石化设备的光纤光栅动态传感监测方法研究

发布时间：2019-09-30 16:17

【摘要】：石油化工在国民经济中占据极为重要的位置。然而,石化行业的安全问题突出,特别是设备老化、管理不善等成为诱发安全事故的主因。石化设备日益朝着大型化、自动化、智能化方向发展,设备状态变化呈现出时变性、多维性、耦合性等特点,这给设备监测带来了更大的难度,对设备管理提出了更高的要求。因此,实施设备状态监测和维修管理已非常必要。设备状态维修的根本在于实时、在线的动态监测。常规的电磁类传感检测技术虽然满足了一定的应用需求,但对石化等高温、高压、易燃、易爆的危险场合,则在应用上受到很大限制。光纤光栅传感技术具有本征安全、抗电磁干扰、耐高温、高压、易于复用组网、信号传输距离远等诸多优点,为石化设备的安全监测提供了新的手段和思路。针对机械设备的动态监测,虽有一些机构或个人正在开展一些研究,但目前可用的产品很少,产品性能还较差,不能很好地满足监测需求。基于以上背景,本文开展石化设备的光纤光栅动态传感监测方法的研究工作将有创新性和实用价值,因而具有重要意义。石化设备的光纤光栅动态传感监测方法研究是一个多学科交叉的综合性研究课题。因此,本文以光纤动态传感技术为研究对象,以动态监测系统的集成和应用为研究目标,从多学科角度,采用理论、实(试)验和现场测试等手段,对光纤光栅制备与封装、动态传感与检测、系统集成与应用等方法进行了较为深入地研究,其主要研究内容和结论如下:(1)研究了光纤光栅的制备和封装工艺。分析了光纤的机械性能和传感光栅的特征参数,从提高光敏性、稳定性和控制主要特征参数方面研究了高性能光纤光栅的制备技术和工艺;研究了光纤光栅的两种封装工艺。首先,从封装材料、粘黏工艺、传感器结构设计等方面对粘黏式封装工艺进行理论分析和实验研究;其次,从光纤光栅预处理、表面金属化、金属焊接封装等方面对金属化封装工艺进行了研究;最后,采用两种工艺封装了FBG温度和应变传感器,通过耐老化和疲劳试验对其长期可靠性进行了考核,结果表明:两种工艺封装的传感器均表现出较好的稳定性,满足工程应用对长期可靠性的要求。(2)研究了光纤光栅的动态传感与检测方法。分析了动态信号的光纤光栅解调方法现状,对存在的问题进行了研究。对边沿滤波解调精度的不足,提出了FBG的带光强补偿的差分检测方法及CFBG的光强比值检测方法,通过试验验证了它们的可行性。针对现有方法检测能力的不足,提出了基于波分复用的解调新方法。分析了动态传感器的设计理论和原则,设计并研制了两种光纤光栅动态测量传感器。第一,针对高速旋转机械振动频响高、振动幅值大的特点,设计了一种推挽式结构光纤光栅振动传感器;采用了双啁啾光栅匹配法解调,消除了温度影响,提高了测量范围;实验测得传感器的固有频率为3232Hz,工作频段约为10-1000 Hz,最大测量加速度达4g,灵敏度约为66 mv/ms-2,横向抗干扰系数小于6.6%,重复性误差小于5%。第二,针对机泵状态监测的需要,研制了集三维振动与温度测量于一体的光纤光栅传感器。实验测得传感器的三维频响范围都在10~500Hz内,加速度测量范围为0.1~1.0g,线性灵敏度约为70mv/ms-2,交叉串扰系数大于22dB,测量空间加速度的最大误差为4.8%,温度变化不影响传感器的动态性能,温度传感器的灵敏度为24pm/℃。(3)研究机械设备的光纤光栅动态传感监测系统的设计与集成方法。首先,分析了机械(石化)设备的工作特点和监测需求,设计了系统的基本架构和功能模块。紧接着研究了机械设备(以轴承和转子为例)光纤光栅状态监测方法;研究了机械动态信号分析和故障诊断方法;研究了光纤光栅动态监测系统的(信号导出、传输、数据库及多参数融合等技术的)集成方法;最后,通过机械设备的故障模拟试验,测试了集成的光纤光栅动态监测系统。系统能较好地完成了各项测试任务,测试结果与相关分析吻合,验证了集成系统的应用可行性。(4)依托科研项目,将光纤光栅动态传感监测系统应用到石化设备中,分别以水泵、压缩机组和机泵群为对象进行了应用试验。第一,对石化厂水泵的轴承座、叶轮和地脚螺栓的振动情况进行了在线检测,采集到水泵故障发生前、后的数据,准确诊断出了故障类型和部位;第二,对石化厂往复式压缩机的气缸振动和气阀温度进行了长期监测,通过多种检测方法的对比测试,验证了光纤监测方法的可行性;第三,对石化厂的热辐射机泵群进行了长期在线监测,构建了机泵群振动和温度的光纤光栅在线监测系统,采集到某台机泵轴承发生故障的数据,数据分析诊断结果与拆机后检查情况一致。上述试验成果验证了光纤光栅动态监测系统在石化设备中应用的可行性和优越性。
【图文】：

石化设备的光纤光栅动态传感监测方法研究

FBG的结构

折射率分布

近年来有些学者开展CFBG的传感研究，试图突破FBG在应用中的瓶颈问题无论是采用 FBG，还是 CFBG 制作的光纤光栅传感器，其性能好坏都将决于光纤光栅本身的质量和所采用的封装工艺。因此本章重点研究高性能传感栅的制备方法以及提高光纤光栅传感器长期可靠性的封装工艺。.1 光纤光栅的传感理论.1.1 耦合模理论光纤光栅（FBG）是基于光纤材料的光敏性制成的，其结构如图 2-1 所示，过特定波长的激光照射，使光纤纤芯的折射率发生永久性改变，，形成如图 2-2示的折射率分布。由于照射后光纤波导条件发生了改变，使具有一定波长的波在该区域发生相应的模式耦合，这便是 FBG 的耦合模理论[78]。该理论对反光所应满足的条件进行了数学推导，其结论是反射光的波长决定于光栅有效射率和光栅周期，任何使这两个参量发生改变的物理量都可以被其感应，这是光纤光栅用于传感测量的理论依据。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE687

【参考文献】