Технологии мониторинга стальных конструкций кранов с помощью волоконно-оптических решеток SHM, датчиков деформации и онлайн-оценки усталостного ресурса
✅ Технология датчиков на основе волоконно-оптических решеток (FBG) обеспечивает высокоточные средства онлайн-измерения деформации, устойчивые к электромагнитным помехам, для мониторинга состояния стальных конструкций кранов (SHM), что в сочетании с моделью накопления усталостных повреждений позволяет осуществлять оценку остаточного срока службы в режиме реального времени.
См.GB/T 3811-2008 «Нормы проектирования кранов»Методы оценки усталостного ресурса металлоконструкций: стальные конструкции мостовых кранов под воздействием длительных переменных нагрузок подвергаются накоплению усталостных повреждений, при этом традиционные методы периодического неразрушающего контроля (MT/UT) не позволяют отследить весь процесс зарождения и распространения трещин. Появление технологии оптоволоконных брагговских решеток (FBG) предоставило решение для мониторинга состояния (Structural Health Monitoring, SHM) стальных конструкций мостовых кранов, отличающееся распределенным характером, высокой точностью и возможностью длительной работы в режиме онлайн. Система KL-SHM-FBG, сочетающая в себе оптоволоконные датчики деформации и алгоритмы оценки усталостного ресурса, уже внедрена в эксплуатацию на многих объектах металлургической и портовой отраслей.
Структура и принцип действия сенсорной системы на основе волоконно-оптической решетки
Датчик FBG использует ультрафиолетовый лазер для записи периодической решетки показателя преломления в сердцевине оптического волокна; при падении широкополосного источника света выполняется условие Брэгга λB=2neffОпределённая длина волны Λ отражается обратно. Когда оптическое волокно подвергается осевой деформации или изменению температуры, период решётки Λ и эффективный показатель преломления neffпроисходят изменения, приводящие к сдвигу длины волны отражения. При измерении деформации типичная чувствительность составляет 1,2 пм/ме, а разрешение может достигать 0,1 ме, что значительно превышает уровень 1 ме, характерный для резистивных тензодатчиков.
Вся система KL-SHM-FBG состоит из трёх частей:
①Модуль оптоволоконного источника света——Используется широкополосный источник света ASE (диапазон C, 1525–1565 нм, выходная мощность ≥ 10 мВт);
②Демодулятор длины волны——Основан на принципе перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, частота сканирования 1 кГц, разрешение по длине волны 1 пм;
③Массив сенсорных сетей——В каждом канале можно последовательно подключить 16 датчиков FBG, при этом для различения отдельных точек измерения используется технология волнового мультиплексирования (WDM).
Система передает демодулированные данные в облачную платформу SHM через шлюз 4G/5G, что позволяет осуществлять удаленный просмотр в режиме реального времени.
Схема развертывания сети датчиков деформации
Главная балка, концевые балки и соединительные участки моста Тяньчжоу являются зонами, подверженными усталостному износу, поэтому в этих местах необходимо уделить особое внимание размещению точек мониторинга. На основании результатов анализа методом конечных элементов (FEA) на нижней кромке пролета главной балки в середине пролета размещаются двунаправленные датчики деформации FBG (в продольном и поперечном направлениях), на обоих концах главной балки (примерно на расстоянии 1/4 пролета от концевых балок) — однонаправленные датчики, а вокруг групп высокопрочных болтов соединения концевых балок — многоточечные датчики.
Установка датчиков осуществляется с использованием технологии фиксации с предварительным натяжением и нанесением защитного цианоакрилатного покрытия. На этапе заводской сборки каждый датчик проходит предварительную калибровку, что обеспечивает точность начальной длины волны ±0,05 нм. При развертывании на объекте используются FBG с температурной компенсацией (установка в подвешенном состоянии без деформации), что позволяет устранить перекрестную температурную чувствительность. На каждой главной балке рекомендуется разместить от 16 до 24 точек измерения, образующих полную сеть мониторинга поля деформаций. Сигнальные кабели прокладываются по кабельным каналам вдоль ребра жесткости главной балки и подводятся к шкафу сбора данных, расположенному под кабиной машиниста.
