基于分布式FBG传感的核电厂小支管裂纹监测与识别研究
摘要
小支管作为核电厂承压边界的重要一环，其结构完整性是核电厂安全运行的重要保
障。但在实际运行中，小支管故障时有发生，其中裂纹缺陷是故障频率最高的。裂纹的
萌生和扩展将对管路甚至整个承压系统造成巨大的威胁。因此，有必要采取方法，针对
小支管开展裂纹检测，在裂纹萌生及扩展的早期阶段，及时、准确地识别裂纹程度与位
置，保障小支管的安全运行。本研究主要针对核电厂小支管进行机理分析、仿真模拟与
损伤识别研究，发挥分布式“多点测量”优势，获取小支管周向裂纹中心处及其邻域的
环向应变分布特征，并结合多重分形及其改进方法建立裂纹程度、位置与特征参数之间
的映射规律，最终实现小支管裂纹检测、程度判断和定位识别。主要研究工作如下：
（1）基于ANSYS有限元软件对核电站不同裂纹程度的小支管进行模拟仿真。依据
小支管裂纹产生机理以及管道环向应变监测理论，利用ANSYS软件模拟小支管不同裂
纹程度状态，研究了裂纹中心及其邻域的外表面环向应变分布特征，掌握最佳监测距离，
为实验平台搭建和传感器布设提供了指导方向。
（2）设计并搭建小型离心泵——管道循环实验平台，利用模拟数据得到的环向应
变监测范围，指导建立了传感器布设间距方案。在小支管裂纹监测实验中，还利用了分
布式光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating,FBG)应变传感器“一线多点”特点，对5种
不同状态管道分别进行了环向应变监测实验，获取小支管的多点环向应变信号，总结出
不同裂纹程度的裂纹中心及其邻域的应变分布规律，且实验结果与仿真结果在合理误差
范围内，验证了基于环向应变监测小支管裂纹缺陷基本理论的正确性。
（3）利用改进MFDFA的方法对不同程度和位置裂纹的小支管进行损伤识别与定
位。以小支管实验管道模型为分析对象，结合小支管裂纹信号的多重分形特性，比较多
重分形相对于单分形方法的优势，并采用去趋势波动分析与多重分形理论结合，提取多
重分形特征参数并选取了对裂纹程度反应最敏感的2个特征参数??和?，以此进行
裂纹损伤程度的识别。然后结合经验模态分解和最小二乘方法的特点改进了多重分形去
趋势波动分析方法，对于裂纹程度的识别具有更高的灵敏度和更好的性能。并且利用改
进算法对缺失某一FBG的信号与分布式全信号的多重分形谱进行比较分析，能够对裂
纹位置进行准确定位，为实际小支管裂纹程度识别与定位提供依据。
关键词：核电厂小支管；裂纹监测；环向应变；分布式FBG；MF-DFA
基于分布式FBG传感的核电厂小支管裂纹监测与识别研究
Abstract
Asanimportantpartofthepressure-bearingboundaryofanuclearpowerplant,the
structuralintegrityofsmallbranchpipesisanimportantsafeguardforthesafeoperationof
nuclearpowerplants.However,inactualoperation,smallbranchpipefailuresoccurfromtime
totime,withcrackingdefectsbeingthemostfrequent.Thesproutingandexpansionofcracks
willposeagreatthreattothepipelineoreventheentirepressure-bearingsystem.Therefore,it
isnecessarytoadoptamethodtocarryoutcrackdetectionforsmallbranchpipestoidentify
theextentandlocationofcracksina