面向高温管道微裂纹扩展监测识别方法与流程

本发明属于传感监测，具体涉及面向高温管道微裂纹扩展监测识别方法。

背景技术：

1、管道是航空航天、工业生产等领域常见的结构体，受工作环境的影响，例如航空航天的极端温度、工业生产的强应力、输送物质的高温高压环境等，有可能产生裂纹及裂纹扩展等风险，而裂纹的扩展对于系统的安全运行产生极大的风险。管道的裂纹状况，尤其是高温管道的裂纹扩展监测，对于评估其寿命具有重要意义。常规的管道裂纹扩展监测方法有超声检测、x射线检测、涡流检测等。超声检测的优点是灵敏度高，缺点是一般需要在待测结构体表面涂抹耦合剂，一方面引入了多余物，另一方面在高温环境下不太适用；x射线检测的优点是快速、准确，缺点是不能24小时实时在线监测，且对复杂、坡度大等结构需要进行定制；涡流检测，优点是可便捷检测管道的裂纹和疲劳等损伤，缺点是受高温管道表面的氧化层影响大，进一步影响测量结果。

2、对于圆柱形高温管道，裂纹常常出现的情况包括：

3、第一种情况，出现沿周向排布的裂纹，光纤传感器安装在垂直裂纹方向上，光纤传感器等效于沿着管道轴向方向；

4、第二种情况，现沿轴向排布的裂纹，光纤传感器安装在垂直裂纹方向上，光纤传感器等效于沿着管道周向方向。

5、上述两种情况比较，第二种情况更为复杂。原因是第一种情况中，光纤传感器沿着管道轴向方向安装，粘贴区域近似为平面(直线)监测；第二种情况中，光纤传感器沿着管道周向方向安装，粘贴区域为曲面(曲线)监测。如果第二种情况得到有效解决，第一种情况便迎刃而解，因此本发明针对第二种情况，即沿管道轴向排布的裂纹进行扩展监测。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供面向高温管道微裂纹扩展监测识别方法，面向高温管道微裂纹扩展监测识别方法，其包括如下的步骤：

2、s1、通过自动剔除非正常因素引入的数据异常点方法，得到裸光纤与平面金属基底间的准确应变传递效率m1；

3、s2、通过管道同曲率下的曲面结构与无纤平面金属基底的贴合，结合自动剔除非正常因素引入的数据异常点方法，得到无纤平面金属基底与圆柱形管道间的准确应变传递效率m2；

4、s3、获取光纤传感器的温度灵敏度系数α；

5、s4、对管道热膨胀效应产生的干扰进行应变监测；

6、s5、在管道裂纹特定位置安装光纤传感器，评估因裂纹扩展引发的应变。

7、其中，步骤s1的具体过程包括：

8、s11、测量裸光纤在不同应变δε下的波长偏移量δλ；

9、s12、通过变换自动剔除非正常因素带来的数据异常点，得到准确的未进行平面金属封装的裸光纤灵敏度系数η1：

10、

11、s13、通过自动剔除非正常因素引入的数据异常点方法得到带平面金属基底的光纤传感器准确灵敏度系数η2；

12、s14、将带有平面金属基底封装光纤传感器的灵敏度系数η2与裸光纤灵敏度系数η1作比得到裸光纤与平面金属基底间的准确应变传递效率为：

13、

14、其中，步骤s12、s13的具体过程包括：

15、s121、测得不同梯度拉伸下的应变值δεk以及对应的光纤传感器中心波长的偏移量δλk(k＝0,…,b-1)

16、s122、带入拟合方程：

17、

18、其中，s表示坐标原点到(δλk,δεk)拟合直线的距离，为拟合直线与坐标轴的夹角；

19、当k取0到b-1之间的一个定值，即将某一梯度拉伸下应变值δε与对应光纤传感器中心波长的偏移量δλ带入拟合方程，s和有且仅有一条曲线可确定；当s和为定值时，光纤传感器中心波长的偏移量δλ和应变值δε之间有且仅有一条直线可确定；

20、已知测量点集(δλk,δεk)可唯一确定一条直线，所以s和存在固定值使之成立，即由测量点集(δλk,δεk)绘制出的曲线过定点，确定出该定点即可得(δλk,δεk)拟合直线。

21、s123、具体拟合过程如下：

22、s1231、记录下上述利用拉伸机对未进行平面金属基底封装的裸光纤进行的n次拉伸实验获取的光纤传感器的测量值δλk(k＝0,…,14)及其对应的应变值δεk；得到曲线；

23、s1232、对曲线进行离散处理。点集(δλk,δεk)有n个实测值，每个实测值按照离散后的值共取n个散点，对总共nn个散点对应的s值进行统计，以统计结果中s值重复数目最多的点进行曲线拟合，得到准确的裸光纤灵敏度系数值；

24、s1233、测量过程中非正常因素引入的数据异常点所对应的函数值出现次数远远小于正常数据点对应的函数值出现次数，由于是以统计结果中s值出现次数最多的点进行曲线拟合，所以数据异常点对拟合结果没有影响，异常值被自动舍弃，得到裸光纤灵敏度系数的准确值η1；

25、s131、得到准确的裸光纤灵敏度系数η1后，参照步骤s121-s123，对带有平面金属基底封装的光纤传感器进行上述相同拉伸步骤，得到带有平面金属基底封装光纤传感器的灵敏度系数η2。

