基于光纤传感技术的液化石油气运输槽罐泄漏检测关键技术研究
【摘要】 工业的蓬勃发展使得我国对各种化工物品的需求也日益增加,危化品的运输量也快速增长。道路运输中,危化品运输槽罐可视为一个“流动炸弹”。近年来,在新闻报道中屡见危化品运输槽罐事故,给社会经济、工业生产和人民生活带来巨大损失和危害,给社会公共安全带来了严峻的考验。在已有的事故统计中,泄漏及由于泄漏而引起的燃烧、爆炸等次生灾害是事故产生的主要原因。因此如何确保此类槽罐在运输过程中的安全,在事故发生前预警甚至在事故发生时对灾害程度进行评估,成为目前我国各界非常关心和密切关注的研究课题。液化石油气(LPG)是一种重要石油化工原料和能源燃料,已广泛用于工业、商业和民用燃料。液化石油气运输是道路危化品运输中的典型代表。因此,对液化石油气运输槽罐在运输过程中槽罐的安全状态,特别是出现交通事故后,其是否存在泄漏,泄漏程度大小等安全指标的判断至关重要,有着重要的科学研究价值和社会价值。本文拟以液化石油气运输槽罐为研究对象,研究其泄漏产生的原因、泄漏发生时引起的物理效应,并基于光纤传感技术设计了两类光纤干涉式超声波传感探头,分别在理论和实验上对探头与泄漏面的超声耦合方法、检测灵敏度、稳定性等进行了研究。具体如下：首先介绍液化石油气运输槽罐泄漏检测的意义及常用的泄漏检测方法,分析运输槽罐在泄漏时引发的声发射现象及其原理和特征,并重点讨论声发射对光纤所产生的影响和声发射信号的传输耦合问题；然后,利用单模光纤设计一种基于马赫-曾德尔(M-Z)光纤干涉仪的声发射传感探头、利用保偏光纤设计一种基于正交偏振模干涉的白光声发射传感探头,并对两种探头的检测灵敏度、响应带宽等关键参数进行了实验研究,并分析了两种探头的稳定性问题;最后我们完成了声发射传感探头在液化石油气运输槽罐泄漏模拟模型的实验研究。对危化品槽罐运输过程中安全状态的检测在提高我国危化品槽罐运输效力、降低事故后次生灾害带来的损失等方面都有重要意义,是公共安全领域科技发展的需求,有着重要的学术意义和社会价值。
第一章绪论
1.1课题来源
伴随着我国工业化的节奏加快，工业生产对于各种化工物品的要求也与日俱增，化工物品的运输量也在相应增大。而工业所需的化工物品多为易燃、易爆，具有腐烛性等固态、液态或气态的危化品，例如典型的液化石油气。危化品运输槽罐作为危化品运输公路运输的主要方式，在运输过程中会因为机械碰撞、年久腐烛等原因产生泄漏。危化品一旦泄漏，由于自身具有易燃易爆的危险特性，极易此生爆炸、火灾等灾害。同时泄漏的危化品还会造成土壤、水源等的污染，给人民群众和救援工作带去极大危害。因此，对运输过程中的危化品槽罐进行实时的、有效的泄漏检测，是保障社会公共安全的重大课题。及时的发现泄漏并快速釆取应对措施，是保障降低事故和风险的关键。这体现《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》公共安全领域科技发展的需求，符合“十二五”国家科技计划社会发展领域项目指南公共安全领域、生产安全、危险化学品重大事故防治技术装备的支持方向。
本文所选课题来自国家十二五科技支撑计划——危险化学品重大事故防治技术装备，其子课题专题——危化品运输槽罐安全实时监控关键技术研究。该专题针对危化品运输槽罐，在国内外已有成果的基础上，融合多种传感技术和GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)、移动通信网络技术，通过安装光纤微振动传感器、罐体状态传感器、气体传感器以及温度和压力传感器，实现对气态危化品耀体微小气体泄漏、罐体运动姿态等安全状况的实时监测；通过安装阀门开度传感探头、罐体状态传感器以及温度和压力传感器，实现对液态危化品槽体阀门意外开启、罐体运动姿态等安全状况的实时监测；研制具有智能分析功能的槽罐控制模块，综合分析运输过程中各项与安全相关的重要参数，确定槽罐“泄燃爆"的临界判定条件，实现异常状况判断或事故智能等级分类；最终研制出一整套基于传感器融合和移动通信网络技术危化品运输槽罐安全企业级实时监控系统解决方案，进行工程示范应用，并提出区域级和国家级针对危化品槽罐运输全过程实施监管方案。
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1.2液化石油气运输槽罐的泄漏检测背景及意义
自上个世纪70年代，国内外发生过多起重大的危化品运输槽耀事故。1978年西班牙一辆槽车液化石油气灌装过量，罐车壳体破裂，泄漏并发生爆炸，造成150人死亡和周围建筑物损坏。2011年4月，成渝高速公路龙泉隧道出口，装载20吨危化品环己酮的罐车，因交通事故致使环己酮泄漏燃烧，造成7人死亡的事故灾害。2011年5月，宁波镇海区路驻镇三星工业园区内，因司机偷盗液化石油气，引发一辆储存有20吨液化石油气的槽罐车突然发生火灾。
