一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构是：设有金属骨架(1)，其上装有径向光纤光栅温度传感器(4)、周向光纤光栅应变传感器(5)。本发明专利技术可以实现垫片密封功能及监测功能的集成，能够及时发现垫片的密封失效状态以便采取预防措施避免灾难性事故的发生，并且不需要对已有法兰结构进行改变即可安装使用，适用于已建法兰系统。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片
本专利技术涉及法兰垫片，特别是一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片。
技术介绍
垫片在法兰连接中是极为重要的密封元件，其性能的好坏直接影响到安全生产。现有的法兰垫片在实际使用过程中发生的密封失效主要是由于密封接触面预紧力小于其中的介质压力而引起的界面泄漏，其中的主要影响因素包括：一是由于法兰在实际使用过程中的螺栓预紧力下降而导致的垫片接触应力不足；二是由于垫片自身的蠕变和应力松弛而导致的垫片接触应力减小。目前，法兰垫片密封状态监测技术主要有以下两类：第一类方法是在法兰垫片的初期安装过程中通过特定的检测装置测定螺栓预紧力的大小，这类方法的不足是无法在法兰实际使用过程中及时发现可能发生的预紧力下降；第二类方法是在法兰垫片设计阶段通过专门的检测装置测定垫片材料的蠕变和应力松弛性能，以及压缩率-回弹率等，这类方法的缺点是只能反映垫片材料试样在特定测试条件下的性能参数，不能反映出垫片在实际使用过程中所发生的性能变化。由于现有监测方法的上述不足，目前还不能在法兰的实际使用过程中对垫片密封的失效状态进行有效监测。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，以克服上述现有技术存在的不足。本专利技术解决其技术问题采用以下的技术方案：本专利技术提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构是：设有金属骨架，该金属骨架装有径向光纤光栅温度传感器、周向光纤光栅应变传感器。所述金属骨架表面设有周向铺设槽和径向铺设槽，其中周向铺设槽安装周向光纤光栅应变传感器，径向铺设槽安装径向光纤光栅温度传感器。所述金属骨架，其上、下表面均设有表层复合材料。所述周向光纤光栅应变传感器用耐高温胶粘结在周向铺设槽中，径向光纤光栅温度传感器用耐高温胶粘结在径向铺设槽中。所述周向光纤光栅应变传感器由应变传感光栅和聚酰亚胺涂层光纤组成。所述光纤光栅温度传感器由毛细钢管、温度传感光栅及聚酰亚胺涂层光纤组成，其中：温度传感光栅封装在毛细钢管的内腔中，通过聚酰亚胺涂层光纤引出，毛细钢管的两端分别由耐高温胶密封。所述耐高温胶采用8371环氧胶或DC736耐高温胶。所述复合材料采用聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯、柔性石墨中的一种。本专利技术与现有技术相比有以下的主要的优点：1.通过合理的结构和工艺设计，实现垫片密封功能及监测功能的集成；2.支持在法兰的服役状态下对垫片表面的应变和温度变化进行实时监测，以便及时发现垫片的密封失效状态并采取预防措施避免灾难性事故的发生；3.不需要对已有法兰结构进行改变即可安装使用，适用于已建法兰系统。附图说明图1是本专利技术基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片的结构示意图。图2是图1的俯视图。图3是图1中金属骨架1的结构示意图。图4是图3的俯视图。图5是周向铺设槽101的结构参数示意图。图6是径向铺设槽102的结构参数示意图。图7是周向光纤光栅应变传感器101及径向光纤光栅温度传感器102的铺设示意图。图8是径向光纤光栅温度传感器102的结构示意图。图9是周向光纤光栅应变传感器5的结构示意图。图10是法兰垫片密封失效状态监测系统示意图。图11是垫片在0.8MPa预紧力下不同温度时的表面应变变化情况。图12是垫片在1MPa预紧力下不同温度时的表面应变变化情况。图13是垫片在温度为30℃时不同预紧力下的表面应变变化情况。图14是垫片在温度为45℃时不同预紧力下的表面应变变化情况。图中：1.金属骨架；101.周向光纤光栅应变传感器铺设槽；102.径向光纤光栅温度传感器铺设槽；2.表层复合材料；3.定位耳；4.径向光纤光栅温度传感器；401.聚酰亚胺涂层光纤；402.耐高温胶(8371环氧胶)；403.毛细钢管；404.温度传感光栅；5.周向光纤光栅应变传感器；501.聚酰亚胺涂层光纤；502.应变传感光栅；R1-引出端过渡圆弧；R2-引出端过渡圆弧；T1-定位环厚度；R-波齿圆弧半径；p-波齿距；h-波齿深度；t-金属骨架厚度；b1-周向光纤光栅应变传感器铺设槽宽度；h1-周向光纤光栅应变传感器铺设槽深度；b2-径向光纤光栅温度传感器铺设槽宽度；h2-径向光纤光栅温度传感器铺设槽宽度深度。