發(fā)布時(shí)間：2014-12-23 10:22

 

【摘要】 工業(yè)的蓬勃發(fā)展使得我國(guó)對(duì)各種化工物品的需求也日益增加,�；�品的運(yùn)輸量也快速增長(zhǎng)。道路運(yùn)輸中,�；�品運(yùn)輸槽罐可視為一個(gè)“流動(dòng)炸彈”。近年來(lái),在新聞報(bào)道中屢見(jiàn)�；�品運(yùn)輸槽罐事故,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)巨大損失和危害,給社會(huì)公共安全帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在已有的事故統(tǒng)計(jì)中,泄漏及由于泄漏而引起的燃燒、爆炸等次生災(zāi)害是事故產(chǎn)生的主要原因。因此如何確保此類槽罐在運(yùn)輸過(guò)程中的安全,在事故發(fā)生前預(yù)警甚至在事故發(fā)生時(shí)對(duì)災(zāi)害程度進(jìn)行評(píng)估,成為目前我國(guó)各界非常關(guān)心和密切關(guān)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(yùn)輸是道路�；�品運(yùn)輸中的典型代表。因此,對(duì)液化石油氣運(yùn)輸槽罐在運(yùn)輸過(guò)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(biāo)的判斷至關(guān)重要,有著重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和社會(huì)價(jià)值。本文擬以液化石油氣運(yùn)輸槽罐為研究對(duì)象,研究其泄漏產(chǎn)生的原因、泄漏發(fā)生時(shí)引起的物理效應(yīng),并基于光纖傳感技術(shù)設(shè)計(jì)了兩類光纖干涉式超聲波傳感探頭,分別在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)探頭與泄漏面的超聲耦合方法、檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究。具體如下：首先介紹液化石油氣運(yùn)輸槽罐泄漏檢測(cè)的意義及常用的泄漏檢測(cè)方法,分析運(yùn)輸槽罐在泄漏時(shí)引發(fā)的聲發(fā)射現(xiàn)象及其原理和特征,并重點(diǎn)討論聲發(fā)射對(duì)光纖所產(chǎn)生的影響和聲發(fā)射信號(hào)的傳輸耦合問(wèn)題；然后,利用單模光纖設(shè)計(jì)一種基于馬赫-曾德?tīng)?M-Z)光纖干涉儀的聲發(fā)射傳感探頭、利用保偏光纖設(shè)計(jì)一種基于正交偏振模干涉的白光聲發(fā)射傳感探頭,并對(duì)兩種探頭的檢測(cè)靈敏度、響應(yīng)帶寬等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并分析了兩種探頭的穩(wěn)定性問(wèn)題;最后我們完成了聲發(fā)射傳感探頭在液化石油氣運(yùn)輸槽罐泄漏模擬模型的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)危化品槽罐運(yùn)輸過(guò)程中安全狀態(tài)的檢測(cè)在提高我國(guó)�；�品槽罐運(yùn)輸效力、降低事故后次生災(zāi)害帶來(lái)的損失等方面都有重要意義,是公共安全領(lǐng)域科技發(fā)展的需求,有著重要的學(xué)術(shù)意義和社會(huì)價(jià)值。 

