發(fā)布時間：2014-12-23 10:22

 

【摘要】 工業(yè)的蓬勃發(fā)展使得我國對各種化工物品的需求也日益增加,危化品的運輸量也快速增長。道路運輸中,�；�品運輸槽罐可視為一個“流動炸彈”。近年來,在新聞報道中屢見�；�品運輸槽罐事故,給社會經(jīng)濟、工業(yè)生產和人民生活帶來巨大損失和危害,給社會公共安全帶來了嚴峻的考驗。在已有的事故統(tǒng)計中,泄漏及由于泄漏而引起的燃燒、爆炸等次生災害是事故產生的主要原因。因此如何確保此類槽罐在運輸過程中的安全,在事故發(fā)生前預警甚至在事故發(fā)生時對災害程度進行評估,成為目前我國各界非常關心和密切關注的研究課題。液化石油氣(LPG)是一種重要石油化工原料和能源燃料,已廣泛用于工業(yè)、商業(yè)和民用燃料。液化石油氣運輸是道路�；�品運輸中的典型代表。因此,對液化石油氣運輸槽罐在運輸過程中槽罐的安全狀態(tài),特別是出現(xiàn)交通事故后,其是否存在泄漏,泄漏程度大小等安全指標的判斷至關重要,有著重要的科學研究價值和社會價值。本文擬以液化石油氣運輸槽罐為研究對象,研究其泄漏產生的原因、泄漏發(fā)生時引起的物理效應,并基于光纖傳感技術設計了兩類光纖干涉式超聲波傳感探頭,分別在理論和實驗上對探頭與泄漏面的超聲耦合方法、檢測靈敏度、穩(wěn)定性等進行了研究。具體如下：首先介紹液化石油氣運輸槽罐泄漏檢測的意義及常用的泄漏檢測方法,分析運輸槽罐在泄漏時引發(fā)的聲發(fā)射現(xiàn)象及其原理和特征,并重點討論聲發(fā)射對光纖所產生的影響和聲發(fā)射信號的傳輸耦合問題；然后,利用單模光纖設計一種基于馬赫-曾德爾(M-Z)光纖干涉儀的聲發(fā)射傳感探頭、利用保偏光纖設計一種基于正交偏振模干涉的白光聲發(fā)射傳感探頭,并對兩種探頭的檢測靈敏度、響應帶寬等關鍵參數(shù)進行了實驗研究,并分析了兩種探頭的穩(wěn)定性問題;最后我們完成了聲發(fā)射傳感探頭在液化石油氣運輸槽罐泄漏模擬模型的實驗研究。對�；�品槽罐運輸過程中安全狀態(tài)的檢測在提高我國危化品槽罐運輸效力、降低事故后次生災害帶來的損失等方面都有重要意義,是公共安全領域科技發(fā)展的需求,有著重要的學術意義和社會價值。 