Выбор плотности размещения измерительных точек требует поиска компромисса между точностью измерений и стоимостью системы. Эмпирическое правило гласит: для универсальных мостовых кранов с пролетом 22,5–31,5 м на нижней кромке главной балки вдоль продольной оси следует размещать по одной двунаправленной точке измерения FBG каждые 2,5–3 м, а в области середины пролета — с шагом 1,5 м. В зоне соединения концевых балок особое внимание уделяется положению первого и последнего рядов групп высокопрочных болтов (зоны концентрации напряжений); в каждом узле соединения размещается не менее 2 точек измерения (одна основная и одна дополнительная). Для металлургических кранов (класс работы A7/A8) рекомендуется разместить точки мониторинга во всех областях, где напряжение на карте распределения напряжений, полученной методом конечно-элементного анализа (FEA), превышает 60 МПа, чтобы обеспечить полное покрытие опасных сечений 100%. Характеристики волнового мультиплексирования системы KL-SHM-FBG позволяют гибко добавлять или удалять точки измерения на исследуемом магистральном кабеле без необходимости повторной прокладки оптоволоконной магистрали.
Метод онлайн-оценки ресурса на усталость
Оценка усталостного ресурса на основе данных о динамике деформации во времени в режиме реального времени осуществляется с использованием стандартного трехэтапного метода: сначала для каждой точки измерения проводится подсчёт по методу Рейнфлоу (Rainflow Counting) кривых зависимости деформации от времени, из которых извлекаются пары «амплитуда — среднее значение» для полных и половинных циклов; затем, на основе S-N-кривой материала (для сталей Q235B/Q355B, обычно используемых в кранах, с уровнем усталостной прочности FAT 125–160), с помощью линейного закона накопления повреждений Минера (Miner) рассчитывается вклад каждого цикла в повреждение Di = ni/Ni; наконец, суммарный ущерб D = ΣDi, если D ≥ 1, считается, что данная позиция достигла предела усталостной долговечности.
Для повышения точности оценки в систему внедрена модель корректировки среднего напряжения Гудмана, которая преобразует амплитуду напряжения в асимметричном цикле в эквивалентную амплитуду напряжения с нулевым средним значением: σa, e = σa × σb/(σb−σm). При этом для хранения результатов подсчета дождевых потоков используется матрица Маркова (Markov Matrix): для каждой точки измерения ведется двумерная матрица амплитуда-среднее значение размером 128×128, коэффициент сжатия данных достигает 1000:1, что подходит для долгосрочной онлайн-регистрации. Система обновляет кривую накопленного ущерба каждые 10 минут и автоматически рассылает предупреждающие уведомления, когда показатель ущерба за день превышает пороговое значение (например, суточный ущерб > 0,011 TP3T).
В инженерной практике неопределенность при оценке усталостного ресурса в основном связана с дисперсией кривых S-N и учетом циклов с малыми амплитудами при подсчете числа циклов. Что касается циклов с малыми амплитудами (амплитуда<5 ме), Международное общество по сварке (IIW) рекомендует использовать метод отсечения (cut-off limit) и напрямую игнорировать эти значения, поскольку их вклад в усталостное повреждение ниже порогового значения предела усталости. Для циклов со средней амплитудой (5–30 με) можно использовать формулу поправки Хайбаха, чтобы скорректировать наклон кривой S-N с m = 3 до m' = 2m − 1 = 5, что позволяет более консервативно оценить кумулятивный эффект циклов с низким напряжением. Система KL-SHM-FBG по умолчанию использует метод обработки кривых S-N с двумя наклонами в соответствии со стандартом IIW, однако пользователь также может выбрать в интерфейсе программного обеспечения другие стандарты (например, Eurocode 3, BS 7608 или AS 4100) в зависимости от конкретного класса стали и типа соединения.
Сравнение с традиционными методами электрических измерений
Чтобы наглядно продемонстрировать технические преимущества датчиков на основе волоконно-оптических решеток по сравнению с традиционными резистивными тензодатчиками, ниже приводится сравнительный анализ по шести ключевым параметрам. Эти параметры напрямую определяют долгосрочную эксплуатационную пригодность систем мониторинга состояния (SHM) в промышленных условиях, таких как сталелитейные заводы и порты, а также затраты на техническое обслуживание, и являются основными критериями при выборе оборудования.
