王雅莉,徒 蕓,涂善東,于新海,郭永寧,任利杰,陳時(shí)健

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237;2.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)有限公司,江蘇蘇州 215001)

0 引言

低碳化石能源液化天然氣(LNG)作為一種過(guò)渡燃料,在全球能源組合中的重要性與日俱增。同時(shí),LNG因具有易泄漏、易揮發(fā)擴(kuò)散和易燃易爆等特性,其生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、接收氣化及終端應(yīng)用系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行問(wèn)題日益凸顯[1]。LNG系統(tǒng)使用了大量閥門(mén),其中LNG低溫球閥因流阻小、操作時(shí)間短、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于LNG裝置,其密封性能對(duì)于LNG系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),LNG低溫球閥的常見(jiàn)密封失效主要是球閥球體與閥座間密封副失效發(fā)生內(nèi)漏,以及殼體連接部位密封失效和閥桿填料密封失效發(fā)生外漏[2]。尤其是當(dāng)LNG流入閥體內(nèi)時(shí),局部存在溫差,導(dǎo)致冷縮變形不一致,同時(shí)閥座處密封材料、球體在低溫下變形,均易造成球體與閥座密封失效發(fā)生泄漏[3]。因此,LNG球閥在低溫工況下的變形情況直接影響球閥的內(nèi)密封性能。目前針對(duì)LNG球閥低溫變形的研究主要集中于利用有限元進(jìn)行低溫工況下的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析[3-4],但實(shí)際運(yùn)行工況下LNG球閥變形情況更為復(fù)雜,其應(yīng)力應(yīng)變分布極不均勻[3,5]。因此,有必要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LNG球閥低溫工況下的應(yīng)變分布,這將為其設(shè)計(jì)制造提供重要基礎(chǔ)依據(jù)。

目前最常用電阻應(yīng)變片測(cè)量低溫應(yīng)變[6-7],但其存在易受電磁干擾、熱致非線性,以及導(dǎo)線熱干擾等缺點(diǎn),測(cè)量精度和可靠性難以保障,且在監(jiān)測(cè)LNG系統(tǒng)時(shí)存在燃爆安全隱患[7-8]。光纖布拉格光柵(FBG)應(yīng)變傳感器因具有尺寸小、質(zhì)量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、熱導(dǎo)率低、耐腐蝕、可準(zhǔn)分布式傳感等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)被用于低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量[9-11]。目前主要采用全涂覆封裝方式,用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑將敏感光柵直接粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面測(cè)量其低溫恒溫下的應(yīng)變。然而,FBG作為敏感元件對(duì)溫度與應(yīng)變敏感,這制約了利用FBG應(yīng)變傳感器測(cè)量因溫度變化引起的被測(cè)結(jié)構(gòu)變形。

為解決FBG傳感器交叉敏感的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛研究。其中,參考光柵法是最簡(jiǎn)單、最常用的溫度補(bǔ)償方法[12-14]。該方法通過(guò)在測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的光柵旁放置另一支光柵,該光柵作為參考光柵僅感知被測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度變化而不受其應(yīng)變影響,最后通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理剝離溫度效應(yīng)。目前參考光柵溫度補(bǔ)償方案主要有兩種:一是以與測(cè)量應(yīng)變FBG傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的另一個(gè)FBG傳感器為參考光柵,通過(guò)測(cè)量應(yīng)變FBG傳感器的波長(zhǎng)變化減去參考光柵的波長(zhǎng)變化剝離溫度效應(yīng)[13];二是以一個(gè)FBG溫度傳感器為參考光柵,通過(guò)FBG溫度傳感器測(cè)量溫度變化,再代入FBG應(yīng)變傳感器在外載和溫度共同作用下的表達(dá)式計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償[12]。然而,方案一得到的是被測(cè)結(jié)構(gòu)的機(jī)械應(yīng)變,而非溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形;方案二忽略了裸光纖熱光系數(shù)影響,存在誤差。

針對(duì)低溫結(jié)構(gòu)應(yīng)變難以精確可靠測(cè)量的問(wèn)題,本文開(kāi)展了基于光纖光柵傳感器溫度補(bǔ)償?shù)牡蜏貞?yīng)變測(cè)量方法研究。首先,針對(duì)現(xiàn)有基于參考光柵的FBG應(yīng)變測(cè)量溫度補(bǔ)償法測(cè)量溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形存在誤差的問(wèn)題,理論推導(dǎo)了考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法;然后,制備了耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,研究了其室溫至液氮溫度下的應(yīng)變響應(yīng)特性;進(jìn)而通過(guò)低溫溫度響應(yīng)試驗(yàn),分析了溫度補(bǔ)償算法的準(zhǔn)確性;最后,通過(guò)監(jiān)測(cè)LNG球閥球體從室溫浸沒(méi)液氮過(guò)程的應(yīng)變變化,驗(yàn)證了基于膠封裝FBG應(yīng)變傳感器和考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法監(jiān)測(cè)LNG球閥低溫應(yīng)變的可行性。

