基于光纤Bragg光栅的管道压力检测技术研究

论文摘要

作为物料输送的一种特种设备,压力管道在工业生产和人民生活中起着重要作用。由于管道运输介质大多是强腐蚀性流体,在运送过程中,流体的腐蚀、温度变化、压力控制引起的液压冲击及人为破坏等因素,容易引起管道输送系统运行故障,影响人们生命和财产安全,因此对管道运输状况进行实时监测是十分必要的。管道输送状况的基本参数包括压力、温度以及流量等。其中,管道物料的运输主要利用压力能也即管道内流体压力差来维持,对管道压力的监测及控制管内传输压力,是确保整个管道系统安全平稳运行的关键,因而,压力的在线监测就显得尤为重要。目前,对管道压力的传统的检测方法主要是介入式测量方法,即在被测点安装压力传感器,感压元件直接与被测介质接触。这类方法一般会破坏管道的整体结构特性以及管道内流体流场,特别在高压情况下易造成事故。本文涉及一种基于管道形变的非介入式的光纤Bragg光栅管道压力检测方法,对受内压作用下管道的压力检测进行了理论分析和实验研究。压力管道采用长度为500mm、外径×厚度为(D114×2的用于输送低压流体的碳素结构钢（GB/700-1999）Q195焊管,其尺寸参照国家应用标准系统给出的关于管子尺寸系列标准,即GB/T17395。通过SB-4.0型手动试压泵对压力管道进行加、卸压试验。主要研究内容如下：（1）在内压的作用下,压力管道的环向和轴向将产生压应力,从而导致沿管线环向和轴向粘贴在管道外壁上的光纤Bragg光栅发生相应的Bragg波长移位。通过这一理论建立数学传感模型。（2）根据厚壁圆筒的弹性分析,即Lame应力公式,结合广义胡克定律,将相关参数代入管道压力测量的数学模型,计算得出其环向和轴向的响应灵敏度分别为：179.6pm/MPa、37.9pm/MPa；理论分辨率分别为：0.006 MPa/pm、0.026 MPa/pm。（3）试验表明,沿管道环向和轴向的测量灵敏度分别为：环向为181.1 pm/MPa；轴向为26.7 pm/MPa；实际分辨率分别为：0.006 MPa/pm、0.037 MPa/pm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 压力管道
• 1.3 国内外管道检测的研究现状
• 1.4 管道检测方法及其分类
• 1.4.1 人工巡视法
• 1.4.2 红外线成像法
• 1.4.3 检漏电缆法
• 1.4.4 质量/流量平衡法
• 1.4.5 压力分布图法
• 1.4.6 漏磁检测法
• 1.4.7 超声波检测法
• 1.4.8 负压波法
• 1.5 各种用于管道检测的方法对比
• 1.6 小结
• 第二章 光纤Bragg光栅管道压力测量模型
• 2.1 引言
• 2.2 光纤Bragg光栅对管道压力的传感结构及其测量原理
• 2.3 管道压力的测量模型
• 2.3.1 内压作用下的管道应力应变分析
• 2.3.2 光纤Bragg光栅检测管道压力的传感模型
• 2.4 小结
• 第三章 光纤Bragg光栅管道压力测量系统研制
• 3.1 引言
• 3.2 测试模型的材料选择
• 3.3 测试系统的组装
• 3.4 光纤Bragg光栅的粘贴与熔接
• 3.4.1 光纤Bragg光栅传感器的粘贴
• 3.4.2 光纤的熔接和熔点保护
• 3.5 小结
• 第四章 管道压力的光纤Bragg光栅测量实验
• 4.1 引言
• 4.2 测试原理
• 4.2.1 液压试验测试原理
• 4.2.2 温度试验测试原理
• 4.2.3 试验中的仪器
• 4.3 实验测试与数据分析
• 4.3.1 液压试验
• 4.3.2 温度试验
• 4.3.3 实验数据分析
• 4.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文与参加课题