С точки зрения инженерного применения ключевыми факторами при выборе решения являются: первоначальные затраты, долгосрочные расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание, надежность данных и масштабируемость системы. Хотя стоимость резистивных тензодатчиков при закупке отдельных элементов ниже, в таких промышленных условиях, как работа кранов, характеризующихся высоким уровнем вибрации, запыленностью и сильными электромагнитными помехами, проблемы, связанные со старением и разрывом сигнальных кабелей, дрейфом нуля усилителей и радиочастотными помехами, приводят к тому, что фактическая совокупная стоимость владения (TCO) оказывается в 1,8–2,5 раза выше, чем у решения на основе FBG. Ниже приводится всестороннее сравнение по шести критериям, которое поможет предприятиям сделать обоснованный выбор с учетом своих эксплуатационных условий и бюджета.
| Критерии сравнения | Решение на основе резистивных тензодатчиков | Решение на основе волоконно-оптической решетки FBG |
|---|---|---|
| Удельная себестоимость | 15–30 юаней за штуку | 80–150 юаней за точку (с учетом распределения затрат на демодулятор) |
| Долгосрочная стабильность | Дрейф нуля 0,51 TP3T/месяц, требуется частая калибровка нуля | Годовой дрейф<0,11 TP3T, не требует калибровки |
| Защита от электромагнитных помех | Недостаток (электрический сигнал подвержен перекрестным помехам от преобразователя частоты) | Превосходно (световой сигнал, полностью не подверженный влиянию электромагнитных помех) |
| Возможности мультиплексирования | Каждая плата требует отдельного сигнального провода | 16 точек/ядро волоконно-оптического мультиплексора с волновым разделением |
| Сложность прокладки кабелей | Большое количество кабелей (частые обрывы, плохой контакт) | Все точки измерения соединены последовательно с помощью одножильного оптоволокна |
| Рекомендуемый цикл ремонта | Следует заменять через 3–6 месяцев | Более 5 лет без технического обслуживания |
Анализ типичных примеров применения
На примере 32-тонного/50-тонного мостового крана в сталеплавильном цехе одного из металлургических заводов: данный кран имеет класс нагрузки A7, среднесуточный рабочий цикл составляет 220 циклов, он эксплуатируется уже 8 лет. В июне 2025 года была установлена система KL-SHM-FBG; в общей сложности было размещено 24 точки измерения FBG в середине пролета главной балки, в зоне соединения торцевых балок и в зоне термического влияния сварных швов. На 47-й день после ввода системы в эксплуатацию на точке измерения #7 в середине пролета главной балки был зафиксирован резкий скачок амплитуды деформации на 18%; пересчет по показателям дождевого потока показал, что суточный коэффициент повреждения в этой точке вырос с базового значения 0,003% до 0,024%.
После остановки оборудования в ходе магнитопорошкового контроля было выявлено наличие в данной зоне поперечной усталостной трещины длиной около 12 мм. Благодаря своевременной сварке трещина была устранена, и оборудование возобновило нормальную работу, что позволило избежать аварии в виде внезапного разрушения. Данный случай подтвердил практическую ценность системы FBG-SHM в плане заблаговременного предупреждения.
Успех этого проекта привлек внимание представителей отрасли, в результате чего ещё три сталелитейных завода и две портовые компании одновременно внедрили аналогичные системы SHM. С точки зрения экономической эффективности, средняя стоимость ремонта одной краны в случае обрыва главной балки из-за невыявленной трещины составляет около 450 000–800 000 юаней (включая замену конструкции, убытки от остановки производства и расходы на подъемные работы), тогда как стоимость внедрения одной системы KL-SHM-FBG составляет около 60 000–100 000 юаней, а соотношение затрат и выгод составляет примерно 1:5–1:8. После ввода системы в эксплуатацию на данном металлургическом заводе в течение 12 месяцев было своевременно выявлено 3 места усталостных трещин и 7 случаев ослабления соединительных элементов, что позволило непосредственно предотвратить 2 потенциальных случая обрыва главной балки. В ходе последующей модернизации систем SHM на шести кранах данного металлургического завода также использовалось решение с датчиками FBG; в общей сложности было установлено 192 датчика FBG, которые охватили все краны металлургического цеха.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: В чём заключаются основные преимущества датчиков с волоконно-оптической решёткой по сравнению с резистивными тензодатчиками при применении в системах мониторинга состояния кранов (SHM)?