1 考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償

對(duì)于均勻周期FBG,反射峰的中心波長(zhǎng)取決于纖芯有效折射率和光柵周期,可表示為[15]

λB=2neffΛ

(1)

式中:λB為FBG的初始中心波長(zhǎng),nm;neff為纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期,nm。

由式(1)全微分可得FBG的中心波長(zhǎng)偏移量為

ΔλB=2ΔneffΛ+2neffΔΛ

(2)

式中:ΔλB為FBG的中心波長(zhǎng)偏移量,nm;Δneff為纖芯的有效折射率變化量;ΔΛ為光柵周期變化量ΔΛ=εf·Λ,nm;εf為溫度變化和外載共同作用引起的光纖軸向應(yīng)變(含機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變)。

纖芯的有效折射率與溫度和光纖應(yīng)變均有關(guān),因此,溫度變化和光纖變形共同作用引起的有效折射率變化量可表示為[15]

(3)

式中:T、ΔT為溫度及其變化量,℃;l、Δl為光纖長(zhǎng)度及其變化量,mm。

對(duì)于均勻周期FBG,若同時(shí)受溫度和應(yīng)變作用,忽略溫度與應(yīng)變交叉敏感系數(shù),聯(lián)立式(1)～式(3),可得到中心波長(zhǎng)偏移量與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為:

(4)

由式(4)推導(dǎo)可得:

(5)

式中:ξ為光纖的熱光系數(shù),ξ=?neff/(neff?T),℃-1;Kεf為光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù),Kεf=1-Pe;Pe為光纖的彈光系數(shù),Pe=-(?neff/neff)/εf。

封裝的FBG應(yīng)變傳感器固定于被測(cè)結(jié)構(gòu)并隨之變形,二者變形協(xié)調(diào)。因被測(cè)結(jié)構(gòu)的截面積與彈性模量均遠(yuǎn)大于光纖的截面積與彈性模量,則光纖的應(yīng)變可近似等于與被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。因此,根據(jù)式(5),FBG應(yīng)變傳感器的中心波長(zhǎng)偏移量與溫度和被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的關(guān)系可表示為:

(6)

式中:λB1、ΔλB1分別為FBG應(yīng)變傳感器的初始中心波長(zhǎng)及中心波長(zhǎng)偏移量,nm;ε為被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變(含機(jī)械應(yīng)變和熱應(yīng)變);Kε為FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

如果在FBG應(yīng)變傳感器附近放置一個(gè)FBG溫度傳感器作為參考光柵,該FBG溫度傳感器不受外載且無(wú)幾何約束,僅由溫度變化引起的中心波長(zhǎng)偏移量與溫度的關(guān)系可表示為[11]

(7)

式中:λB2、ΔλB2分別為FBG溫度傳感器的初始中心波長(zhǎng)及中心波長(zhǎng)偏移量,nm;KT為FBG溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù),℃-1。

假設(shè)FBG應(yīng)變傳感器與FBG溫度傳感器被認(rèn)為處于同一溫度場(chǎng),則聯(lián)立式(6)及式(7),可求得被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

若裸FBG作為溫度傳感器,則由式(8)可得:

(9)

式中:λbare、Δλbare分別為裸FBG的初始中心波長(zhǎng)及中心波長(zhǎng)偏移量,nm;KT為裸FBG的溫度靈敏度系數(shù),KT=αf+ξ,℃-1;αf為光纖的熱膨脹系數(shù),℃-1。

研究表明,液氮溫度下普通摻鍺光纖熱光系數(shù)是相對(duì)室溫的割線熱膨脹系數(shù)的3倍[16-17]。因此,為測(cè)量溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形,可將封裝的FBG應(yīng)變傳感器固定于被測(cè)結(jié)構(gòu),同時(shí)在其附近放置一個(gè)裸FBG作為參考光柵。那么根據(jù)式(9),可求得從室溫至液氮溫區(qū)的溫度變化引起的被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變?yōu)?