第一章緒論

1.1課題來源
伴隨著我國工業(yè)化的節(jié)奏加快，工業(yè)生產對于各種化工物品的要求也與日俱增，化工物品的運輸量也在相應增大。而工業(yè)所需的化工物品多為易燃、易爆，具有腐燭性等固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的�；�品，例如典型的液化石油氣。�；�品運輸槽罐作為�；�品運輸公路運輸?shù)闹饕�方式，在運輸過程中會因為機械碰撞、年久腐燭等原因產生泄漏。危化品一旦泄漏，由于自身具有易燃易爆的危險特性，極易此生爆炸、火災等災害。同時泄漏的�；�品還會造成土壤、水源等的污染，給人民群眾和救援工作帶去極大危害。因此，對運輸過程中的�；�品槽罐進行實時的、有效的泄漏檢測，是保障社會公共安全的重大課題。及時的發(fā)現(xiàn)泄漏并快速釆取應對措施，是保障降低事故和風險的關鍵。這體現(xiàn)《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》公共安全領域科技發(fā)展的需求，符合“十二五”國家科技計劃社會發(fā)展領域項目指南公共安全領域、生產安全、危險化學品重大事故防治技術裝備的支持方向。
本文所選課題來自國家十二五科技支撐計劃——危險化學品重大事故防治技術裝備，其子課題專題——�；�品運輸槽罐安全實時監(jiān)控關鍵技術研究。該專題針對�；�品運輸槽罐，在國內外已有成果的基礎上，融合多種傳感技術和GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS(地理信息系統(tǒng))、移動通信網(wǎng)絡技術，通過安裝光纖微振動傳感器、罐體狀態(tài)傳感器、氣體傳感器以及溫度和壓力傳感器，實現(xiàn)對氣態(tài)�；�品耀體微小氣體泄漏、罐體運動姿態(tài)等安全狀況的實時監(jiān)測；通過安裝閥門開度傳感探頭、罐體狀態(tài)傳感器以及溫度和壓力傳感器，實現(xiàn)對液態(tài)�；�品槽體閥門意外開啟、罐體運動姿態(tài)等安全狀況的實時監(jiān)測；研制具有智能分析功能的槽罐控制模塊，綜合分析運輸過程中各項與安全相關的重要參數(shù)，確定槽罐“泄燃爆"的臨界判定條件，實現(xiàn)異常狀況判斷或事故智能等級分類；最終研制出一整套基于傳感器融合和移動通信網(wǎng)絡技術�；�品運輸槽罐安全企業(yè)級實時監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，進行工程示范應用，并提出區(qū)域級和國家級針對危化品槽罐運輸全過程實施監(jiān)管方案。
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1.2液化石油氣運輸槽罐的泄漏檢測背景及意義
自上個世紀70年代，國內外發(fā)生過多起重大的�；�品運輸槽耀事故。1978年西班牙一輛槽車液化石油氣灌裝過量，罐車殼體破裂，泄漏并發(fā)生爆炸，造成150人死亡和周圍建筑物損壞。2011年4月，成渝高速公路龍泉隧道出口，裝載20噸�；�品環(huán)己酮的罐車，因交通事故致使環(huán)己酮泄漏燃燒，造成7人死亡的事故災害。2011年5月，寧波鎮(zhèn)海區(qū)路駐鎮(zhèn)三星工業(yè)園區(qū)內，因司機偷盜液化石油氣，引發(fā)一輛儲存有20噸液化石油氣的槽罐車突然發(fā)生火災。
據(jù)統(tǒng)計⑴，我國�；�品公路年運輸量超過2億噸，其中液化石油氣等日運量約為1萬噸。在危化品運輸事故中，液化石油氣已經(jīng)成為發(fā)生次數(shù)最多、造成傷害最大的一種危化品。作為液化石油氣公路運輸?shù)闹饕�工�?mdash;—運輸槽罐，國家對其在制作、使用過程中有著嚴格的規(guī)定和管理。但對液化石油氣槽罐在運輸過程中，卻缺少相應的建康監(jiān)測。液化石油氣槽罐在運輸過程中，液化石油氣儲存在槽罐體內，耀體長期處于高壓、溫差變化的惡劣環(huán)境下，并且還會受到機械摩擦和碰撞的威脅。罐體極易在揮縫、接頭處等高應力部位產生泄漏。液化石油氣槽罐在運輸過程中的泄漏，其所帶來的危害相比于靜態(tài)的壓力容器如儲罐、氣瓶等，更為嚴重。因為液化石油氣槽罐一旦在運輸過程中發(fā)生泄漏，并發(fā)的爆炸和火災等次生災害所發(fā)生的時間、地點等具有不可預知性，使救援工作的開展提出更高要求。
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第二章光纖聲發(fā)射傳感理論分析

