光纤传感器反馈的应变变量。

在一实施例中，对复合材料典型件进行场变量重构包括对离散的应变检测数据进行连续化插值，再通过场变量重构得到应变云图。

在一实施例中，所述连续化插值包括采用线性插值法、三次B样条插值法以及最小二乘法拟合插值法中的一种或多种。

在一实施例中，对复合材料典型件进行渗漏检测时，若面向地面工程试验后或服役后的离线检测，则需要待低温环境的温度标定试验结束后，将复合材料典型件恢复至室温并风干，再进行渗漏检测；若面向地面工程试验过程中或服役过程中的在线检测时，则直接在低温环境中进行渗漏检测。

在一实施例中，所述渗漏检测包括以下步骤：对复合材料典型件的检测区域进行密封处理，一侧与真空泵连接，用于抽气体形成负压，另一侧输入氦气，通过两侧的压力差，使得氦气在微裂纹产生的渗漏路径上流动，并在负压一侧连接氦质谱仪以记录渗漏量。

在一实施例中，还包括以下步骤：在实际应用的复合材料压力容器上同样布置光纤传感器，并进行应变监测；根据实际监测得的应变数值，再对照渗漏性能信息，可直接获知该应变数值对应的渗漏量大小。

基于上述，与现有技术相比，本发明提供的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，通过大面积布设光纤传感器能够实现复合材料压力容器主结构大面积的覆盖，并且能够实现测试设备的轻质化，减少测试过程的繁琐步骤。并且，通过光纤应变传感与压差法原理的结合，不仅能实现地面离线检测，还能实现地面试验、服役过程的在线检测，具有良好的应用前景。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本发明提供的贮箱分布式光纤监测的温度补充前后及常温下应变的数据；

图2为复合材料典型件的区域划分和应变重构场云图的示例图；

图3为渗漏检测的工作原理图；

图4为应变与对应的渗漏量的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，本发明所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本发明的限制；应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

针对目前存在复合材料压力容器的检漏方法仅能通过地面离线检测，且由于压力容器体积大，检查面广，对于结构不同区域仅能逐一检测而导致检测工序繁琐、检测效率较低等问题，以及现有技术一般采用具有精度高、尺寸小优点的电阻应变片来检测，然而它难以形成分布式监测网络，面对极端的低温下存活率较低，易受噪声干扰的问题。

本发明提供一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其本质是通过光纤采集的应变参量表征局部区域刚度的下降，局部刚度的下降通常是复合材料层合板损伤的表现形式，而材料内部横向基体开裂造成泄露则是复合材料损伤的早期表现形式。再根据层合板刚度衰减关系与裂缝间距的变化关系公式：

其中，E_X(N)为服役后局部刚度，E_X0为无损状态下局部刚度，D(N)为平均裂缝密度，

为理想裂缝间距的函数，g为90度层；

以及其他层相关的弹性性质及几何形状函数：

g＝g(E⁹⁰，E⁰，t₉₀，t₀)，

得到在上式简化为常数前提下，刚度衰减过程可近似为平均裂缝密度的线性函数。进一步，刚度衰减在实际工程应用中可通过应变来表征，具体如公式：

其中，ε(N)为服役后局部应变，ε(0)为无损状态下局部应变，σ为应力；

上述公式表述说明了应变变化与局部基体裂纹扩展的变化关系，显然，随着材料内部基体裂纹的扩展，其局部刚度下降，应变增加。但即便知道应变变化也无法明确局部渗漏量的大小，因此，为了进一步表征局部区域的渗漏，需要在实验环境下针对复合材料典型件开展应变与渗漏量关系的试验，最终通过应变得到渗漏量，如图4所示。

具体包括以下步骤：

首先，在待测的复合材料典型件表面上粘贴分布式光纤传感器；较佳地，可对复合材料典型件进行分区域划分，再在每个区域上粘贴分布式光纤传感器，以确保每个区域都能被覆盖到，且能够更加轻质高效地实现不同区域同时检测的目的。

其次，复合材料压力容器的内部温度一般较低，例如贮箱内部装载的低温燃料一般为液氢液氧，内部温度至少低于-180℃，而外壁温度一般在-150℃～0℃之间。因此，在进行检测前，需要构建与服役环境相符的低温环境，并在低温环境的采集区域设置若干温度传感器，以用于全程记录温度变化量；

