石化設(shè)備的光纖光柵動態(tài)傳感監(jiān)測方法研究.pdf

1、石油化工在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)極為重要的位置。然而，石化行業(yè)的安全問題突出，特別是設(shè)備老化、管理不善等成為誘發(fā)安全事故的主因。石化設(shè)備日益朝著大型化、自動化、智能化方向發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)變化呈現(xiàn)出時變性、多維性、耦合性等特點(diǎn)，這給設(shè)備監(jiān)測帶來了更大的難度，對設(shè)備管理提出了更高的要求。因此，實(shí)施設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和維修管理已非常必要。設(shè)備狀態(tài)維修的根本在于實(shí)時、在線的動態(tài)監(jiān)測。常規(guī)的電磁類傳感檢測技術(shù)雖然滿足了一定的應(yīng)用需求，但對石化等高溫、高壓、易燃、

2、易爆的危險(xiǎn)場合，則在應(yīng)用上受到很大限制。光纖光柵傳感技術(shù)具有本征安全、抗電磁干擾、耐高溫、高壓、易于復(fù)用組網(wǎng)、信號傳輸距離遠(yuǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，為石化設(shè)備的安全監(jiān)測提供了新的手段和思路。針對機(jī)械設(shè)備的動態(tài)監(jiān)測，雖有一些機(jī)構(gòu)或個人正在開展一些研究，但目前可用的產(chǎn)品很少，產(chǎn)品性能還較差，不能很好地滿足監(jiān)測需求。基于以上背景，本文開展石化設(shè)備的光纖光柵動態(tài)傳感監(jiān)測方法的研究工作將有創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值，因而具有重要意義。石化設(shè)備的光纖光柵動態(tài)傳感監(jiān)測方法

3、研究是一個多學(xué)科交叉的綜合性研究課題。因此，本文以光纖動態(tài)傳感技術(shù)為研究對象，以動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的集成和應(yīng)用為研究目標(biāo)，從多學(xué)科角度，采用理論、實(shí)（試）驗(yàn)和現(xiàn)場測試等手段，對光纖光柵制備與封裝、動態(tài)傳感與檢測、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等方法進(jìn)行了較為深入地研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了光纖光柵的制備和封裝工藝。分析了光纖的機(jī)械性能和傳感光柵的特征參數(shù)，從提高光敏性、穩(wěn)定性和控制主要特征參數(shù)方面研究了高性能光纖光柵的制備技術(shù)和工藝；研究

4、了光纖光柵的兩種封裝工藝。首先，從封裝材料、粘黏工藝、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對粘黏式封裝工藝進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)研究；其次，從光纖光柵預(yù)處理、表面金屬化、金屬焊接封裝等方面對金屬化封裝工藝進(jìn)行了研究；最后，采用兩種工藝封裝了FBG溫度和應(yīng)變傳感器，通過耐老化和疲勞試驗(yàn)對其長期可靠性進(jìn)行了考核，結(jié)果表明：兩種工藝封裝的傳感器均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，滿足工程應(yīng)用對長期可靠性的要求。⑵研究了光纖光柵的動態(tài)傳感與檢測方法。分析了動態(tài)信號的光纖光柵解調(diào)

5、方法現(xiàn)狀，對存在的問題進(jìn)行了研究。對邊沿濾波解調(diào)精度的不足，提出了FBG的帶光強(qiáng)補(bǔ)償?shù)牟罘謾z測方法及CFBG的光強(qiáng)比值檢測方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了它們的可行性。針對現(xiàn)有方法檢測能力的不足，提出了基于波分復(fù)用的解調(diào)新方法。分析了動態(tài)傳感器的設(shè)計(jì)理論和原則，設(shè)計(jì)并研制了兩種光纖光柵動態(tài)測量傳感器。第一，針對高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動頻響高、振動幅值大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種推挽式結(jié)構(gòu)光纖光柵振動傳感器；采用了雙啁啾光柵匹配法解調(diào)，消除了溫度影響，提高了測量范圍

6、；實(shí)驗(yàn)測得傳感器的固有頻率為3232Hz，工作頻段約為10-1000 Hz，最大測量加速度達(dá)4g，靈敏度約為66 mv/ms-2，橫向抗干擾系數(shù)小于6.6％，重復(fù)性誤差小于5%。第二，針對機(jī)泵狀態(tài)監(jiān)測的需要，研制了集三維振動與溫度測量于一體的光纖光柵傳感器。實(shí)驗(yàn)測得傳感器的三維頻響范圍都在10～500Hz內(nèi)，加速度測量范圍為0.1～1.0g，線性靈敏度約為70mv/ms-2，交叉串?dāng)_系數(shù)大于22dB,測量空間加速度的最大誤差為4.8%，

7、溫度變化不影響傳感器的動態(tài)性能，溫度傳感器的靈敏度為24pm/℃。⑶研究機(jī)械設(shè)備的光纖光柵動態(tài)傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成方法。首先，分析了機(jī)械(石化)設(shè)備的工作特點(diǎn)和監(jiān)測需求,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的基本架構(gòu)和功能模塊。緊接著研究了機(jī)械設(shè)備（以軸承和轉(zhuǎn)子為例）光纖光柵狀態(tài)監(jiān)測方法；研究了機(jī)械動態(tài)信號分析和故障診斷方法；研究了光纖光柵動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的（信號導(dǎo)出、傳輸、數(shù)據(jù)庫及多參數(shù)融合等技術(shù)的）集成方法；最后，通過機(jī)械設(shè)備的故障模擬試驗(yàn)，測試了集成的光纖

8、光柵動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)能較好地完成了各項(xiàng)測試任務(wù)，測試結(jié)果與相關(guān)分析吻合，驗(yàn)證了集成系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。⑷依托科研項(xiàng)目，將光纖光柵動態(tài)傳感監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到石化設(shè)備中，分別以水泵、壓縮機(jī)組和機(jī)泵群為對象進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。第一，對石化廠水泵的軸承座、葉輪和地腳螺栓的振動情況進(jìn)行了在線檢測，采集到水泵故障發(fā)生前、后的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確診斷出了故障類型和部位；第二，對石化廠往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸振動和氣閥溫度進(jìn)行了長期監(jiān)測，通過多種檢測方法的對比測試，驗(yàn)證了光纖