1. Produkcja struktury MTGS o dobrej szczelności
UWAGA: Procedury dotyczące struktury MTGS obejmują przygotowanie komponentów struktury złożonej, proces obróbki cieplnej oraz badania właściwości próbek MTGS. Kompletna struktura MTGS składa się z stalowej powłoki, przewodnika z Kovaru i szkła uszczelniającego. Patrz odpowiednio na schemat i wymiary przedstawione na Rysunku 1 oraz w Tabeli 1.
- Wsypać proszek szklany w granulacie (~1,1 g) do formy, a następnie umieścić formę w prasie w celu przetworzenia granulatu szklanego, zgodnie z Rysunkiem 2a,b.
- Włączyć prasę (nacisnąć czerwony przycisk), aby skompaktować granulat szklany w cylinder szklany, jak pokazano na Rysunku 2c,d.
UWAGA: Kontrola gęstości cylindra szklanego jest kluczowa dla wydajności struktury MTGS, ponieważ zbyt duża liczba porów w cylindrze szklanym doprowadzi do utraty szczelności struktury MTGS.
- Umieścić cylinder szklany w piecu grzewczym w celu spiekania (patrz Rysunek 3).
- Spieczony cylinder szklany, stalowa osłona i przewodnik z Kovaru są produkowane z zastosowaniem specjalnej uszczelki grafitowej, jak pokazano na Rysunku 4. Za pomocą szczypiec umieścić ten model na przegrodzie kwarcowej w piecu grzewczym w celu przeprowadzenia obróbki cieplnej (patrz Rysunek 4). Utrzymać szybkość chłodzenia na poziomie 0,5 °C/min, aby uniknąć pęknięcia włókna optycznego.
- Po wyjęciu modelu z pieca grzewczego przeprowadzić inspekcję wizualną w celu oceny topografii powierzchni szkła uszczelniającego.
- Użyć linii wysokociśnieniowej do sprawdzenia szczelności modelu MTGS. Zamontować model w linii za pomocą złącza typu zaciskowego. Powoli zmieniać ciśnienie od 1 MPa do 8 MPa, utrzymując każde z tych ciśnień przez 24 h.
- Użyć skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) do zbadania mikrostruktury interfejsu pomiędzy szkłem uszczelniającym a elementami metalowymi, jak pokazano na Rysunku 5. Aby wyraźnie zaobserwować interfejs, zastosować napięcie 15 kV i powiększenie 500x.
UWAGA: Na podstawie badań makroskopowych i wyników SEM standardową maksymalną temperaturę grzania ustalono na 450 °C, aby uzyskać model MTGS o dobrej szczelności. Standardowa obróbka cieplna jest zdefiniowana następująco: zwiększyć temperaturę od temperatury pokojowej (RT) do 450 °C z szybkością 5 °C/min, a następnie obniżyć temperaturę do RT z szybkością 0,5 °C/min.
2. Pomiar naprężeń resztkowych w szkle uszczelniającym
UWAGA: Czujnik FBG został zaprojektowany jako odpowiednia metoda pomiaru naprężeń w MTGS. Długość siatki czujnika FBG wynosi 5 mm, aby dobrze odpowiadała wysokości szkła (5 mm).
- Ubić granulowany proszek szklany w cylindrze szklanym zgodnie z opisem w krokach 1.1–1.2.
UWAGA: Wysokość cylindra szklanego jest istotna, ponieważ jeśli cylinder będzie zbyt wysoki (>6 mm), trudno będzie utworzyć kanał przelotowy dla czujnika FBG bez zniszczenia materiału szklanego.
- Nawiercić cylinder szklany z prędkością obrotową wiertła 5 000 rpm, aby wykonać trzy równomiernie rozmieszczone otwory przelotowe w celu przygotowania ścieżek dla światłowodowych czujników optycznych (średnica 0,45 mm). Spiekć cylinder szklany z otworami, stosując tę samą obróbkę cieplną, co przedstawiono na Rysunku 4.
- Wyprodukować model MTGS zgodnie z opisem w kroku 1.4. Następnie przeprowadzić światłowód przez kanał w szkle uszczelniającym i umieścić obszar kratki FBG dokładnie wewnątrz szkła.
