大型吊装工程中光纤光栅技术的运用

　　摘    要：　通过分析光纤光栅测试技术原理, 探讨其在大型吊装工程中应用的可行性, 比较了光纤光栅技术与电阻应变片测试技术的不同。以实际吊装工程为例, 研究光纤光栅串联技术、间断测试技术, 最后用有限元分析技术验证测试结果的准确性。

　　关键词：　光纤光栅测试技术; 电阻应变测试技术; 大型吊装工程;

　　Abstract：　By analyzing the principle of fiber Bragg grating testing technology, the feasibility of its application in large hoisting project is discussed. And the difference of FBG technology and resistance strain testing technology are compared. Taking an actual hoisting project as an example, the series technology and discontinuous testing technology of FBG are studied. Finally, the accuracy of testing results is verified by finite element analysis technology.

　　Keyword：　fiber Bragg grating testing technology; resistance strain testing technology; large hoisting project;

　　0、 引言

　　目前, 很多大型设备安装过程比较复杂, 需要整体吊装就位, 例如石化行业一些反应塔、核电站穹顶、风电设备叶片等。由于重量大, 吊装过程风险很高, 稍有不慎, 就会造成设备损坏、人员伤亡事故。施工单位必须有合理的吊装方案, 还要辅助一些监测手段。当前比较常用的, 通过粘贴电阻应变片, 调整吊具受力平衡, 监测整个吊装过程。但是, 采用电阻应变片测试, 受到环境温度、电压波动、雨水潮湿度等影响, 而且当测点较多、测试时间较长时, 布置测试线缆较困难, 不能间断测试过程, 工程师无法准确地获得测试数据。所以, 本文研究采用光纤光栅测试技术, 弥补电阻应变测试的不足。

　　1、 光纤光栅测试原理

　　光纤Bragg光栅是反射型工作器件, 当宽带光源发出的连续光 (输入信号) 通过传输光纤射入时, 它会与光场发生相互耦合作用, 对宽带光选择性地反射回一个窄带光 (反射信号) , 并沿原来的传输光纤返回[1]。剩余宽带光 (传输信号) 则直接通过光纤光栅透射。反射信号的中心波长值随着光纤光栅所在位置的温度和应变的改变而发生线性变化。输出信号可以继续传输给其它串联起来具有不同中心波长的光纤光栅阵列, 对应不同中心波长的窄带光将被逐一反射回来, 全部沿原传输光纤返回, 由此可实现准分布式测量[2]。

　　2、 与电阻应变测试技术比较

　　实验测试表明, 当变性量很小时, 光纤光栅与电阻应变片比较, 误差大约在10%;当承受设备额定载荷时, 光纤光栅与电阻应变片相比, 误差小于1%[3]。因此, 两种方法对测试结果影响不大, 对环境的敏感程度不同。

　　根据上表的比较, 在大型设备吊装工程中进行应力监测, 宜选用光纤光栅技术。有些测试现场, 选用无线电阻应变采集仪较方便, 但对于大型设备吊装则不适用, 测点多模块数量不能满足, 吊装完成后, 一些测点无法拆除, 所以只能选择光纤光栅传感器[4]。

　　表1 两种测试技术比较

　　3、 工程应用

　　石化企业2000多吨重二甲苯塔吊装, 采用光纤光栅技术监测吊耳处应变。二甲苯塔高113 m, 共有两件主吊耳, 单件主吊耳设置20个应力检测点, 两侧共计40个测点。企业要求监测整个吊装过程, 第一天先将塔身抬高, 第二天翻身到一定角度, 第三天落位, 现场无人看管, 每天测试设备都要拆除。该工程测点多, 中间要拆除设备间断测试, 用电阻应变片很难满足测试要求, 故采用光纤光栅。每个测点选用不同中心波长的传感器, 测点间可以串联。

　　图1 吊耳处测点串联

　　考虑串联测点较多, 光衰比较严重, 影响测试效果, 将40个测点分成两个通道, 每个通道串联20个不同波长的传感器, 采用两根长度为120米的光纤连接到地面解调仪。

　　以图3中102号测点为比较对象, 当二甲苯塔在竖直吊起时, 102号点受拉应力, 应变为ε=247μ, 弹性模量E=206 GPa, 则102号点应力值为:

　　图2 测点布置图

　　当二甲苯塔在90°位置时, 进行有限元分析, 查询吊耳劲板正下方部位 (对应102号测点) 的应力值为48.96 MPa, 如图3。

　　图3 二甲苯塔吊耳有限元分析

　　测试结果与有限元计算数据比较, 误差为:

　　误差很小, 非常接近。该方案提高了测试效率, 解决了间断测试的难题, 测试数据准确可靠。

　　4、 结论

　　金属结构应力测试在工程检测中经常用到, 针对测试设备特点和环境要求, 选择一种合理的测试方法, 对测试数据的准确性至关重要。本文将光纤光栅技术与电阻应变测试技术比较, 展示了光纤光栅技术在大型吊装工程中的优越性。根据工程经验, 当测点较少且比较分散, 测试环境条件好时, 选择无线电阻应变采集仪比较合适;当测点很多, 环境比较复杂, 需要长时间测试并有间断时, 光栅光纤测试技术则为最佳选择。

　　参考文献：

　　[1]秦秉坤, 孙雨南.介质光波导及其应用[M].北京:北京理工大学出版社, 1991.
　　[2] 张权.光纤光栅传感器系统在起重机健康监测上的应用研究[D].太原:中北大学, 2011.
　　[3]葛森.光纤光栅与电阻应变片在岸边集装箱起重机应用[C].北京力学会第18届学术年会论文集, 2012.
　　[4]蔡共宣, 林富生.工程测试与信号处理[M].武汉:华中科技大学出版社, 2017.