另外，由于光纤传感器仅对应变和温度敏感，在实际工程使用中，在同一区域仅需进行温度的补偿即可计算真实的应变值；因此需要在保持环境恒温且在无变形作用条件下对复合材料典型件上的光纤传感器进行提前的温度标定试验，该温度标定试验为现有技术中常见的方式；优选地，所述温度标定试验步骤为:对稳定的低温环境进行逐级减温，同时检测并记录各级温度下光纤传感器反馈的应变变量，例如标定每摄氏度作用下应变的变化量。

以一具体实施样例为例，具体如图1所示为贮箱分布式光纤监测的数据，其中，横坐标表示的是从光纤开头位置至光纤末端位置，纵坐标表示应变量，点划线表示温度补偿前的应变状况，直线表示常温下的应变，虚线表示温度补偿后的应变。从图中数据可以看出温度补偿前，大部分区域由于低温的影响，结构出现收缩形变导致了应变降低，比常温下相同压力的应变有所减少，通过补偿计算后，即按标定后“每一摄氏度影响下的应变变化量”进行增减计算后，补偿后应变与室温基本在同一水平。

应当了解的是，低温下不同材料响应情况不一，故不同材料的标定系数并不一样。

接着，对复合材料典型件渐进式施加荷载，并根据光纤传感器反馈出的应变响应以及温度传感器反馈的温度变化量，对温度波动大的区域进行应变补偿，以得到准确的应变数值；再对应变数值进行场变量重构以得到应变云图；其中，施加的载荷工况应与服役工况相一致，其中渐进式施加荷载可理解为施加的拉伸和/或弯曲力逐渐加大，从一定量的应变开始施加，例如1000微应变、2000微应变、3000微应变…直至样件断裂。

接着，根据应变云图的分析，对复合材料典型件应变较大的部位进行渗漏检测，以得到渗漏量；其中，通过云图的展现能够更为直观地凸现出结构应变较大的区域，具体如图2所示，复合材料典型件被划分为5个区域，通过云图可快速判断出区域3的应变响应值较大。

最后，对复合材料典型件渐进式施加荷载，直至复合材料典型件断裂，同时分析并记录不同荷载下复合材料典型件的渗漏量，最终得到表征复合材料典型件的应变-渗漏性能关联信息。

优选地，所述复合材料典型件的材料形式、铺层方式以及厚度与待检测的复合材料压力容器主体结构一致。较佳地，其复合材料典型件一般采用以碳纤维增强的热固性/热塑性复合材料，即，与贮箱或其他需要检测的复合材料压力容器的主体材料一致。

优选地，对复合材料典型件进行场变量重构包括对离散的应变检测数据进行连续化插值，再通过场变量重构得到应变云图。

具体实施时，应变场重构所采用的方法其核心是将主体结构上零散、离散的应变检测数据连续化，最终使主体结构大部分区域能够通过数值云图的方法展示，以此来快速凸显结构应变较大的区域，由于应变与渗漏的相互关联，即可快速判定结构哪个区域渗漏严重，再根据数值云图每一点的数值换算成渗漏量或漏率，就可以全面地展示结构的渗漏情况。

优选地，所述连续化插值包括采用线性插值法、三次B样条插值法以及最小二乘法拟合插值法中的一种或多种。应当说明的是，采用的插值算法不局限于何种形式的插值算法，因为针对不同结构的应变数值图的计算中有不同的精确计算方法，本领域技术人员可以根据实际结构需求采用不同类型的插值算法。例如，仅以简单的梁板结构为例，采用线性插值的方法即可实现。

优选地，对复合材料典型件进行渗漏检测时，若面向地面工程试验后或服役后的离线检测，则需要待低温环境的温度标定试验结束后，将复合材料典型件恢复至室温并风干，再进行渗漏检测；若面向地面工程试验过程中或服役过程中的在线检测时，则直接在低温环境中进行渗漏检测。

优选地，所述渗漏检测包括以下步骤：对复合材料典型件的检测区域进行密封处理，一侧与真空泵连接，用于抽气体形成负压，另一侧输入氦气，通过两侧的压力差，使得氦气在微裂纹产生的渗漏路径上流动，并在负压一侧连接氦质谱仪以记录渗漏量，具体如图3所示。