具体实施方式本专利技术提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，是以波齿型复合垫片的金属骨架为基体，在其表面分别铺设光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，通过传感器测量得到的温度和应变数据对垫片在服役过程中可能出现的密封力下降进行及时监测，以便及早采取措施预防泄漏事故的发生。下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步阐述，但不限定本专利技术。本专利技术提供的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其结构如图1至图7所示：由金属骨架1、表层复合材料2、径向光纤光栅温度传感器4、周向光纤光栅应变传感器5、耐高温胶层组成，其中：径向光纤光栅温度传感器4以及周向光纤光栅应变传感器5分别用耐高温胶粘结在金属骨架1表面径向铺设槽和周向铺设槽中；并在压床上将表层复合材料2用耐高温胶粘结和模压在金属骨架1上下表面。所述金属骨架1的结构如图3、图4、图5和图6所示：由周向光纤光栅应变传感器铺设槽101、径向光纤光栅温度传感器铺设槽102组成，金属骨架1上的波齿和光纤光栅传感器铺设槽由模具冲压完成。所述复合材料2是根据法兰的使用工况条件来选取的，具体包括：聚四氟乙烯(适用于-100℃～200℃的温度范围，预紧力≦10MPa的场合)，膨胀聚四氟乙烯(适用于粗糙或易碎玻璃面法兰，预紧力≦20MPa，-100℃～250℃温度交变场合)，以及柔性石墨(适用于-220℃～800℃的温度范围，预紧力≦30MPa的场合)。所述光纤光栅温度传感器4的结构如图8所示：由毛细钢管403、耐高温胶(8371环氧胶)402、聚酰亚胺涂层光纤401及温度传感光栅404组成，其中：温度传感404封装在毛细钢管403的内腔中，通过聚酰亚胺涂层光纤401引出，毛细钢管403的两端分别由耐高温胶402密封。所述周向光纤光栅应变传感器5采用聚酰亚胺涂层，其结构如图9所示：由应变传感光栅502和聚酰亚胺涂层光纤501组成。所述耐高温胶可以采用8371环氧胶或其他类型耐高温胶如DC736耐高温胶等。本专利技术提供的上述基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其制备方法包括以下步骤：1.金属骨架1的制备：以带定位耳型金属波齿复合垫片(如图1、图2所示)为基础，并在金属骨架1上进行设计的。其中金属骨架的材料及其硬度应符合GB/T19066.1-2003的规定，金属骨架由模具冲压完成，其结构和基本参数如图3、图5和图6所示。其中：T1为定位环厚度；R为波齿圆弧半径；p为波齿距；h为波齿深度；t为金属骨架厚度。由于要在金属骨架上加工出光纤光栅应变传感器铺设槽，因此要求金属骨架的厚度t>4.5mm，以保证金属骨架的强度。金属骨架两侧面波峰和波谷错开1/2个齿距，波齿距一致，波齿圆弧半径相等，所有波齿应该在同一个平面内。2.光纤光栅铺设槽设计：金属骨架1的结构如图4和图5所示。其中101为周向光纤光栅应变传感器铺设槽，102为径向光纤光栅温度传感器铺设槽。其中，周向光纤光栅铺设槽101的深度h1要求≥2mm，宽度b1要求≥3mm，径向光纤光栅温度传感器铺设槽102深度h2要求≥2mm，宽度b2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征是设有金属骨架(1)，该金属骨架装有径向光纤光栅温度传感器(4)、周向光纤光栅应变传感器(5)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征是设有金属骨架(1)，该金属骨架装有径向光纤光栅温度传感器(4)、周向光纤光栅应变传感器(5)；所述金属骨架(1)，其上、下表面均设有表层复合材料(2)，该复合材料采用聚四氟乙烯、膨胀聚四氟乙烯、柔性石墨中的一种；该智能型法兰垫片，能够在法兰螺栓预紧过程中对实际作用于垫片上的预紧力数值进行精确测量，以便根据要求进行调整；能够在法兰的服役状态下感知垫片表面的应变和温度变化情况，为及时发现垫片的失效状态并尽早采取预防措施以避免灾难性事故的发生提供了重要的前提。2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的智能型法兰垫片，其特征在于所述金属骨架(1)表面设有周向铺设槽和径向铺设槽，其中周向铺设槽安装周向光纤光栅应变传感器(5)，径向铺设槽安装径向光纤光栅温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵秀栩，郭晓康，郑文涵，徐凤永，温鹏飞，张栓栓，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42