第一章緒論

1.1課題來(lái)源
伴隨著我國(guó)工業(yè)化的節(jié)奏加快，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于各種化工物品的要求也與日俱增，化工物品的運(yùn)輸量也在相應(yīng)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)的危化品，例如典型的液化石油氣。危化品運(yùn)輸槽罐作為�；�品運(yùn)輸公路運(yùn)輸?shù)闹饕�方式，在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)因?yàn)闄C(jī)械碰撞、年久腐燭等原因產(chǎn)生泄漏。�；�品一旦泄漏，由于自身具有易燃易爆的危險(xiǎn)特性，極易此生爆炸、火災(zāi)等災(zāi)害。同時(shí)泄漏的�；�品還會(huì)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(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的�；�品槽罐進(jìn)行實(shí)時(shí)的、有效的泄漏檢測(cè)，是保障社會(huì)公共安全的重大課題。及時(shí)的發(fā)現(xiàn)泄漏并快速釆取應(yīng)對(duì)措施，是保障降低事故和風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。這體現(xiàn)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》公共安全領(lǐng)域科技發(fā)展的需求，符合“十二五”國(guó)家科技計(jì)劃社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域項(xiàng)目指南公共安全領(lǐng)域、生產(chǎn)安全、危險(xiǎn)化學(xué)品重大事故防治技術(shù)裝備的支持方向。
本文所選課題來(lái)自國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃——危險(xiǎn)化學(xué)品重大事故防治技術(shù)裝備，其子課題專題——�；�品運(yùn)輸槽罐安全實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究。該專題針對(duì)危化品運(yùn)輸槽罐，在國(guó)內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，融合多種傳感技術(shù)和GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS(地理信息系統(tǒng))、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)安裝光纖微振動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)氣態(tài)�；�品耀體微小氣體泄漏、罐體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)安裝閥門開(kāi)度傳感探頭、罐體狀態(tài)傳感器以及溫度和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)液態(tài)危化品槽體閥門意外開(kāi)啟、罐體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；研制具有智能分析功能的槽罐控制模塊，綜合分析運(yùn)輸過(guò)程中各項(xiàng)與安全相關(guān)的重要參數(shù)，確定槽罐“泄燃爆"的臨界判定條件，實(shí)現(xiàn)異常狀況判斷或事故智能等級(jí)分類；最終研制出一整套基于傳感器融合和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)�；�品運(yùn)輸槽罐安全企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，進(jìn)行工程示范應(yīng)用，并提出區(qū)域級(jí)和國(guó)家級(jí)針對(duì)�；�品槽罐運(yùn)輸全過(guò)程實(shí)施監(jiān)管方案。
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1.2液化石油氣運(yùn)輸槽罐的泄漏檢測(cè)背景及意義
自上個(gè)世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)外發(fā)生過(guò)多起重大的�；�品運(yùn)輸槽耀事故。1978年西班牙一輛槽車液化石油氣灌裝過(guò)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(zāi)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(nèi)，因司機(jī)偷盜液化石油氣，引發(fā)一輛儲(chǔ)存有20噸液化石油氣的槽罐車突然發(fā)生火災(zāi)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)⑴，我國(guó)�；�品公路年運(yùn)輸量超過(guò)2億噸，其中液化石油氣等日運(yùn)量約為1萬(wàn)噸。在危化品運(yùn)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�；�品。作為液化石油氣公路運(yùn)輸?shù)闹饕�工�?mdash;—運(yùn)輸槽罐，國(guó)家對(duì)其在制作、使用過(guò)程中有著嚴(yán)格的規(guī)定和管理。但對(duì)液化石油氣槽罐在運(yùn)輸過(guò)程中，卻缺少相應(yīng)的建康監(jiān)測(cè)。液化石油氣槽罐在運(yùn)輸過(guò)程中，液化石油氣儲(chǔ)存在槽罐體內(nèi)，耀體長(zhǎng)期處于高壓、溫差變化的惡劣環(huán)境下，并且還會(huì)受到機(jī)械摩擦和碰撞的威脅。罐體極易在揮縫、接頭處等高應(yīng)力部位產(chǎn)生泄漏。液化石油氣槽罐在運(yùn)輸過(guò)程中的泄漏，其所帶來(lái)的危害相比于靜態(tài)的壓力容器如儲(chǔ)罐、氣瓶等，更為嚴(yán)重。因?yàn)橐夯�石油氣槽罐一旦在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生泄漏，并發(fā)的爆炸和火災(zāi)等次生災(zāi)害所發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)等具有不可預(yù)知性，使救援工作的開(kāi)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(chǎn)生機(jī)理