通过上述氦质谱仪采集的渗漏量，可通过公式进一步计算出漏率，具体如下：根据公式PV＝nRT,得到漏率Q与测试气体的量n之间的关系：

其中，R-常数，约为8.314J/(mol·K)；T-温度，单位K；t-时间，单位s；Q—漏率，单位Pa·m³/s；

综上，将获得的渗漏性能信息应用在实际的复合材料压力容器中，例如复合材料贮箱中，对复合材料贮箱同样布置光纤传感器进行监测应变，根据实际监测的应变数值，对应渗漏性能信息，可直接知晓该应变数值下的渗漏量大小。如此，相较于传统的地面离线所采用的真空袋或者渗漏气枪的方法对局部位置进行监测的方式来说，本方案获取的渗漏性能信息，不仅可全方位监测，还能在地面离线、地面在线以及服役过程中均可实时获知渗漏状况，无需再重复利用压差法原理测试渗漏量，极大节约了监测步骤，提高了监测效率。

应当说明的是，本发明提供的渗漏性能表征方法，应用于复合材料压力容器，其中，压力容器被广泛应用于航天、能源、化工等领域。因此，该方法不局限于上述对复合材料贮箱的应用，还可对能源储存设备、水处理设备、化学设备等等所包含的其他复合材料压力容器的应用。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，利用光纤应变传感技术与压差法原理的相互对应，能够实现对复合材料压力容器进行应变与渗漏率的相互表征。具有以下优点：

1、通过大范围分布式光纤的布设，能够实现复合材料压力容器主结构大面积的覆盖，且同时对整个面积进行监测；

2、利用光纤传感器布设能够实现测试设备的轻质化，减少测试过程的繁琐步骤；

3、现有的技术只能通过地面离线检测，而基于本发明的性能表征方法，不仅能实现地面离线检测，且能实现地面试验、服役过程的在线监测；

4、以光纤作为传感要素的优势在于光纤仅对力、温度敏感，故仅通过温度补偿尽可实现测点应变的高精度计算，而采用其他应变传感要素易受环境因素影响，超低温环境下存活率低且信噪比较差。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

在待测的复合材料典型件表面上粘贴分布式光纤传感器；构建与服役环境相符的低温环境，在低温环境的采集区域设置若干温度传感器，以用于全程记录温度变化量；

对复合材料典型件进行光纤传感的温度标定试验；

再对复合材料典型件渐进式施加荷载，并根据光纤传感器反馈的应变响应以及温度传感器反馈的温度变化量，对温度波动大的区域进行应变补偿，以得到准确的应变数值；再对应变数值进行场变量重构以得到应变云图；

根据应变云图的分析，对复合材料典型件应变较大的部位进行渗漏检测，以得到渗漏量；

最后，对复合材料典型件渐进式施加荷载，直至复合材料典型件断裂，同时分析并记录不同荷载下复合材料典型件的渗漏量，最终得到表征复合材料典型件的应变-渗漏性能关联信息。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于：所述复合材料典型件的材料形式、铺层方式以及厚度与待检测的复合材料压力容器主体结构一致。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于，所述温度标定试验步骤为:对稳定的低温环境进行逐级减温，同时检测并记录各级温度下光纤传感器反馈的应变变量。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于：对复合材料典型件进行场变量重构包括对离散的应变检测数据进行连续化插值，再通过场变量重构得到应变云图。

5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于：所述连续化插值包括采用线性插值法、三次B样条插值法以及最小二乘法拟合插值法中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于：对复合材料典型件进行渗漏检测时，若面向地面工程试验后或服役后的离线检测，则需要待低温环境的温度标定试验结束后，将复合材料典型件恢复至室温并风干，再进行渗漏检测；若面向地面工程试验过程中或服役过程中的在线检测时，则直接在低温环境中进行渗漏检测。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于,所述渗漏检测包括以下步骤：对复合材料典型件的检测区域进行密封处理，一侧与真空泵连接，用于抽气体形成负压，另一侧输入氦气，通过两侧的压力差，使得氦气在微裂纹产生的渗漏路径上流动，并在负压一侧连接氦质谱仪以记录渗漏量。

8.根据权利要求1-7任一项所述的基于光纤传感的复合材料压力容器渗漏性能表征方法，其特征在于，还包括以下步骤：在实际应用的复合材料压力容器上同样布置光纤传感器，并进行应变监测；根据实际监测得的应变数值，再对照渗漏性能信息，可直接获知该应变数值对应的渗漏量大小。

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