据统计⑴，我国危化品公路年运输量超过2亿吨，其中液化石油气等日运量约为1万吨。在危化品运输事故中，液化石油气已经成为发生次数最多、造成伤害最大的一种危化品。作为液化石油气公路运输的主要工具——运输槽罐，国家对其在制作、使用过程中有着严格的规定和管理。但对液化石油气槽罐在运输过程中，却缺少相应的建康监测。液化石油气槽罐在运输过程中，液化石油气储存在槽罐体内，耀体长期处于高压、温差变化的恶劣环境下，并且还会受到机械摩擦和碰撞的威胁。罐体极易在揮缝、接头处等高应力部位产生泄漏。液化石油气槽罐在运输过程中的泄漏，其所带来的危害相比于静态的压力容器如储罐、气瓶等，更为严重。因为液化石油气槽罐一旦在运输过程中发生泄漏，并发的爆炸和火灾等次生灾害所发生的时间、地点等具有不可预知性，使救援工作的开展提出更高要求。
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第二章光纤声发射传感理论分析
2.1压力容器泄漏背景下声发射的特征
2.1.1声发射产生机理
声发射技术的研究和应用最早是德国学者Kaiser对各种材料的拉伸试验研究开始的。他在实验中观察到材料在拉伸形变中有声发射产生，这种现象为"Kaiser效应”。而声发射技术在工程上的应用是在60年代，主要是压力容器的无损检测和断裂定位。而现今，作为一种新技术，声发射技术的应用覆盖了航空航天、压力管道、建筑、电力等领域。
声发射产生的机理是指材料中局部能量的迅速释放，被释放的能量会以应力波或应变波的形式存在，这种应力波、应变波成为声发射波。这种局部释放的能量来自于位错运动，裂纹形成等过程。
一般说来，声发射分为一级声发射和二级声发射。一级声发射是指释放的能量来自于待测物体本身，例如材料中位错运动和裂纹产生。二级声发射是指产生的弹性波的能量来自外部的能源，例如流体、微粒的流动，泄漏等。二级声发射的能量虽然不是来自于物体本身，但也归为声发射。
声发射产生的方式和方法有许多，可归结为如下[35]:
*材料的退化一缺陷增长、裂纹的发展、塑性形变、断裂、因为腐蚀涂料剥落而产生的表面劣化
*制造过程一傳接噪声、滚乳、锻造、钻孔
*泄漏和流动一单相或者双相流体、微粒的的流动，泄漏，天然气逸出声发射是在自然界中随时发生的自然现象，诸如树枝折断、岩石破碎和骨折等断裂过程都伴随着声发射信号的产生。大多数材料变形和断裂是都有声发射发生，人们首次观察到金属中的声发射现象是“锡呜”。最初，关于声发射的研究主要用于材料性能测试、摩擦实验和断裂实验等。20世纪60年代，声发射作为无损检测技术，在美国原子能、宇航技术中兴起，在燥接延迟裂纹监视、压力容器与固体发动机壳体等检测方面出现应用实例；20世纪70年，声发射技术引入我国，20世纪80年代，随着计算机技术和基础研究的进展，声发射技术发展迅速。其研究与应用扩展到结构评价、工业过程监视等领域。声发射检测的主要目标是：确定声发射源的位置；鉴别声发射源的类型；确定声发射发生的时间和地点等。随着声发射研究的深入，笔耕文化传播，人们在实践过程中发现其在检测领域的巨大优势。在石油化工材料实验[37]、航天航空[38]、桥梁建筑结构健康监测[39]等领域都已经被广泛的应用。
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2.2光纤声发射传感原理
2.2.1光纤的传感原理
基于光纤的声发射传感器主要是利用的是在声发射引起的弹性波作用下，光纤的参数发生改变，从而改变在纤芯中传输光的相关信息，如光强、相位、频率等。这其中光相位改变（亦即光纤干涉结构）是灵敏度较高的一种传感原理。
光纤在受到外界应变作用时，其有效折射率和长度都在发生改变。如图2-1所示的光纤，当外力作用于光纤时，光纤中的应力和折射率都将发生变化，折射率的变化与光纤中所受到的应力成线性正比关系。光纤因施加在其的应变发生变化而产生的折射率改变成为弹光效应。依据弹光效应可知道光指数(1/n2)的变化同外界应变关系是：
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第三章 光纤传感器的声发射实验方法研究 ....................32-47
3.1 声发射探头的结构分析................. 32-34
3.1.1 声发射探头的结构 .................32-33
3.1.2 探头制作及封装方式.............................. 33-34
3.2 基于M-Z结构的光纤声发射探头设计............. 34-37
3.2.1 基于M-Z结构的声发射探头传感原理 ............34-35
3.2.2 基于M-Z结构的声发射探头实验研究 ...........35-37
3.3 基于保偏光纤的白光声发射探头设计........................... 37-42