(10)

2 低溫FBG應(yīng)變傳感器制備及標(biāo)定

2.1 傳感器封裝

選用柵長(zhǎng)3 mm的丙烯酸酯涂覆FBG作為敏感光柵,可常溫固化的DW-4聚氨酯低溫膠粘劑作為封裝材料。為研究膠封裝FBG應(yīng)變傳感器低溫下的應(yīng)變響應(yīng)特性,選擇與LNG球閥同材質(zhì)的316L不銹鋼矩形橫截面板材拉伸試樣,平行長(zhǎng)度120 mm,平行長(zhǎng)度內(nèi)的寬度為15 mm,厚度為3 mm。

經(jīng)優(yōu)化的膠封裝工藝如下:

(1)清洗試樣表面:用丙酮溶液沖洗試樣,以清除表面油污,以清除試樣表面的油污;

(2)沖洗光柵:用蒸餾水沖洗光纖,以去除光柵表面灰塵;

(3)配膠:將DW-4膠的A和B雙組分按1.81∶1的質(zhì)量比調(diào)配后攪拌均勻,隨后靜置10 min以盡量減少攪拌產(chǎn)生的氣泡;

(4)涂膠:先將光柵預(yù)拉伸,然后用聚酰亞胺膠帶將光柵兩端粘貼固定于試樣表面,再將DW-4膠均勻涂刷在光柵柵區(qū)兩側(cè)。涂刷過(guò)程應(yīng)盡量保證膠層厚度均勻,膠層長(zhǎng)×寬約為10 mm×6 mm,間距約為14 mm;

(5)固化:將DW-4膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在常溫下靜置3 d固化。

采用上述膠封裝工藝在拉伸試樣表面制備2個(gè)膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,如圖1所示。2個(gè)傳感器敏感光柵的初始中心波長(zhǎng)分別約為1 530 nm和1 545 nm,因而2個(gè)傳感器分別記為FBG1530、FBG1545。

圖1 制備于板材試樣表面的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器

光纖光柵的膠封裝工藝會(huì)影響光譜特性,圖2給出了膠封裝前后FBG在室溫下的反射光譜?？梢钥闯?2根FBG的反射譜形狀和反射峰幅值均無(wú)明顯變化,中心波長(zhǎng)也無(wú)明顯偏移。上述結(jié)果說(shuō)明,兩端膠粘、室溫固化的膠封裝工藝沿光柵未產(chǎn)生明顯殘余應(yīng)力,不改變FBG的反射光譜形狀,不影響FBG的光譜特性。

圖2 膠封裝前后FBG在室溫下的反射光譜

2.2 低溫拉伸試驗(yàn)

利用集成了低溫試驗(yàn)箱的CMT5504型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖3),測(cè)試制備于板材試樣表面的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的靜態(tài)性能。液氮制冷的低溫試驗(yàn)箱可將試樣冷卻至液氮溫度,箱體內(nèi)設(shè)有一鎧裝鉑電阻(RTD),測(cè)溫精度可達(dá)±0.3 ℃。板材試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭通過(guò)銷釘連接置于試驗(yàn)箱內(nèi),鉑電阻測(cè)溫端應(yīng)盡可能位于兩光柵中間位置,保證光柵與鉑電阻處于相同溫度環(huán)境。

圖3 低溫單軸拉伸試驗(yàn)裝置

在多組恒定低溫下,采用載荷控制的方式對(duì)板材試樣進(jìn)行單軸拉伸多級(jí)階梯式加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度分別為20 ℃(室溫)、0 ℃、-40 ℃、-80 ℃、-120 ℃、-162 ℃(LNG溫度)、-183 ℃(液氧溫度)、-196 ℃(液氮溫度,因低溫箱密封性限制,實(shí)際最低溫度為-194 ℃)。當(dāng)冷卻至每個(gè)試驗(yàn)溫度后,保溫130 min,再進(jìn)行多級(jí)加卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)以50 N/s的加載速率,以1 kN為一級(jí),從0加載至7 kN。每一級(jí)加載完成后,保載130 s使試樣變形區(qū)域穩(wěn)定,再進(jìn)入下一級(jí)加載,以便取多個(gè)中心波長(zhǎng)測(cè)量值的均值。加載至最大載荷后,以相同速率、幅值和保載時(shí)間進(jìn)行多級(jí)卸載。在同一試驗(yàn)溫度下,重復(fù)2次上述加卸載試驗(yàn)步驟,獲得3個(gè)循環(huán)的6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)拉伸試驗(yàn)過(guò)程,利用Sm125-500型光纖光柵解調(diào)儀采集膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的中心波長(zhǎng)及每級(jí)載荷下的反射光譜。