2.1壓力容器泄漏背景下聲發(fā)射的特征
2.1.1聲發(fā)射產生機理
聲發(fā)射技術的研究和應用最早是德國學者Kaiser對各種材料的拉伸試驗研究開始的。他在實驗中觀察到材料在拉伸形變中有聲發(fā)射產生，這種現(xiàn)象為"Kaiser效應”。而聲發(fā)射技術在工程上的應用是在60年代，主要是壓力容器的無損檢測和斷裂定位。而現(xiàn)今，作為一種新技術，聲發(fā)射技術的應用覆蓋了航空航天、壓力管道、建筑、電力等領域。
聲發(fā)射產生的機理是指材料中局部能量的迅速釋放，被釋放的能量會以應力波或應變波的形式存在，這種應力波、應變波成為聲發(fā)射波。這種局部釋放的能量來自于位錯運動，裂紋形成等過程。
一般說來，聲發(fā)射分為一級聲發(fā)射和二級聲發(fā)射。一級聲發(fā)射是指釋放的能量來自于待測物體本身，例如材料中位錯運動和裂紋產生。二級聲發(fā)射是指產生的彈性波的能量來自外部的能源，例如流體、微粒的流動，泄漏等。二級聲發(fā)射的能量雖然不是來自于物體本身，但也歸為聲發(fā)射。
聲發(fā)射產生的方式和方法有許多，可歸結為如下[35]:
*材料的退化一缺陷增長、裂紋的發(fā)展、塑性形變、斷裂、因為腐蝕涂料剝落而產生的表面劣化
*制造過程一傳接噪聲、滾乳、鍛造、鉆孔
*泄漏和流動一單相或者雙相流體、微粒的的流動，泄漏，天然氣逸出聲發(fā)射是在自然界中隨時發(fā)生的自然現(xiàn)象，諸如樹枝折斷、巖石破碎和骨折等斷裂過程都伴隨著聲發(fā)射信號的產生。大多數(shù)材料變形和斷裂是都有聲發(fā)射發(fā)生，人們首次觀察到金屬中的聲發(fā)射現(xiàn)象是“錫嗚”。最初，關于聲發(fā)射的研究主要用于材料性能測試、摩擦實驗和斷裂實驗等。20世紀60年代，聲發(fā)射作為無損檢測技術，在美國原子能、宇航技術中興起，在燥接延遲裂紋監(jiān)視、壓力容器與固體發(fā)動機殼體等檢測方面出現(xiàn)應用實例；20世紀70年，聲發(fā)射技術引入我國，20世紀80年代，隨著計算機技術和基礎研究的進展，聲發(fā)射技術發(fā)展迅速。其研究與應用擴展到結構評價、工業(yè)過程監(jiān)視等領域。聲發(fā)射檢測的主要目標是：確定聲發(fā)射源的位置；鑒別聲發(fā)射源的類型；確定聲發(fā)射發(fā)生的時間和地點等。隨著聲發(fā)射研究的深入，筆耕文化傳播，人們在實踐過程中發(fā)現(xiàn)其在檢測領域的巨大優(yōu)勢。在石油化工材料實驗[37]、航天航空[38]、橋梁建筑結構健康監(jiān)測[39]等領域都已經(jīng)被廣泛的應用。
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2.2光纖聲發(fā)射傳感原理
2.2.1光纖的傳感原理
基于光纖的聲發(fā)射傳感器主要是利用的是在聲發(fā)射引起的彈性波作用下，光纖的參數(shù)發(fā)生改變，從而改變在纖芯中傳輸光的相關信息，如光強、相位、頻率等。這其中光相位改變（亦即光纖干涉結構）是靈敏度較高的一種傳感原理。
光纖在受到外界應變作用時，其有效折射率和長度都在發(fā)生改變。如圖2-1所示的光纖，當外力作用于光纖時，光纖中的應力和折射率都將發(fā)生變化，折射率的變化與光纖中所受到的應力成線性正比關系。光纖因施加在其的應變發(fā)生變化而產生的折射率改變成為彈光效應。依據(jù)彈光效應可知道光指數(shù)(1/n2)的變化同外界應變關系是：
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第三章 光纖傳感器的聲發(fā)射實驗方法研究 ....................32-47 
3.1 聲發(fā)射探頭的結構分析................. 32-34 
3.1.1 聲發(fā)射探頭的結構 .................32-33 
3.1.2 探頭制作及封裝方式.............................. 33-34 
3.2 基于M-Z結構的光纖聲發(fā)射探頭設計............. 34-37 
3.2.1 基于M-Z結構的聲發(fā)射探頭傳感原理 ............34-35 
3.2.2 基于M-Z結構的聲發(fā)射探頭實驗研究 ...........35-37 
3.3 基于保偏光纖的白光聲發(fā)射探頭設計........................... 37-42 
3.3.1 基于保偏光纖的白光聲發(fā)射探頭傳感原理................. 37-41 
3.3.2 基于PMF的白光聲發(fā)射探頭的實驗研究................... 41-42 
3.4 兩種探頭的關鍵參數(shù)對比研究 ..........................42-46 
3.4.1 兩種探頭的關鍵性能分析................... 42-43 
3.4.2 兩種探頭關鍵性能的實驗研究 .......................43-46 
3.5 本章小結 ................................46-47 

