淺談應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

鄧彬,張趙君,尹曉明,宋廣然,孫超

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

隨著國(guó)內(nèi)大型LNG儲(chǔ)罐數(shù)量不斷增加,LNG行業(yè)實(shí)現(xiàn)全生命周期管理的條件也日漸成熟。各項(xiàng)目建設(shè)單位對(duì)于LNG儲(chǔ)罐的安全性、耐久性以及長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性,以及服役期后的延壽和評(píng)估都提出了新的要求。但對(duì)于實(shí)現(xiàn)上述評(píng)估數(shù)據(jù)支持、方法手段和具體案例都仍是空白。例如,對(duì)LNG儲(chǔ)罐各種工況條件下罐體受力狀態(tài)的量化監(jiān)測(cè)、預(yù)應(yīng)力鋼絞線的長(zhǎng)期應(yīng)力損失以及穹頂結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程以及服役期的結(jié)構(gòu)完整性等都缺乏足夠的案例積累和有效的測(cè)量手段。

因此,對(duì)大型LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的研究對(duì)于我國(guó)LNG行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文主要介紹對(duì)LNG儲(chǔ)罐穹頂結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中應(yīng)力水平進(jìn)行監(jiān)測(cè),以準(zhǔn)確獲得LNG儲(chǔ)罐穹頂在建造、氣壓升頂、混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)力水平和變化規(guī)律,為穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理的施工方案制定提供更科學(xué)的依據(jù),并結(jié)合LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析基于光纖光柵技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐穹頂結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1.1 LNG儲(chǔ)罐穹頂結(jié)構(gòu)介紹

以某全容式LNG儲(chǔ)罐為例,LNG儲(chǔ)罐穹頂直徑為90.2 m,拱高為11.8 m;由鋼縱梁、鋼環(huán)梁拼接形成穹頂鋼骨架結(jié)構(gòu),并在鋼骨架表面焊接鋼襯板,后澆筑C50混凝土,形成鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)。上部混凝土中心處厚度為0.5 m,支座邊緣厚度逐漸變厚,最厚處約2 m,穹頂混凝土結(jié)構(gòu)配置上、下雙層雙向鋼筋。

1.2 應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)原理及方法

根據(jù)應(yīng)力檢測(cè)的目的和儲(chǔ)罐穹頂?shù)氖芰π问?應(yīng)力檢測(cè)的主要內(nèi)容為穹頂鋼結(jié)構(gòu)和穹頂混凝土中的鋼筋這兩部分。根據(jù)以上的應(yīng)力檢測(cè)原理,本文介紹基于電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)和不間斷采樣測(cè)量方法,對(duì)LNG儲(chǔ)罐穹頂鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼和混凝土鋼筋的應(yīng)變值進(jìn)行檢測(cè),從而掌握LNG儲(chǔ)罐穹頂構(gòu)件的應(yīng)力值。

1.3 應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)內(nèi)容及技術(shù)方案

1.3.1 前期準(zhǔn)備工作

為了保證穹頂施工過(guò)程中應(yīng)力檢測(cè)的順利進(jìn)行,在檢測(cè)正式實(shí)施前需要進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作:

(1)金屬電阻應(yīng)變片,導(dǎo)線,及測(cè)量設(shè)備。

(2)熟悉儲(chǔ)罐的相關(guān)工程圖紙,包括穹頂鋼結(jié)構(gòu)圖、鋼筋混凝土施工圖等。

(3)熟悉現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度安排,以便合理安排各個(gè)檢測(cè)階段工作。

(4)現(xiàn)場(chǎng)必須提供220 V照明電,并保證從開(kāi)始布置傳感器到測(cè)試結(jié)束供電無(wú)中斷。

(5)準(zhǔn)備多于40塊穹頂鋼結(jié)構(gòu)相同的鋼補(bǔ)償塊,尺寸如圖1所示,要求與穹頂鋼結(jié)構(gòu)同材料和批次。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備20根鋼筋補(bǔ)償桿塊,長(zhǎng)度10 cm,可以從鋼筋混凝土的鋼筋上取。

圖1 補(bǔ)償塊尺寸

(6)準(zhǔn)備3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)存放測(cè)試儀器和導(dǎo)線的設(shè)備柜,尺寸如右圖2所示。