2.3 低溫應(yīng)變響應(yīng)特性分析

光柵反射光譜的穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)FBG傳感器的重要性能指標(biāo)之一。以最低試驗(yàn)溫度-194 ℃為例,FBG1530、FBG1545 2個(gè)中心波長(zhǎng)的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的反射光譜隨應(yīng)變的演變?nèi)鐖D4所示。板材試樣的應(yīng)變由試驗(yàn)機(jī)施加載荷、板材試樣平行長(zhǎng)度內(nèi)的橫截面積以及316L不銹鋼在不同低溫下的彈性模量[18]求得。-194 ℃下的拉伸過(guò)程中,膠封裝FBG的反射光譜始終保持良好的信噪比,無(wú)明顯啁啾現(xiàn)象,光譜帶寬、反射峰值、形狀等均無(wú)明顯變化,足以滿足大多數(shù)商業(yè)化光纖光柵解調(diào)儀探測(cè)光柵反射峰的要求。綜上表明,室溫固化兩端膠粘工藝制備的膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在低至液氮溫區(qū),反射光譜的形狀不受低溫以及施加載荷使試樣產(chǎn)生變形的影響,具有良好的光譜穩(wěn)定性。

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖4 -194 ℃下FBG反射光譜隨試樣應(yīng)變的演變

根據(jù)GBT18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》[19],取95%置信度,包含因子為2.57,求得的FBG1530、FBG1545在不同低溫下的重復(fù)性及回差如圖5所示。以一個(gè)拉伸循環(huán)為例,圖6給出了不同低溫下FBG1530、FBG1545中心波長(zhǎng)隨應(yīng)變的特性曲線以及線性擬合曲線。在常溫及0 ℃時(shí),由于低溫膠的粘彈性[20]導(dǎo)致遲滯效應(yīng),膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的加卸載應(yīng)變特性曲線重復(fù)性及線性度較差。隨著溫度降低至-40 ℃[21]以下,低溫膠彈性增強(qiáng),加卸載曲線回差在5%以內(nèi),重復(fù)性在10%以內(nèi),線性擬合修正確定系數(shù)分別大于0.999、0.99,說(shuō)明膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在-194～-40 ℃低溫下,對(duì)加卸載應(yīng)變無(wú)明顯的遲滯現(xiàn)象,具有良好的重復(fù)性和線性特性。

圖5 低溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的重復(fù)性及回差

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖6 低溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變特性曲線

根據(jù)FBG1530、FBG1545每一組加卸載數(shù)據(jù)的線性擬合曲線斜率,求得不同恒溫下膠封裝FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)均值,如圖7所示。常溫及0 ℃時(shí),由于低溫膠較軟,剪切強(qiáng)度低[22],膠封裝FBG應(yīng)變傳遞效率低;隨著溫度的降低,低溫膠剪切強(qiáng)度增強(qiáng)并趨于穩(wěn)定,膠封裝FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)逐漸增大,當(dāng)溫度降低至-40 ℃后,基本不再隨溫度變化而變化。FBG1530、FBG1545在-194～-40 ℃低溫下的應(yīng)變靈敏度系數(shù)平均值為0.74,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在2.4%以內(nèi)。因此,采用相同工藝制備的膠封裝FBG在-194～-40 ℃低溫下具有相同且恒定的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。裸光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)理論值約為0.791[23],膠封裝FBG的應(yīng)變靈敏度系數(shù)相比裸FBG略低,應(yīng)變傳遞效率約為94%,這是有機(jī)涂層及膠粘層造成的應(yīng)變傳遞損耗所致。

圖7 -194～-40 ℃下FBG1530、FBG1545應(yīng)變靈敏度系數(shù)隨溫度的變化

綜上所述,膠封裝FBG應(yīng)變傳感器在-194～-40 ℃低溫下對(duì)應(yīng)變響應(yīng)具有良好的線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性。相同膠封裝工藝制備的光柵傳感器,在低溫下具有相似的應(yīng)變傳感特性,應(yīng)變靈敏度系數(shù)約為0.74,基本不受溫度的影響。

3 考慮熱光系數(shù)溫度補(bǔ)償算法的準(zhǔn)確性分析

3.1 低溫溫度響應(yīng)試驗(yàn)