第四章 基于光纖干涉?zhèn)鞲薪Y構的液化石油氣槽罐泄漏檢測系統(tǒng)構成和研究

4.1泄漏模型研究
本節(jié)搭建了兩種泄漏模型用以模擬液化石油氣槽罐的泄漏。并利用第3章中的高靈敏的M-Z型光纖傳感結構對泄漏模型進行檢測�；�于得到的實驗結論提出泄漏預警系統(tǒng)的設計思路、完成程序的編寫。并對實驗中遇到的問題進行分析，嘗試給出解決方案。
4.1.1平板式泄漏模型
泄漏產生的聲發(fā)射波在固體構件中的傳播模式分為縱波和橫波。傳播模式會因為固體厚度的不同，即是屬于薄板構件還是厚板構件，而發(fā)生改變。引入?yún)��?shù)S定義固體構件的類型是屬于薄板還是厚板。參數(shù)，^/和/分別表示的是固體構件的壁厚、/是聲發(fā)射波的頻率。當固體構件的參數(shù)時，其屬于薄板結構。
液化石油汽運輸槽罐，其罐體鋼板厚約8mm，運輸時荷載的液化石油器壓強為1.6MPa。泄漏時產生的聲發(fā)射信號頻率在kHz量級，對應的參數(shù)，滿足薄壁構件標準，參數(shù)S<6mmMHz。

液化石油氣槽罐泄漏產生的聲發(fā)射信號，在罐體壁中的傳播屬于自由薄板問題，幾何描述如圖4-1所示。依據(jù)位移勢法[51]可求解出聲發(fā)射信號在自由薄板中存在的兩種模態(tài)，及對稱模態(tài)（S模式）和反對稱模態(tài)（A模式）。
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總結

本文選題來自國家十二五科技支撐計劃，子課題專題一�；�品運輸槽罐安全實時監(jiān)控關鍵技術研究。本文對�；�品運輸槽罐安全實時監(jiān)控關鍵技術中，用于泄漏檢測的光纖聲發(fā)射傳感結構進行了研究。以液化石油氣運輸槽罐為檢測對象，分析了槽罐在泄漏時的聲發(fā)射現(xiàn)象及常用的泄漏檢測方法;重點討論了聲發(fā)射對光纖所產生的影響和聲發(fā)射信號傳輸過程中的耦合問題；利用單模光纖設計了一種基于M-Z光纖干涉儀的聲發(fā)射傳感探頭、利用保偏光纖設計了一種基于正交偏振模干涉的白光聲發(fā)射傳感探頭，分析并實驗研究了兩種探頭的檢測靈敏度、溫度穩(wěn)定性等關鍵參數(shù)。最后，針對液化石油氣運輸槽罐，搭建了兩種泄漏模型一平板模型和壓力容器模型。對泄漏時氣體流速進行了軟件模擬，并在平板泄漏模型上檢測不同壓差下的聲發(fā)射信號，得到聲發(fā)射信號強度與壓差關系曲線，并進行了線性擬合，線性相關度R為0.9965。針對取得的實驗結果，提出了一種泄漏檢測的預警模型，并進行了實驗驗證。
本文中在泄漏檢測預警系統(tǒng)中還需要進一步深入研究和討論的地方：
1、本文中提出的白光干涉?zhèn)鞲薪Y構靈敏度低,在該泄漏檢測預警系統(tǒng)中使用效果不明顯。未來對具有更高靈敏度的機械傳感結構的研究，將是下一步工作中的重點。同時也能一并解決M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y構中相位衰落帶來的泄漏檢測預警的誤判。
2、本文最后只是針對氣體流速場進行了模擬，并定性的得到流速大時，聲發(fā)射信號幅度大。下一步對于氣體流速和聲發(fā)射信號之間的定量關系，以及泄漏時壓差和聲發(fā)射信號的模擬研究將是另一重要的任務。
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本文編號：10822