UWAGA: Ponieważ przepływ powietrza w piecu pionowym może zdmuchnąć obszar kratki, co prowadzi do niedopasowania FBG i szkła, koniec światłowodu należy zawiesić na małym gwoździu, aby zachować dokładną pozycję FBG.
- Zespawać koniec światłowodu z łącznikiem FC za pomocą spawarek fuzyjnych. Następnie podłączyć łącznik FC do OPM-T400, który jest interrogatorem służącym do demodulacji danych o długości fali i widma FBG. OPM-T400 jest podłączony do komputera, a zainstalowane na nim oprogramowanie umożliwia pozyskanie danych eksperymentalnych.
- Poddać cały model obróbce w piecu zgodnie z wcześniej ustalonym standardowym cyklem obróbki cieplnej. Podnosić temperaturę od RT do 450 °C z prędkością 5 °C/min, a następnie obniżać temperaturę do RT w przyrostach 0,5 °C/min. Obszar kratki zostanie stopiony ze szkłem uszczelniającym w miarę nagrzewania do temperatury topnienia. Po schłodzeniu do RT szkło zestali się, a czujnik FBG zostanie trwale zespolony z materiałem uszczelniającym.
- Rejestrować w czasie rzeczywistym dane o długości fali Bragga za pomocą oprogramowania (pokazano na Rysunku 6). Jedynym czynnikiem powodującym zmiany długości fali i widma są naprężenia resztkowe powstałe w szkle uszczelniającym, ponieważ temperatura przed i po tym kroku wynosi RT.
UWAGA: Naprężenia resztkowe można obliczyć za pomocą zależności między odkształceniem a długością fali FBG14 oraz prawa Hooke'a, zgodnie z poniższymi obliczeniami.


Gdzie: ΔλB to przesunięcie długości fali Bragga wywołane naprężeniem szczątkowym, λB to początkowa długość fali FBG, Pe to współczynnik optyczno-odkształceniowy, ε to odkształcenie szczątkowe w szkle, E to moduł Younga szkła uszczelniającego, a σ to naprężenie szczątkowe w szkle.
3. Zapobieganie uszkodzeniom struktury MTGS w wysokiej temperaturze
UWAGA: Podczas pracy w wysokiej temperaturze szczelność struktury MTGS może zostać naruszona, ponieważ rozszerzalność termiczna stalowej obudowy prowadzi do zmniejszenia naprężeń resztkowych w szkle uszczelniającym. W związku z tym niniejszy protokół może zapobiec utracie szczelności dzięki monitorowaniu w czasie rzeczywistym zmian naprężeń resztkowych w szkle uszczelniającym.
- Przygotuj model MTGS zgodnie z opisem w kroku 1.4. Rodzajem FBG do jednoczesnego monitorowania temperatury i naprężeń jest macierzowy czujnik światłowodowych kratek Bragga, obejmujący dwa obszary kratki na jednym włóknie, z odległością 10 mm między tymi dwoma czujnikami.
UWAGA: Te dwie kratki zostały zdefiniowane jako FBG-1 i FBG-2. Początkowe długości fal Bragga dla FBG-1 i FBG-2 wynoszą odpowiednio 1545 nm i 1550 nm.
- Umieść FBG-1 wewnątrz spiekanego szklanego cylindra w celu monitorowania naprężeń i temperatury. Umieść FBG-2 na zewnątrz szkła w celu monitorowania wyłącznie temperatury, jak pokazano na Rysunku 7a,b. W ten sposób FBG-1 jest pod wpływem zarówno temperatury, jak i zmiany naprężeń resztkowych, natomiast FBG-2 jest pod wpływem jedynie temperatury szkła uszczelniającego.
- Umieść model MTGS ze światłowodem w piecu, zgodnie z opisem w krokach 2.2–2.3. Zastosuj standardową obróbkę cieplną w celu przetworzenia modelu MTGS z zatopionym czujnikiem FBG.
- Poddaj model działaniu temperatur 100 °C, 200 °C, 300 °C i 400 °C, utrzymując każdą z nich przez 100 min.
