大型原油儲罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測試驗研究

陳 光， 丁克勤， 種玉寶， 厲 溟， 胡亞男

(1. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013; 2. 大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116001;3. 大連港油品碼頭公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

大型原油儲罐是國家能源安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，原油儲罐向規(guī)模化、大型化、高參數(shù)化等方向發(fā)展，潛在風(fēng)險越來越大，一旦發(fā)生泄漏燃爆事故，后果不堪設(shè)想。原油儲罐服役過程中，由于罐壁腐蝕減薄[1]、基礎(chǔ)不均勻沉降[2,3]、罐內(nèi)液位升降[4]等原因，儲罐罐壁可能發(fā)生過度變形而導(dǎo)致失效，而應(yīng)力、應(yīng)變過大是引起失效的最直接原因[5]。另外，當儲罐外壓大于罐壁的臨界載荷時[6]，儲罐罐體將產(chǎn)生失穩(wěn)而導(dǎo)致失效。因此，開展原油儲罐罐壁的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測對保障大型原油儲罐的安全運行具有重要意義。常用的儲罐罐壁變形測量方法包括圍尺法、光學(xué)參比線法[7]、全站儀[4]等屬于檢測手段的單點測量。文獻[8,9]采用三維激光掃描方法進行儲罐罐壁變形監(jiān)測，但其仍是檢測手段。文獻[10-13]主要采用有限元方法來研究石油儲罐的變形，屬于模擬分析。因此，上述方法均無法實時獲取儲罐在各種載荷作用下的罐壁變形情況。隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖光柵傳感器（fiber Bragg grating, FBG）傳感器本身不帶電、體積小、抗電磁干擾、耐腐蝕[14]，廣泛應(yīng)用于飛機、橋梁和船舶等[15～18]結(jié)構(gòu)監(jiān)測。特別適用于易燃、易爆及電磁干擾等惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，如油氣管道[19]和大型儲罐[20]的在線監(jiān)測，但文獻[20]未給出應(yīng)變監(jiān)測的實驗和試驗數(shù)據(jù)支撐。

本文采用FBG傳感技術(shù)開展大型原油儲罐應(yīng)變在線監(jiān)測試驗研究，給出了儲罐罐壁的傳感器布設(shè)位置在各種因素作用下的應(yīng)變變化，驗證了FBG傳感技術(shù)監(jiān)測儲罐罐壁變形應(yīng)變的可行性。

1 基于FBG傳感器的儲罐應(yīng)變在線監(jiān)測方法及系統(tǒng)

FBG的感測原理為：根據(jù)光纖耦合模理論，當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光譜通過光纖射入FBG時，光場與FBG發(fā)生耦合作用，并對該寬帶光有選擇地反射回對應(yīng)FBG周期的一個窄帶光譜，反射光沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。反射回的特定波長的光，峰值反射波長可表示為式（1）[21-24]，反射光的中心波長與FBG受到的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系，如式（2），通過對FBG中心反射波長的測量，即可獲得FBG所處溫度與軸向應(yīng)變的信息。

式中：λB——FBG反射光的中心波長；

ΔλB——FBG反射光中心波長的漂移量；

neff——光纖基模在布拉格波長上的有效折射率；

Λ——FBG的周期；

ΔεΔT和——FBG所受的應(yīng)變、溫度變化量；

KεKT和——FBG的應(yīng)變、溫度標定系數(shù)。

基于FBG感測原理，設(shè)計了大型原油儲罐罐壁變形應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。感知層包括FBG應(yīng)變傳感器、FBG溫度傳感器和FBG解調(diào)儀，其中FBG應(yīng)變傳感器用于實時采集罐壁應(yīng)變信息，F(xiàn)BG溫度傳感器用于對應(yīng)變傳感器的溫度補償，F(xiàn)BG解調(diào)儀用于FBG傳感器光信號的采集與轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)層將采集到的數(shù)據(jù)利用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過DTU進行遠程在線傳輸?shù)綉?yīng)用層。應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報警及數(shù)據(jù)接口等智能化應(yīng)用，基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時判斷儲罐罐壁變形狀態(tài)，對異常情況實施報警。

圖1 浮頂儲罐罐體變形在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 實驗室實驗

1）實驗室方案

采用圖2所示的儲罐罐壁模型開展FBG傳感技術(shù)和罐壁變形應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)的實驗研究，罐壁模型規(guī)格為2 027 mm×1 000 mm×30 mm，材質(zhì)Q235，圖2（a）為模型測量面，圖2（b）為模型加載面。實驗中利用電阻應(yīng)變片(簡稱YBP)與FBG傳感器進行應(yīng)變采集數(shù)據(jù)對比。