Ответ: Ключевыми преимуществами датчиков FBG являются устойчивость к электромагнитным помехам и долгосрочная стабильность. В условиях эксплуатации подъемника присутствуют сильные электромагнитные поля, создаваемые частотными преобразователями, электродвигателями и кабелями с большим током, в результате чего электрический сигнал резистивных тензодатчиков, выраженный в микровольтах, очень легко подвергается помехам, что приводит к ложным срабатываниям или пропускам сигналов. FBG использует передачу оптического сигнала, что полностью исключает влияние электромагнитных помех (EMI). Кроме того, дрейф нуля резистивных тензодатчиков составляет около 0,51 TP3T в месяц, что требует многократной ежегодной калибровки нуля; в то же время эталонная длина волны FBG основана на линиях атомных переходов, и годовой дрейф составляет менее 0,11 TP3T. Кроме того, в системе FBG на одном оптическом волокне можно последовательно подключить 16 точек измерения (WDM), что значительно сокращает объём работ по прокладке кабелей.
Вопрос: Как обеспечить долгосрочную и надежную работу датчиков FBG в условиях эксплуатации крана на открытом воздухе?
Ответ: Корпус датчика изготовлен с использованием технологии позолоченного оптического волокна с последующим покрытием полиимидом, а поверхность защищена двухслойным герметизирующим покрытием из цианоакрилата и силиконовой резины. В качестве выходного волокна используется бронированный оптоволоконный кабель (диаметр 3 мм, спиральная трубка из нержавеющей стали + армирующий слой из кевлара), устойчивый к перетяжкам и грызению грызунами. Диапазон рабочих температур в любых погодных условиях составляет от −40 до +85 °C, корпус имеет степень защиты IP67. В зоне концевой балки крана, подверженной сильным вибрациям и ударам, рекомендуется установить металлическую защитную крышку. Данные реальных испытаний показывают, что в условиях сталелитейного завода с высоким уровнем запыленности и влажности выживаемость датчиков по-прежнему сохраняется на уровне 97% и выше даже после 24 месяцев эксплуатации.
Вопрос: Какие факторы влияют на точность оценки усталостного ресурса системы SHM?
Ответ: На это влияют в основном три фактора: степень соответствия кривой S-N — уровни FAT для различных марок стали и классов толщины различаются; разница в FAT между Q235B и Q355B может составлять от 15 до 201 TP3T; точность алгоритма подсчёта дождевых потоков — правильное извлечение полных/половинных циклов зависит от разумной настройки пороговых значений (рекомендуется мертвая зона 3 με); применимость модели поправки Гудмана — при среднем напряжении, равном сжимающему напряжению, эффект поправки ограничен. Общая точность обычно находится в пределах ±301 TP3T (относительная погрешность), что в рамках оценки SHM по международному стандарту ISO 12111 считается приемлемым для инженерных целей уровнем.
Вопрос: Какие функции удаленного мониторинга и раннего предупреждения поддерживает система KL-SHM-FBG компании «Круд Хеви Индастри»?
Ответ: Система KL-SHM-FBG компании «Круд Хеви Индастри» обеспечивает четырехуровневую систему раннего предупреждения: синий уровень (суточный коэффициент повреждения в одной точке > 0,0051 TP3T), желтое предупреждение (>0,011 TP3T), оранжевое предупреждение (>0,051 TP3T, накопленное повреждение >0,3) и красная тревога (накопленное повреждение ≥0,8 или резкое изменение амплитуды деформации >151 TP3T). Система передает данные через 4G/5G-шлюз на облачную платформу SHM и поддерживает просмотр в режиме реального времени через мобильное приложение графиков деформации по каждой точке измерения, кривых накопленного повреждения и прогнозов остаточного срока службы. Кроме того, система автоматически генерирует ежемесячные отчеты SHM в формате PDF, содержащие матрицу дождевых потоков, карту распределения очагов повреждений и рекомендации по ремонту.
