汽車罐車光纖光柵應變監測研究

賀柏達，李超月，王 璇，牛衛飛，高 鵬

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300192）

0 引言

汽車罐車作為易燃易爆物質及有毒介質的運載承壓容器，因其具有節省成本、運輸方便等優點，重要性日益凸顯，需求量迅速增加。汽車罐車制造企業在追求產品數量的同時，在設計制造等環節難免會存在一些隱患問題。汽車罐車實際運輸中工況載荷復雜，包括路況平整度、環境溫度變化、車輛急啟急停等因素，都會使其內部載荷處于不同程度的波動中，加速隱患部位的失效。再加上罐車內存儲的物質具有易燃易爆或有毒性質，一旦發生部件失效或事故，將會造成巨大危險和財產損失，因此，對于罐體設計制造可靠性和結構本質的安全性提出了更高的要求。

罐體變形是罐車一個主要失效風險因素[1]。罐車殼體發生變形是指在受到內部或外部的載荷后，殼體的局部或整體發生幾何形狀的情況。根據受力的來源其變形表現分為兩部分：一是受到外力，造成殼體局部凹陷或凸起，表現為罐體橢圓度嚴重超出標準要求；二是受到內部的循環應力，由于罐體局部結構發生突變，形成局部應力集中，當其達到材料屈服點附近時，每一次的應力循環，罐體受力部分都會產生一定的塑性變形，在使用過程中，這種反復塑性變形循環的累積，就可能造就其低周期疲勞破壞[2]。

目前，對汽車罐車的檢驗方法主要是超聲波、磁粉、滲透，但這些方式不能長期反映設備的運行情況，無法對罐體發展初期的潛在疲勞損傷累積進行監測。光纖光柵是近年發展起來的一種新型光纖無源器件，光纖光柵傳感器是可以敏銳感知外界參量變化的敏感元件，它具有諸多優點，包括抗電磁干擾能力強、信噪比高、禁受苛刻環境、集感知和數據傳導與一體、操作簡便等。光纖光柵傳感技術已經在航空航天、航海、民用建筑等領域廣泛應用[3]。

科研工作者已經進行了光纖光柵傳感技術在移動式壓力容器中的應用研究工作。高宏[4]提出了一套合理的基于光纖傳感技術的應力狀態監測流程，利用有限元分析確定應力熱點區域，將實驗結果與有限元分析結果進行分析，驗證了該方法在長管拖車氣瓶應力狀態監測的可行性，對氣瓶進行預知性檢驗及健康安全評估提供了指導意義。杜昕[5]對長管拖車氣瓶應變在線監測系統的必要性做了簡要概述，針對長管拖車氣瓶的裂紋和鼓包等機械損傷形式，搭建了一種用于長管拖車氣瓶的光纖光柵應變狀態監測系統框架，并介紹了系統結構組成和工作流程。蔣駿[6]統計了2010—2015 年長管拖車定期檢驗數據，指出泄漏是長管拖車的主要失效模式之一，進而確定了泄漏的主要部件是氣瓶端塞和管路閥門，提出了基于光纖光柵溫度傳感器的壓縮天然氣泄漏的監測預警方法，通過對長管拖車的泄漏失效模式和Fluent 泄漏模擬的結果分析，確定光纖光柵溫度傳感器的關鍵風險點位置。為了防止移動式壓力容器介質泄漏，最大限度降低事故發生率，陳武朝[7]從壓力容器的介質探測、系統結構入手，研究了包括壓力等重要監測參數在內的監測系統設計方案。

隨著光柵周圍的物理參量（溫度、應變等）改變，光柵周期隨之調整，使得光纖光柵反射波長發生變化。因此通過中心波長的變化規律，可以確定周圍物理參量的變化狀況。可見，開展基于光纖光柵應變監測技術對汽車罐體變形應用研究，對保證罐車使用的安全性和經濟效益具有重要意義。

1 光纖光柵罐體應變監測

1.1 工作原理

當一束寬光譜光經過光柵時，符合光纖光柵布拉格條件的部分波長將發生反射，其他的光將不受光纖光柵的影響繼續向前透射（圖1）。其工作原理是基于被光纖光柵所反射回去的中心波長λB的測量，根據模耦合理論：

圖1 光纖光柵傳感器原理

式中，Λ 為光柵周期，neff為纖芯的有效折射率。

反射的中心波長信號λB與纖芯的有效折射率neff、光柵周期Λ 有關，當被感知物理量發生波動都會引起諧振波長的改變，這樣通過監測光纖光柵反射光中心波長的波動就可以感知被測參量（溫度、應變等）的變化情況。

（1）應變。光纖光柵的中心波長變化量△λ 和軸向應變△ε的關系如式（2）所示：

（2）溫度。設溫度變化為△T 與光纖光柵中心波長的變化△λ 之間的關系為：

應變和溫度對波長的作用可以是獨立、線性疊加的。在長期應用光纖光柵技術的過程中，由于存在光纖光柵對溫度的敏感度較高，相比較于對應變參量的敏感度高10 倍。因此監測過程的溫度變化范圍較大時，對應變的監測數據精度將受到較大干擾，對于溫度干擾問題應考慮去除。

1.2 系統構成

光纖光柵監測系統是一個多功能智能系統，其主要作用包括集信號采集、波長解調、信號分析處理等。如圖2 所示，其整個工作流程為：根據需求將傳感器接入對應的通道中，通過光纜實現參量信號的傳輸。進入解調儀的信號實時分析解調處理以及存儲，最后將解調信號輸出到屏幕端，直接反映出所測位置實時載荷應變和溫度信息。