26、其中，所述步骤s2的具体过程包括：

27、s21、采用等强度梁作为标定工具，对等强度梁以增加砝码的方式使得等强度梁发生弯曲，直到等强度梁的曲率近似于管道的曲率，

28、s22、在弯曲后的等强度梁上贴装无纤平面金属基底，在等强度梁和平面金属基底上分别贴装同向电阻应变片一、电阻应变片二；

29、s23、小范围改变砝码，记录电阻应变片测量到的应变分别为ε1和ε2，则应变传递效率为

30、s24、自动剔除非正常因素引入的数据异常点，得到平面金属基底与管道间准确的应变传递效率m2。

31、其中，步骤s23中，添加和减少砝码需要保证应变的变化量不超过200με。

32、其中，步骤s3的具体过程包括：

33、将光纤传感器放于温箱中，保证光纤传感器不受到任何应力的影响，得到不同温度下的波长变化量，进一步通过线性拟合，得到光纤的温度灵敏度系数α。

34、其中，步骤s4的具体过程包括：

35、s41、根据管道的材料属性和尺寸，做一个管道局部模型，沿管道周向方向贴装电阻应变片；

36、s42、将贴有电阻应变片的管道模型放入温箱中，温箱初始温度为管道升温前的起始温度t0，此时电阻应变片示数清零；

37、s43、将温箱升温至高温管道工作温度t1，记录此时电阻应变片的应变值εt，经过重复多次测量，得到平均值ε′t。

38、其中，步骤s5的具体过程包括：

39、s51、设裂纹长度l，为了确认高温管道裂纹的扩展方向，在管道裂纹首尾两端处，分别沿垂直裂纹方向贴装光纤传感器各一支；沿垂直裂纹方向距离裂纹头l/3和2l/3处，各贴装光纤传感器一支；4只传感器标号a,b,c,d；

40、s52、完成上述标定与安装工作后，启动光纤传感器监测，记录4个光纤传感器在管道初始温度t0下的初始波长λa0、λb0、λc0、λd0；

41、s53、对管道进行升温，直到达到管道工作温度t1，待管道温度稳定后，实时记录4个光纤传感器的波长值λa′、λb′、λc′、λd′；

42、s54、根据应变表达式计算仅由裂纹扩展引起的应变，得到扩展识别结果；

43、所述应变表达式为：

44、εa＝(λa′-λa0-α×(t1-t0))×η1/(m1×m2)-εt′

45、εb＝(λb′-λb0-α×(t1-t0))×η1/(m1×m2)-εt′

46、εc＝(λc′-λc0-α×(t1-t0))×η1/(m1×m2)-εt′

47、εd＝(λd′-λd0-α×(t1-t0))×η1/(m1×m2)-εt′

48、扩展识别结果判断方法为：

49、(1)如果εa、εb、εc、εd没有显著变化，说明高温管道裂纹没有扩展趋势，状态稳定；

50、(2)如果εa显著增大，εb、εc、εd没有显著变化，说明高温管道裂纹向a端有扩展变长趋势，宽度方向没有扩展趋势；

51、(3)如果εb显著增大，εa、εc、εd没有显著变化，说明高温管道裂纹向b端有扩展变长趋势，宽度方向没有扩展趋势；

52、(4)如果εc显著增大，εa、εb、εd没有显著变化，说明高温管道裂纹在l/3附近宽度方向有扩展趋势，没有长度方向的扩展趋势；

53、(5)如果εd显著增大，εa、εb、εc没有显著变化，说明高温管道裂纹2l/3附近宽度方向有扩展趋势，没有长度方向的扩展趋势；

54、(6)如果εa、εb显著增大，εc、εd没有显著变化，说明高温管道裂纹向a端、向b端都有扩展变长趋势，宽度方向没有扩展趋势；

55、(7)如果εc、εd显著增大，εa、εb没有显著变化，说明高温管道裂纹在宽度方向有扩展趋势，长度方向上没有扩展趋势；

56、(8)如果εa、εb、εc、εd都显著增大，说明高温管道裂纹在长度和宽度方向上都有扩展趋势。

57、本发明所达到的有益效果为：

58、第一、本发明提出了自动剔除非正常因素带来的异常点的方法和同曲率/无纤平面基底标定传递效率的方法，得到不同界面的准确应变传递效率，并结合等强度梁同曲率工况标定，去除由光纤平面基底和圆柱形管道之间胶粘剂的形状和用胶量不同带来的影响，最终得到裸光纤与管道间准确的应变传递效率。

59、第二、为得到裂纹扩展这单一因素引起的应变变化，本发明一是去除管道从常温升到高温时温度对光纤应变传感器测量值的影响，二是去除升温过程中由于热膨胀效应引起结构体本身应变增大，有效解决了多组分的准确区分问题。

60、第三、本发明通过温度灵敏度系数与自建管道模型，去除总应变中的“温度对应变传感器测量的影响”和“温度对管道热膨胀效应的影响”，最终得到只因裂纹扩展引起的应变的变化，进而根据本发明提出的判据，判断裂纹是否沿裂纹延伸方向、垂直裂纹方向及两个方向同时扩展。

61、第四、本发明通过在圆柱管道上裂纹的头尾段和中间段安装光纤应变传感器，结合本专利专用的方法，得到高温环境下不同位置应变的准确值，可准确评估高温管道已有裂纹的纵向扩展、横向扩展和纵向横向同时扩展，这对于评估高温管道的裂纹发展态势、寿命评估和安全预警具有重要意义。