光纤感测於钢管局部薄化之安全监测应用摘要前言.PDF

光纖感測於鋼管局部薄化之安全監測應用 摘 要 鋼管常用於一般石化工廠且由於腐蝕、劣化等因素，管內壁容易變 薄，而這些內壁變薄的缺陷通常是局部性且不可預期的，若以傳統的 感測器需要耗費相當多的人力物，且無法達到預期的效果，本文中利 用分布式光纖感測的功能，以檢知管線之薄化情形，並經由實驗得到 證實。我們在鋼管內部的六個不同位置製造 10％至60％的不同減薄 區，使用一條感測光纖以螺旋狀方式延著鋼管外表面黏貼佈放，並在 適當位置放置應變規，以驗證光纖量測之結果。當管內施予不同的壓 力時，由光纖感測系統可清楚地檢知各減薄區所在位置及薄化程度， 並由應變規量測結果得到證實。本研究證明分布式光纖感測在金屬管 線缺陷檢測上的能力。 關鍵詞：分布式光纖感測、鋼管薄化、腐蝕檢測 前 言 鋼管常用於一般工廠的製程，實施安全檢查常需投入大量人力物 力，曠日費時又不易達到預期效果。近年來石化工廠發生多起因壓力 管線經年劣化、腐蝕等導致管壁減薄而洩漏的個案，依過去國外重大 事故之經濟損失和發生頻率之數據顯示，事故頻率以製程管線最高， 約佔34%[1]。 在一般鋼管安全檢測所面臨的困難有：許多長距離的管線都埋在 地下，因傳統感測器耐候性不佳，且易受現場電磁干擾影響，往往會 使監測系統無法有效地發揮功能，另有些管線在外部另加高、低溫之 保溫套件，這些都會增加傳統檢測方式的困難度。一般點的檢測只能 對固定點進行測試，常因構件破壞的位置無法掌握，而無法即時反應 出結構體受損的情況，且投入成本也將隨著量測點的數量而增加。近 年來光纖感測技術常用工程或設備的監測，其中應用最廣的應屬布拉 格光柵光纖檢測，布拉格光柵具有高精度、高解析度及高反應速度的 優點，但是它仍然只能做定點的量測，對構件的損壞仍無法有效掌 握。分佈式光纖感測連續地量測待測物體，包括應變、溫度等，有別 於定點式的量測，而為其他型式的感測器所不及，且可以光纖本身直 接做為感測器及傳輸線，因此成本相對較低。 傳統的分布式布里淵光纖感測使用脈衝式的光源，空間解析度主 要決定於發射脈波及收到反射回來的布里淵散射訊號間的時間間 隔。因此要獲得光纖上任一點的應變訊號必需是循序的，且由於布里 淵的訊號非常微弱，為了得到必需的訊號雜訊比(SNR)，通常必需做 長時間（約幾分鐘）的積分。此外脈衝式布里淵感測量測時間較久， 因此並不適合於用在動態的量測。雖有學者提出以布里淵環做放大的 脈波式架構，雖可以有效提高SNR，可以量到2秒周期的動態應變， 但是衍生出空間解析度不足（約100公尺），及系統穩定性的問題。 Hotate 等人[2-5]提出的布里淵光學相關性時域分析(BOCDA)技術， 具備了分布式感測能力，待測區及空間解析度是可調整的，為了克服 解析度受限制問題，BOCDA藉由調變泵波與探測波間的頻率和相位關 係，以連續波相關性基礎的技術，可在任意選擇的位置上產生出布里 淵散射(SBS)，因布里淵光纖頻率之漂移量與光纖所受之應變值有線 性關係，因此可得任意點上的應變值，並且空間解析度高達1cm。 分布式光纖感測系統 BOCDA量測系統其原理是將輸入的光源作調變，使其產生週期性 的變化，而泵波與探測波則因相互作用而於特定點產生完全相關性， 其他點則因相關性較低而降低現象被濾除，藉由調整頻率調變的參 數，可以改變峰值的位置，因此可以量得特定點的布里淵頻率值。泵 波與探測波在光纖中反向傳輸，激發布里淵散射效應在待測區光纖中 產生，結果光能量從泵波轉移至探測波，使得探測波光源得到增益。 由布里淵增益頻譜(BGS)的波鋒值決定布里淵頻率漂移νB ，此漂移值 與光纖所在之溫度及應變量呈線性改變。由於布里淵頻率會隨應變及 溫度的變化而改變，因此藉由布里淵頻率的量測，可以推算出光纖所 產生的應變及所處的溫度。 實驗方法 本研究使用之鋼管長度為1.8 m；外徑為9.2 cm；管厚為6 mm。 在鋼管內部特定點，減薄管壁厚度，減薄厚度範圍分別為管壁厚度（6 mm）的10%（0.6 mm）、20%（1.2 mm）、30%（1.8 mm）、40%（2.4 mm）、 50%（3.0 mm）及60%（3.6 mm），以模擬不同區域劣化及腐蝕狀況， 其軸向及周向之位置示意圖，如圖1所示。詳細的尺寸可參考表1。 光纖感測器以螺旋方式延著鋼管外表面黏貼佈放，每個區域位置 間隔20cm，將光纖通過的減薄區域旁貼上單軸應變規，位置如圖1(a) 的A、C、E、G、I及K；介於兩個減薄區中間也貼上應變規，如B、D、 F、H及J，研究中將測量各應變規之數值