UWAGA: FBG-1 monitoruje jednocześnie naprężenie i temperaturę, co wyraża się przesunięciem długości fali Bragga ΔλB-1, natomiast FBG-2 monitoruje zmianę temperatury poprzez ΔλB-2, jak pokazano na Rysunku 8a,b. Zależności między przesunięciem długości fali Bragga a mierzonymi parametrami przedstawiono poniżej:


Gdzie: ξ to współczynnik termoptyczny, α to współczynnik rozszerzalności cieplnej włókna optycznego, a ΔT to zmiana temperatury przed i po eksperymencie. ΔλB-3 wywołane przez naprężenia szczątkowe można wyodrębnić poprzez odjęcie ΔλB-1 od ΔλB-2 (patrz Rycina 8c). Jest to metoda demodulacji służąca do jednoczesnego monitorowania temperatury i naprężeń szkła uszczelniającego w wysokich temperaturach.
4. Monitorowanie wysokiego ciśnienia
UWAGA: Obciążenia ciśnieniowe struktury MTGS będą miały wpływ na naprężenia resztkowe w szkle uszczelniającym, zatem model MTGS z wbudowanym czujnikiem FBG stanowi potencjalną metodę monitorowania zmian wysokiego ciśnienia.
- Przygotować taki sam model MTGS z czujnikiem FBG, jak opisano w krokach 2.2–2.3. Po całkowitym stopieniu FBG z modelem MTGS, wyjąć model z pieca za pomocą szczypiec.
- Zamontować model MTGS z czujnikiem FBG w rurociągu helu wysokiego ciśnienia za pomocą złączek rurkowych zaciskowych, zgodnie z Rysunkiem 9. Za pomocą zaworu redukcyjnego zmieniać ciśnienie w zakresie od 1 MPa do 7 MPa, aby poddać strukturę uszczelniającą zmiennym obciążeniom ciśnieniowym.
- Przesunięcie długości fali Bragga ΔλB jest rejestrowane, jak pokazano na Rysunku 10. Jednocześnie można obliczyć powiązaną zmianę naprężeń szczątkowych, korzystając z Równania 1 i Równania 2.
5. Analiza teoretyczna struktury MTGS
- Użyj oprogramowania do modelowania, aby zbudować model 3D struktury MTGS; wymiary należy przyjąć z Tabeli 1, aby zachować spójność między modelem eksperymentalnym a teoretycznym.
- Zaimportuj model 3D do oprogramowania do analizy elementów skończonych. Przypisz właściwości mechaniczne stalowej obudowie, szkłu uszczelniającemu i przewodnikowi z Kovaru, zgodnie z Tabelą 2.
- Typ siatki dla całego modelu to kształt sześcienny (patrz Rysunek 11). Metoda generowania siatki dla szkła uszczelniającego i stalowej obudowy to sweep, natomiast przewodnik z Kovaru został osiatkowany metodą strukturalną. Zagęść siatkę szkła uszczelniającego, aby zagwarantować dokładność wyników teoretycznych. Liczba elementów dla przewodnika z Kovaru, szkła uszczelniającego i stalowej obudowy wynosi odpowiednio 143700, 20350 i 13400.
- Ustaw początkowy przyrost, minimalny przyrost i maksymalny przyrost kroku analizy statycznej odpowiednio na 0.01, 1.00 x 10-8 i 1.00 x 10-2.
- Upewnij się, że interfejsy między szkłem uszczelniającym a częściami metalowymi są związane. Najpierw nałóż zmienne obciążenie temperaturowe (od 370 °C do 20 °C), aby zasymulować proces krzepnięcia modelu MTGS. Rozkład naprężeń po tym procesie przedstawiono na Rysunku 12.
- Nałóż różne temperatury (od 100 °C do 400 °C) na cały model, aby zasymulować eksperymenty monitorowania online pod wpływem obciążeń termicznych. W innym wariancie na szkło uszczelniające nakłada się zmienne obciążenia ciśnieniowe (od 1 MPa do 7 MPa), aby zasymulować monitorowanie online pod wysokim ciśnieniem. Warunki brzegowe przedstawiono na Rysunku 13.
- Numeryczne wyniki rozkładu naprężeń i odkształceń całego modelu są pobierane z pliku docelowego pokazanego na Rysunku 14. Wyodrębnij ścieżkę analizy w szkle uszczelniającym pokazaną na Rysunku 13, której położenie odpowiada ścieżce monitorowania dla czujników FBG na Rysunku 6a, aby umożliwić porównanie z wynikami pomiarów FBG.