聲發(fā)射技術(shù)的研究和應(yīng)用最早是德國(guó)學(xué)者Kaiser對(duì)各種材料的拉伸試驗(yàn)研究開(kāi)始的。他在實(shí)驗(yàn)中觀察到材料在拉伸形變中有聲發(fā)射產(chǎn)生，這種現(xiàn)象為"Kaiser效應(yīng)”。而聲發(fā)射技術(shù)在工程上的應(yīng)用是在60年代，主要是壓力容器的無(wú)損檢測(cè)和斷裂定位。而現(xiàn)今，作為一種新技術(shù)，聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用覆蓋了航空航天、壓力管道、建筑、電力等領(lǐng)域。
聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)理是指材料中局部能量的迅速釋放，被釋放的能量會(huì)以應(yīng)力波或應(yīng)變波的形式存在，這種應(yīng)力波、應(yīng)變波成為聲發(fā)射波。這種局部釋放的能量來(lái)自于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，裂紋形成等過(guò)程。
一般說(shuō)來(lái)，聲發(fā)射分為一級(jí)聲發(fā)射和二級(jí)聲發(fā)射。一級(jí)聲發(fā)射是指釋放的能量來(lái)自于待測(cè)物體本身，例如材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和裂紋產(chǎn)生。二級(jí)聲發(fā)射是指產(chǎn)生的彈性波的能量來(lái)自外部的能源，例如流體、微粒的流動(dòng)，泄漏等。二級(jí)聲發(fā)射的能量雖然不是來(lái)自于物體本身，但也歸為聲發(fā)射。
聲發(fā)射產(chǎn)生的方式和方法有許多，可歸結(jié)為如下[35]:
*材料的退化一缺陷增長(zhǎng)、裂紋的發(fā)展、塑性形變、斷裂、因?yàn)楦�蝕涂料剝落而產(chǎn)生的表面劣化
*制造過(guò)程一傳接噪聲、滾乳、鍛造、鉆孔
*泄漏和流動(dòng)一單相或者雙相流體、微粒的的流動(dòng)，泄漏，天然氣逸出聲發(fā)射是在自然界中隨時(shí)發(fā)生的自然現(xiàn)象，諸如樹(shù)枝折斷、巖石破碎和骨折等斷裂過(guò)程都伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)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(guān)于聲發(fā)射的研究主要用于材料性能測(cè)試、摩擦實(shí)驗(yàn)和斷裂實(shí)驗(yàn)等。20世紀(jì)60年代，聲發(fā)射作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在美國(guó)原子能、宇航技術(shù)中興起，在燥接延遲裂紋監(jiān)視、壓力容器與固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等檢測(cè)方面出現(xiàn)應(yīng)用實(shí)例；20世紀(jì)70年，聲發(fā)射技術(shù)引入我國(guó)，20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展迅速。其研究與應(yīng)用擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)、工業(yè)過(guò)程監(jiān)視等領(lǐng)域。聲發(fā)射檢測(cè)的主要目標(biāo)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(shí)間和地點(diǎn)等。隨著聲發(fā)射研究的深入，筆耕文化傳播，人們?cè)趯?shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其在檢測(cè)領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)。在石油化工材料實(shí)驗(yàn)[37]、航天航空[38]、橋梁建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[39]等領(lǐng)域都已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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?cè)诶w芯中傳輸光的相關(guān)信息，如光強(qiáng)、相位、頻率等。這其中光相位改變（亦即光纖干涉結(jié)構(gòu)）是靈敏度較高的一種傳感原理。
光纖在受到外界應(yīng)變作用時(shí)，其有效折射率和長(zhǎng)度都在發(fā)生改變。如圖2-1所示的光纖，當(dāng)外力作用于光纖時(shí)，光纖中的應(yīng)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(yīng)力成線性正比關(guān)系。光纖因施加在其的應(yīng)變發(fā)生變化而產(chǎn)生的折射率改變成為彈光效應(yīng)。依據(jù)彈光效應(yīng)可知道光指數(shù)(1/n2)的變化同外界應(yīng)變關(guān)系是：
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第三章 光纖傳感器的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方法研究 ....................32-47 
3.1 聲發(fā)射探頭的結(jié)構(gòu)分析................. 32-34 
3.1.1 聲發(fā)射探頭的結(jié)構(gòu) .................32-33 
3.1.2 探頭制作及封裝方式.............................. 33-34 
3.2 基于M-Z結(jié)構(gòu)的光纖聲發(fā)射探頭設(shè)計(jì)............. 34-37 
3.2.1 基于M-Z結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射探頭傳感原理 ............34-35 
3.2.2 基于M-Z結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射探頭實(shí)驗(yàn)研究 ...........35-37 
3.3 基于保偏光纖的白光聲發(fā)射探頭設(shè)計(jì)........................... 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(shí)驗(yàn)研究................... 41-42 
3.4 兩種探頭的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比研究 ..........................42-46 
3.4.1 兩種探頭的關(guān)鍵性能分析................... 42-43 
3.4.2 兩種探頭關(guān)鍵性能的實(shí)驗(yàn)研究 .......................43-46 
3.5 本章小結(jié) ................................46-47 