基于圖3中低溫拉伸試驗(yàn)裝置,進(jìn)行低溫下板材試樣的溫度響應(yīng)試驗(yàn),用以分析考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法的準(zhǔn)確性及可行性。

將膠封裝有FBG1530和FBG1545的板材試樣上端由銷釘懸掛,下端銷釘去除,無(wú)約束地懸掛在低溫箱。同時(shí),采用初始波長(zhǎng)為1 550 nm的裸光柵作為參考光柵,自由懸掛在低溫箱中。光柵位置盡量靠近鉑電阻,確保各光柵處于同一溫度場(chǎng)。降溫過(guò)程從室溫(20 ℃)以每20 ℃為一級(jí),降至-180 ℃,最后降至-196 ℃(受限于低溫箱密封性,實(shí)際最低溫度為-194 ℃),每級(jí)溫度保溫25 min;升溫過(guò)程從降溫最低溫度升至-180 ℃,后每20 ℃為一級(jí),升溫至室溫,每級(jí)溫度保溫30 min,以便取波長(zhǎng)測(cè)量值的均值。重復(fù)2組上述降溫、升溫過(guò)程,共進(jìn)行3個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)過(guò)程中3根光柵始終與Sm125-500型光纖光柵解調(diào)儀相連記錄光柵中心波長(zhǎng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T18459—2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》[19]求得6組膠封裝FBG應(yīng)變響應(yīng)曲線重復(fù)率均在0.25%以內(nèi),具有良好的重復(fù)性。基于試驗(yàn)獲得的光柵波長(zhǎng)偏移量,采用不同溫補(bǔ)算法求得板材試樣的低溫應(yīng)變,并將6組應(yīng)變數(shù)據(jù)平均值與316L不銹鋼的熱應(yīng)變理論值[24]進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。可以看出,考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法相比傳統(tǒng)溫度補(bǔ)償算法,得到的試樣應(yīng)變更接近理論值。圖9給出了不同算法得到應(yīng)變與熱應(yīng)變理論值的相對(duì)誤差。液氮溫度下,該方法的相對(duì)誤差(8.0%)小于現(xiàn)有溫度補(bǔ)償算法的相對(duì)誤差(17.4%)。因此,考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法,有效提高了溫度變化引起的應(yīng)變測(cè)量精度。

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖8 從室溫降至-194 ℃下板材試樣應(yīng)變不同解法結(jié)果對(duì)比

(a)FBG1530

(b)FBG1545圖9 從室溫降至-194 ℃下板材試樣應(yīng)變不同解法的相對(duì)誤差

4 LNG球閥球體低溫應(yīng)變測(cè)量

4.1 試驗(yàn)裝置與方法

以DN100 mm的LNG球閥為研究對(duì)象,通過(guò)FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)球閥在通入液氮后的應(yīng)變情況。FBG傳感器布點(diǎn)位置如圖10所示,除了球閥關(guān)閉時(shí)密封圈處,在關(guān)閉密封圈內(nèi)偏移1 cm處同樣布置了測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。采用2組丙烯酸酯涂覆光柵串,每組光柵串上分別刻寫(xiě)了初始波長(zhǎng)不同的5根光柵,光柵柵長(zhǎng)均為3 mm,采用優(yōu)化的兩端膠粘工藝,以DW-4低溫膠將光柵膠封裝于球閥關(guān)閉密封圈及偏移圈處。同時(shí),將一根裸光柵一端粘貼在球閥球體上,一端自由懸掛,保證其波長(zhǎng)偏移僅由球閥球體的溫度變化引起,用以溫度補(bǔ)償。

圖10 FBG串布點(diǎn)示意圖

將膠粘有FBG的球閥球體從室溫直接浸沒(méi)在液氮中,保溫約4 h后將球閥球體拿出,緩慢升溫至室溫,模擬液氮通入后接觸LNG球閥的過(guò)程。整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)降-升溫循環(huán),光柵串與Si155型光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀相連,每間隔0.1 s記錄一組光柵串的中心波長(zhǎng)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