圖2 儲罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測實驗?zāi)Ｐ?/p>

圖2（a）表面經(jīng)過局部打磨處理后，將FBG傳感器和YBP分別固定于儲罐罐壁模型表面，其中FBG1～FBG3、YBP1～YBP3為橫向布設(shè)，F(xiàn)BG4和FBG5、YBP4和YBP5為縱向布設(shè)。圖3出示了FBG傳感器和YBP連通后的示意圖?？紤]到加載后儲罐罐壁模型的變形程度，實驗中利用千斤頂對圖1（b）的底部垂直于罐壁模型表面分步加集中荷載，每加一級荷載穩(wěn)定15 s左右進行下一次采集。本次實驗在室內(nèi)完成，全過程溫度變化較小，因此不考慮測量過程的溫度修正。FBG解調(diào)儀采集頻率為100 Hz，電阻應(yīng)變儀采集頻率為10 Hz。

圖3 FBG傳感器和YBP實驗室布設(shè)圖

2）數(shù)據(jù)分析

圖4給出了對儲罐罐壁模型加載和卸載共22個荷載作用下FBG傳感器和YBP的采集數(shù)據(jù)。

圖4 同一位置不同荷載下應(yīng)變采集隨時間變化圖

由圖4（a）、（b）可以看出，F(xiàn)BG傳感器和YBP在同一位置不同載荷作用下隨時間變化的應(yīng)變數(shù)據(jù)趨勢是一致的。橫向布置的FBG2和FBG3位置距離加載點相對于FBG1較遠，采集的應(yīng)變值相對較小。縱向布置的FBG5位置距離加載點較近，采集的應(yīng)變值較大；FBG4位置距離加載點較遠，采集的應(yīng)變值相對較小。圖5給出了FBG傳感器和YBP在同一位置不同載荷作用下的應(yīng)變采集誤差。

圖5 同一位置不同荷載下應(yīng)變采集誤差

由圖5可看出，F(xiàn)BG1和YBP1監(jiān)測最大誤差為2.85 με，位于第20次。FBG2和YBP2監(jiān)測最大誤差為3.75 με，位于第13次。FBG3和YBP3監(jiān)測最大誤差為6.75 με，F(xiàn)BG4和YBP4監(jiān)測最大誤差為4.04 με， FBG5和YBP5監(jiān)測最大誤差為30 με，均位于第22次，在卸載階段。所監(jiān)測的5個位置中，除第FBG5和YBP5在卸載階段（13次～16次、20次～22次）監(jiān)測誤差較大外，其余傳感器測量誤差均在7 με以內(nèi)。分析兩者誤差原因，一方面在于FBG傳感器和YBP所處位置近似一致，并未完全重合。另一方面在于底部加載，加載力并非均勻，所以采集數(shù)據(jù)有所差異。本次實驗中相同時間內(nèi)，利用FBG采集數(shù)據(jù)98 913個，YBP采集數(shù)據(jù)10 151個，這是由于FBG解調(diào)儀的頻率比電阻應(yīng)變采集儀的頻率高，與YBP相比，F(xiàn)BG采集的數(shù)據(jù)更細膩，實時性更強。因此，可以用FBG傳感器采集在未知載荷作用下的儲罐罐壁變形應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場試驗

1）儲罐變形監(jiān)測布設(shè)與安裝

將FBG傳感技術(shù)與設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)對某庫區(qū)的100 000 m3原油儲罐進行了應(yīng)用。儲罐規(guī)格參數(shù)：內(nèi)徑80 m，高度21.8 m，罐壁層高2.44 m，壁板材料SPV490Q，罐壁許用應(yīng)力261 MPa，設(shè)計溫度65 ℃。