3.3.1 基于保偏光纤的白光声发射探头传感原理................. 37-41
3.3.2 基于PMF的白光声发射探头的实验研究................... 41-42
3.4 两种探头的关键参数对比研究 ..........................42-46
3.4.1 两种探头的关键性能分析................... 42-43
3.4.2 两种探头关键性能的实验研究 .......................43-46
3.5 本章小结 ................................46-47
第四章 基于光纤干涉传感结构的液化石油气槽罐泄漏检测系统构成和研究
4.1泄漏模型研究
本节搭建了两种泄漏模型用以模拟液化石油气槽罐的泄漏。并利用第3章中的高灵敏的M-Z型光纤传感结构对泄漏模型进行检测。基于得到的实验结论提出泄漏预警系统的设计思路、完成程序的编写。并对实验中遇到的问题进行分析，尝试给出解决方案。
4.1.1平板式泄漏模型
泄漏产生的声发射波在固体构件中的传播模式分为纵波和横波。传播模式会因为固体厚度的不同，即是属于薄板构件还是厚板构件，而发生改变。引入参数S定义固体构件的类型是属于薄板还是厚板。参数，^/和/分别表示的是固体构件的壁厚、/是声发射波的频率。当固体构件的参数时，其属于薄板结构。
液化石油汽运输槽罐，其罐体钢板厚约8mm，运输时荷载的液化石油器压强为1.6MPa。泄漏时产生的声发射信号频率在kHz量级，对应的参数，满足薄壁构件标准，参数S<6mmMHz。
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总结
本文选题来自国家十二五科技支撑计划，子课题专题一危化品运输槽罐安全实时监控关键技术研究。本文对危化品运输槽罐安全实时监控关键技术中，用于泄漏检测的光纤声发射传感结构进行了研究。以液化石油气运输槽罐为检测对象，分析了槽罐在泄漏时的声发射现象及常用的泄漏检测方法;重点讨论了声发射对光纤所产生的影响和声发射信号传输过程中的耦合问题；利用单模光纤设计了一种基于M-Z光纤干涉仪的声发射传感探头、利用保偏光纤设计了一种基于正交偏振模干涉的白光声发射传感探头，分析并实验研究了两种探头的检测灵敏度、温度稳定性等关键参数。最后，针对液化石油气运输槽罐，搭建了两种泄漏模型一平板模型和压力容器模型。对泄漏时气体流速进行了软件模拟，并在平板泄漏模型上检测不同压差下的声发射信号，得到声发射信号强度与压差关系曲线，并进行了线性拟合，线性相关度R为0.9965。针对取得的实验结果，提出了一种泄漏检测的预警模型，并进行了实验验证。
本文中在泄漏检测预警系统中还需要进一步深入研究和讨论的地方：
1、本文中提出的白光干涉传感结构灵敏度低,在该泄漏检测预警系统中使用效果不明显。未来对具有更高灵敏度的机械传感结构的研究，将是下一步工作中的重点。同时也能一并解决M-Z干涉传感结构中相位衰落带来的泄漏检测预警的误判。
2、本文最后只是针对气体流速场进行了模拟，并定性的得到流速大时，声发射信号幅度大。下一步对于气体流速和声发射信号之间的定量关系，以及泄漏时压差和声发射信号的模拟研究将是另一重要的任务。
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参考文献:
[1] 李振林,毕治强,刘刚,夏广辉,张海峰,李洪星. 基于声发射的天然气管道球阀内漏检测[J]. 油气储运. 2013(06)
[2] 朱永凯,崇博,林啸鸣,潘仁前,王志宏. 基于强度型光纤传感技术的复合材料薄板损伤声发射定位法[J]. 无损检测. 2011(12)
[3] 祁海峰,马良柱,常军,尹奎龙,陈玉峰. 熔锥耦合型光纤声发射传感器系统及其应用[J]. 无损检测. 2011(06)
[4] 蒋奇,马宾,李术才,李树忱. 单模光纤耦合声发射传感器及其应用研究[J]. 传感技术学报. 2009(03)
[5] 陈家强. 危险化学品槽罐汽车被卡在桥涵内介质泄漏事故及其防范与处置措施[J]. 消防技术与产品信息. 2007(11)
[6] 罗洪,熊水东,胡永明,倪明. 三分量全保偏光纤加速度传感器的研究[J]. 中国激光. 2005(10)
[7] 焦敬品,何存富,吴斌,费仁元,王秀彦. 管道声发射泄漏检测技术研究进展[J]. 无损检测. 2003(10)
[8] 焦敬品,李涌,何存富,吴斌,费仁元. 压力管道泄漏的声发射检测实验研究[J]. 北京工业大学学报. 2003(02)
[9] 刘伟忠. 超声波检漏方法及仪器介绍[J]. 无损检测. 1998(07)
本文编号：10822
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