第四章 基于光纖干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)的液化石油氣槽罐泄漏檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)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(jié)構(gòu)對(duì)泄漏模型進(jìn)行檢測(cè)�；�于得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論提出泄漏預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、完成程序的編寫。并對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，嘗試給出解決方案。
4.1.1平板式泄漏模型
泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射波在固體構(gòu)件中的傳播模式分為縱波和橫波。傳播模式會(huì)因?yàn)楣腆w厚度的不同，即是屬于薄板構(gòu)件還是厚板構(gòu)件，而發(fā)生改變。引入?yún)��?shù)S定義固體構(gòu)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(gòu)件的壁厚、/是聲發(fā)射波的頻率。當(dāng)固體構(gòu)件的參數(shù)時(shí)，其屬于薄板結(jié)構(gòu)。
液化石油汽運(yùn)輸槽罐，其罐體鋼板厚約8mm，運(yùn)輸時(shí)荷載的液化石油器壓強(qiáng)為1.6MPa。泄漏時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻率在kHz量級(jí)，對(duì)應(yīng)的參數(shù)，滿足薄壁構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)S<6mmMHz。

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

本文選題來(lái)自國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃，子課題專題一�；�品運(yùn)輸槽罐安全實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究。本文對(duì)危化品運(yùn)輸槽罐安全實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)中，用于泄漏檢測(cè)的光纖聲發(fā)射傳感結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。以液化石油氣運(yùn)輸槽罐為檢測(cè)對(duì)象，分析了槽罐在泄漏時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象及常用的泄漏檢測(cè)方法;重點(diǎn)討論了聲發(fā)射對(duì)光纖所產(chǎn)生的影響和聲發(fā)射信號(hào)傳輸過(guò)程中的耦合問(wèn)題；利用單模光纖設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究了兩種探頭的檢測(cè)靈敏度、溫度穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。最后，針對(duì)液化石油氣運(yùn)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(duì)泄漏時(shí)氣體流速進(jìn)行了軟件模擬，并在平板泄漏模型上檢測(cè)不同壓差下的聲發(fā)射信號(hào)，得到聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度與壓差關(guān)系曲線，并進(jìn)行了線性擬合，線性相關(guān)度R為0.9965。針對(duì)取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了一種泄漏檢測(cè)的預(yù)警模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
本文中在泄漏檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中還需要進(jìn)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(jié)構(gòu)靈敏度低,在該泄漏檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中使用效果不明顯。未來(lái)對(duì)具有更高靈敏度的機(jī)械傳感結(jié)構(gòu)的研究，將是下一步工作中的重點(diǎn)。同時(shí)也能一并解決M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)中相位衰落帶來(lái)的泄漏檢測(cè)預(yù)警的誤判。
2、本文最后只是針對(duì)氣體流速場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并定性的得到流速大時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅度大。下一步對(duì)于氣體流速和聲發(fā)射信號(hào)之間的定量關(guān)系，以及泄漏時(shí)壓差和聲發(fā)射信號(hào)的模擬研究將是另一重要的任務(wù)。
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本文編號(hào)：10822