以第1個(gè)循環(huán)為例,根據(jù)式(10)考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法求得LNG球閥密封圈及偏移圈各點(diǎn)降溫及升溫過(guò)程中的應(yīng)變結(jié)果如圖11所示。降溫升溫過(guò)程中,密封圈及偏移圈各點(diǎn)的應(yīng)變響應(yīng)趨勢(shì)相同。當(dāng)整個(gè)球體沒(méi)入液氮中后,各測(cè)量點(diǎn)收縮應(yīng)變迅速增大直至穩(wěn)定,此時(shí)球體整體達(dá)到最大收縮量;當(dāng)球體從液氮中拿出后,溫度上升,各測(cè)量點(diǎn)收縮應(yīng)變減小,直至回歸零點(diǎn),此時(shí)球體恢復(fù)原狀。此外,當(dāng)球閥球體浸沒(méi)到液氮以及從液氮分離時(shí),膠封裝FBG均測(cè)到一個(gè)瞬間載荷,這可能是由于氣液固界面力所致。試驗(yàn)結(jié)果表明,膠封裝FBG應(yīng)變傳感器可實(shí)現(xiàn)低至液氮溫區(qū)的LNG球閥球體應(yīng)變監(jiān)測(cè),為監(jiān)測(cè)LNG球閥低溫工況下的應(yīng)變分布提供技術(shù)支持。

(a)密封圈

(b)偏移圈圖11 LNG球閥各點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(第1個(gè)循環(huán))

圖12給出了球閥球體浸沒(méi)在液氮中密封圈及偏移圈測(cè)點(diǎn)的3組應(yīng)變測(cè)量結(jié)果,各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)以及對(duì)理論值的相對(duì)偏差如表1所示。由于光纖斷裂,FBG#2和FBG#5未測(cè)得第3組數(shù)據(jù);FBG1的第2、第3組測(cè)量值突變且不再恢復(fù),FBG#3測(cè)量值遠(yuǎn)小于理論值,這可能是開(kāi)膠導(dǎo)致應(yīng)變傳遞效率降低所致,進(jìn)行應(yīng)變分析時(shí)去除上述異常點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)球閥在液氮中變形穩(wěn)定后,測(cè)得密封圈各點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果在3 800～4 800 με,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在10%以內(nèi),相對(duì)理論值的偏差基本在30%以上,大于316L不銹鋼的理論熱應(yīng)變[24],這是由于密封圈處存在約束應(yīng)力所致。偏移圈各點(diǎn)測(cè)量結(jié)果在2500～3600 με,標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)在15%以內(nèi),相對(duì)理論值的偏差在18%以內(nèi),測(cè)量值與理論值接近。試驗(yàn)結(jié)果表明,基于膠封裝FBG應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)LNG球閥球體低溫應(yīng)變具有一定可行性,從室溫降溫至液氮溫度后,LNG球閥球體密封圈處收縮變形較大,更容易發(fā)生泄漏。

圖12 LNG球閥球體密封圈、偏移圈各點(diǎn)應(yīng)變與厚度關(guān)系

表1 LNG球閥球體室溫浸沒(méi)液氮中的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用兩端粘貼工藝制備了膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,并通過(guò)低溫下的單軸拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)了其線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性,標(biāo)定了其應(yīng)變靈敏度系數(shù);基于光纖光柵傳感原理,理論推導(dǎo)了考慮光纖熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法,并通過(guò)低溫下板材試樣的溫度響應(yīng)試驗(yàn)分析了其準(zhǔn)確性;最后通過(guò)LNG球閥球體的低溫應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)上述研究得出以下結(jié)論:

(1)采用兩端粘貼和室溫固化相結(jié)合的封裝工藝,可成功制備耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,封裝工藝不改變FBG的反射光譜形狀;該傳感器-194～-40 ℃溫度范圍內(nèi)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)不隨溫度變化,且對(duì)應(yīng)變響應(yīng)具有良的線性、穩(wěn)定性及重復(fù)性。

(2)采用理論推導(dǎo)的考慮光纖熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法,利用耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器,測(cè)得不受外載且無(wú)幾何約束下板材試樣從室溫降至-194 ℃的熱應(yīng)變,與熱應(yīng)變理論值相比,液氮溫度下該方法的相對(duì)誤差(8.0%)小于現(xiàn)有溫度補(bǔ)償算法的相對(duì)誤差(17.4%),說(shuō)明該算法有效提高了溫度變化引起的應(yīng)變測(cè)量精度。

(3)基于耐低溫膠封裝FBG應(yīng)變傳感器和考慮熱光系數(shù)的溫度補(bǔ)償算法,結(jié)合裸光柵作為參考光柵,實(shí)現(xiàn)低至液氮溫區(qū)的LNG球閥球體低溫應(yīng)變監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)液氮浸泡下球體密封圈處應(yīng)變測(cè)量值大于理論值,為反映LNG球閥在低溫工況下內(nèi)密封性能提供了重要基礎(chǔ)依據(jù)。