圖2 罐車應變監測系統

2 罐車應變實驗

選擇液化氣體罐車作為研究對象，其罐體為單層結構。罐車處于定期檢驗期間，在氣密性試驗前需要將應變監測設備布置于實驗現場。實驗所需要的儀器為光纖光柵應變傳感器、溫度傳感器、光纖法蘭盤、光纖解調儀、光纖線纜、膠水等。

2.1 傳感器布置方案

因罐體具有對稱性，在罐體中部沿某一圓形罐壁外側設置4 個傳感器布置區域，如圖3 所示，分別為1、2、3、4 處。1 處在罐體最下沿，4 處在罐體頂部，相鄰傳感器布置區域之間夾角為60°。溫度和應變是影響光柵布拉格波長變化的主要物理量，但光纖光柵并不能分辨溫度和應變各自的影響，實際工程中比較精確的應變測量，需要溫度補償技術消除溫度對光柵的影響，因此緊鄰應變傳感器串聯一個溫度傳感器作為溫度補償使用，把應變傳感器與相鄰的溫度傳感器作為一組。在每個傳感器布置區域設置兩組傳感器，一組沿著罐體圓周方向，另一組沿著軸向布置，兩組傳感器呈相互垂直狀態。

圖3 傳感器在罐體布置區域

2.2 傳感器的安裝

在工程應用中，因為裸光柵非常纖細，應該慎重布置，以達到較高的傳感器成活率和充分感知被監測物體的應變情況。一般的布置工藝如下：

（1）打磨清洗。首先使用打磨機或其他設備等，去除掉罐體表面的油漆、污漬和氧化物，使得表面光滑。再利用砂紙和酒精進一步拋光和擦干凈。

（2）粘貼。用502 膠水涂抹在光纖傳感器的鐵片上，再將傳感器按壓在物體表面一段時間，保證粘接強度。如圖4 所示，將其粘貼在需要布點的位置，再將傳感器用法蘭與接線連接起來，接入光纖解調儀，如圖5 所示。根據工況對傳感器選擇一定保護措施，以免遭受損壞。

圖4 傳感器在罐體實際布置情況

圖5 光纖接入解調儀

3 實驗數據分析

首先根據區域的劃分對傳感器編號。沿周向的傳感器用大寫字母表示，沿軸向的傳感器用小寫字母表示，即為1 區（A、a），2 區（B、b），3 區（C、c），4 區（D、d）。在氣密性試驗開始前，對光柵系統進行設置，首先對各通道的光柵光譜掃描，查看接收信號數量和強度，以保證所有傳感器信號的連續接收。下一步根據傳感器出廠基本參數設置其在系統中的初始參量。配置好參數后開始運行，此時應變傳感器數值在零值附近波動，也就是將初始數據調零，并記錄此時的溫度值。

在氣密性試驗過程中，定期記錄壓力表數值，數值隨著充放氣過程呈現上升、平穩、下降3 個階段。從開始充氣升壓之后，所有應變傳感器數據都在保持一定的斜率上升，在220 min時刻達到最大值。220～365 min 時間段內數值在最高點附近波動，個別傳感器出現輕微下降趨勢。在365 min 之后，應變傳感器數據快速下降，有6 只傳感器數值下降到零值以下。因為在解壓過程，氣體會吸熱并排出罐體溫度下降，根據熱脹冷縮原理，罐體處于收縮狀態。應變傳感器數值變化規律完全對應壓力表在整個氣密性試驗過程中的變化規律。應變傳感器能夠直接反映出罐體應變值變化量，進而判斷罐體內部壓力變化。應變傳感器數值見圖6。

圖6 應變傳感器數值

圖7 是4 個位置處的8 只溫度傳感器溫度曲線圖。在初始階段2、3、4 處溫度變化率較快，d 溫度傳感器監測到最高溫度值為49.3 ℃，因為這三處地方處于太陽光照范圍內而受到影響。1 處位于罐體底部，溫度傳感器數值緩慢上升，且該位置兩只溫度傳感器數值在同一時刻差值非常小，基本上處于重合狀態，到365 min 時刻達到最高值。在365 min 之后，所有溫度傳感器數值快速下降，對應了在365 min 時間節點，保壓完成開始放氣的過程。在整個過程中，溫度傳感器不僅監測該位置處的溫度變化，還有給應變傳感器做溫度補償的功能。

圖7 溫度傳感器數值

由表1 可知，4 個位置處周向應變值大于軸向應變值，比值為1.6～3.3。位置4 處（罐頂）應變值在周向（877.1 με）和軸向（311.5 με）均為最大值；位置1 處（底部）應變值周向（279.3 με）和軸向（136.0 με）均為最小值。其他兩處應變值在1 和4 處之間。造成這種現象的原因是1 處周圍有支撐架對變形有一定的阻礙作用，再就是4 處位于頂端受溫度因素影響大。通過這4 個位置的數值可以推導出罐體各處應變值不同，會出現局部應力較大且應力分布不均勻現象。

表1 最高點處（220 min）應變值

4 總結

針對移動式壓力容器常規檢測無法檢測罐體局部變形以及疲勞損傷問題，提出使用光纖光柵應變傳感器對罐體進行應變監測研究，并采用溫度補償方式剔除溫度參量變化對應變傳感器的影響。通過對罐體光纖光柵應變監測實驗，該方法能夠良好反映監測部位的應變情況，可以對運行狀態突發變化做出多點判斷準確預警，以及在今后長期監測過程可以累積記錄應變量，對疲勞損傷監測做出可行性研究。