依據(jù)文獻[11-12，21], 在靜力作用下，儲油罐罐壁內(nèi)外表面所受的軸向應(yīng)力大體呈對稱分布，且主要分布在第一圈壁板。儲油罐罐壁內(nèi)外表面所受的環(huán)向應(yīng)力在第一道環(huán)焊縫與第三道環(huán)焊縫之間，以第二道環(huán)焊縫和第三道環(huán)焊縫之間為最大?；诖?，將儲罐罐壁保溫層局部剝除后布設(shè)FBG傳感器，布設(shè)示意如圖6所示。在浮頂儲油罐的第一圈壁板監(jiān)測罐體軸向應(yīng)力，在儲罐基礎(chǔ)與第一道環(huán)焊縫之間靠近環(huán)焊縫處選4個位置，布設(shè)FBG應(yīng)變傳感器3個，位置編號為1#、2#和3#；FBG溫度傳感器1個，位置編號為5#。在浮頂儲油罐的第三圈壁板監(jiān)測罐體環(huán)向應(yīng)力，在第二道環(huán)焊縫與第三道環(huán)焊縫之間靠近第二道環(huán)焊縫處選4個位置，布設(shè)FBG應(yīng)變傳感器3個,位置編號為7#、8#和9#；FBG溫度傳感器1個，位置編號為10#。所有FBG傳感器匯總于光纜終端盒，光纜在旋梯處引出，隨后連接FBG解調(diào)儀和工控機。傳感器的現(xiàn)場安裝如圖7所示。

圖7 FBG傳感器安裝

2）數(shù)據(jù)采集與分析

FBG傳感器安裝后，從7月26日15:45-10月8日8:39，共計采集75天約1 769 h，解調(diào)儀采集頻率為2.5 Hz，為處理數(shù)據(jù)方便，保存數(shù)據(jù)的頻率為10 s。理論上每個傳感器應(yīng)采集636 840個數(shù)據(jù)，實際采集數(shù)據(jù)見表1，平均采集率為89.77%，監(jiān)測實時性良好。監(jiān)測期結(jié)束后，檢查8#位置發(fā)現(xiàn)光纜被擠壓而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較少，其余數(shù)據(jù)整體滿足工程應(yīng)用需求。

表1 儲罐測點采集率

圖8展示了利用FBG傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，其中圖8（a）用于對軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)進行補償，圖8（b）用于對環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)進行補償。圖9和圖10展示了經(jīng)過溫度補償后的FBG傳感器布設(shè)位置的儲罐罐壁軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變變化情況。圖9（b）和圖10（a）分別給出了儲罐罐壁同一高度方向上的軸向和環(huán)向應(yīng)變變化，從中可以看出兩者應(yīng)變變化趨勢一致。同樣，圖9（c）和圖10（b）呈現(xiàn)了同一高度方向上軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變變化的一致性。圖9（a）和圖10（c）也分別展示了傳感器所在位置的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變變化。

圖8 溫度變化

表2給出了圖9和圖10中采集的最大應(yīng)變和最小應(yīng)變，可看出最大應(yīng)變在8#位置為323.99 με。依據(jù)胡克定律給出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強度理論，可計算得出應(yīng)力為68.04 MPa，小于罐壁材質(zhì)的許用應(yīng)力261 MPa。

表2 儲罐測點應(yīng)變

圖9 罐壁軸向應(yīng)變采集數(shù)據(jù)

圖10 罐壁環(huán)向應(yīng)變采集數(shù)據(jù)圖

因此，基于FBG傳感技術(shù)的儲罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測方法和設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠給出未知載荷作用下的儲罐罐壁變形應(yīng)變變化，有效地解決了采用有限元靜力分析的不確定問題，同時能夠?qū)崿F(xiàn)儲罐罐壁應(yīng)變的連續(xù)監(jiān)測，確保儲罐的安全可靠運行。

3 結(jié)束語

論文利用FBG傳感技術(shù)開展了儲罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測的試驗研究，設(shè)計了儲罐罐壁變形應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)和試驗方案。通過在實驗室儲罐罐壁模型的加載實驗，給出了FBG傳感器和YBP同一位置在不同載荷作用下隨時間的應(yīng)變變化，除FBG5和YBP5同一位置在卸載階段（13次～16次、20次～22次）測量誤差較大外，其余位置和其余時刻兩者應(yīng)變測量誤差均在7 με以內(nèi)，驗證了FBG傳感器在未知載荷下采集儲罐罐壁的軸向和環(huán)向應(yīng)變變化的可行性。同時論文利用FBG傳感技術(shù)和設(shè)計的大型儲罐罐壁變形應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)對大型原油儲罐進行了試驗應(yīng)用研究，結(jié)果表明，基于FBG傳感技術(shù)和設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)可實時采集儲罐罐壁在各種因素作用下軸向和環(huán)向的應(yīng)變狀態(tài)信息，依據(jù)胡克定律的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強度理論給出了儲罐罐壁變形應(yīng)力狀態(tài)；同時監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均采集率為89.77%，滿足了工程實際需要，實現(xiàn)了儲罐罐壁變形應(yīng)變的有效監(jiān)測，為確保儲油罐的安全運行提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。