圖2 設(shè)備柜尺寸

1.3.2 穹頂鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)

LNG儲(chǔ)罐穹頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)由縱梁和環(huán)梁組成,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量重點(diǎn)在拱腳和中心環(huán)位置。此處的約束和受力情況復(fù)雜,有限元計(jì)算無(wú)法精確的模擬,因此在設(shè)計(jì)上往往采用較為保守的設(shè)計(jì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)用鋼量較大。因此,將應(yīng)變片貼覆于測(cè)點(diǎn),通過(guò)記錄應(yīng)變片電阻變化,間接測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

在穹頂鋼結(jié)構(gòu)選取兩條典型應(yīng)力測(cè)量路徑,按照拱頂頂升、就位、分圈澆注等幾個(gè)工況連續(xù)測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力,最終應(yīng)得測(cè)點(diǎn)在各工況下應(yīng)力變化值及應(yīng)力峰值。結(jié)合穹頂鋼結(jié)構(gòu)對(duì)稱特性,應(yīng)力檢測(cè)布置方案具體如下:

(1)測(cè)點(diǎn)可由對(duì)稱取1/4區(qū),并加入其他區(qū)域的校核點(diǎn)。共計(jì)環(huán)向測(cè)點(diǎn)20個(gè),徑向測(cè)點(diǎn)17個(gè),合計(jì)37個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖3)。

圖3 LNG儲(chǔ)罐穹頂鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

(2)穹頂鋼結(jié)構(gòu)的所有測(cè)點(diǎn)在穹頂結(jié)構(gòu)頂升安裝前布置好,并連接調(diào)試好儀器,歸入儀器箱,儀器箱需固定且不影響后續(xù)布鋼筋作業(yè)空間。

(3)為了滿足長(zhǎng)期測(cè)試要求,采用單測(cè)點(diǎn)獨(dú)立補(bǔ)償?shù)娜珮驕y(cè)量技術(shù)。

(4)由于工況較多,施工時(shí)間較長(zhǎng),采用不間斷自動(dòng)采樣測(cè)量技術(shù)(初定每5～10 min測(cè)試一次),且自動(dòng)存儲(chǔ),因此測(cè)試區(qū)必須保證220 V的供電。

(5)根據(jù)記錄的施工進(jìn)度處理測(cè)試數(shù)據(jù),以得到應(yīng)力變化情況和峰值發(fā)生的情況。

(6)在正式頂升前儀器需調(diào)零,升頂過(guò)程中測(cè)試鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

(7)記錄鋼穹頂焊接固定前后的應(yīng)力變化。

(8)測(cè)試澆注前保壓階段鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力狀況。

(9)記錄混凝土分段澆筑過(guò)程中鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值及變化規(guī)律。

(10)在混凝土完全凝固后,測(cè)試鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

1.3.3 穹頂鋼筋應(yīng)力檢測(cè)

LNG儲(chǔ)罐穹頂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是分圈澆筑,與穹頂鋼結(jié)構(gòu)形成組合穹頂。在穹頂上選擇測(cè)環(huán)向和縱向主筋作為測(cè)試結(jié)構(gòu),并布設(shè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),在穹頂鋼筋混凝土澆筑施工過(guò)程中,根據(jù)罐頂施工工序圖,對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)部的鋼筋進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。

(1)由于穹頂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱特征,因此測(cè)點(diǎn)可由對(duì)稱取1/4區(qū),并加入其他區(qū)域的校核點(diǎn)。由于穹頂鋼筋混凝土的主筋是沿環(huán)向和徑向配置的,因此測(cè)試也選環(huán)向主筋和徑向主筋設(shè)計(jì)。共計(jì)環(huán)向測(cè)點(diǎn)10個(gè),徑向測(cè)點(diǎn)10個(gè),合計(jì)20個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖4)。

(2)為了減小測(cè)點(diǎn)布置對(duì)鋼筋承力的影響,測(cè)點(diǎn)盡量分散布置。然后通過(guò)對(duì)稱性得到其發(fā)布規(guī)律。

(3)穹頂鋼筋混凝土鋼筋的所有測(cè)點(diǎn)在鋼筋綁好且澆注混凝土前完成。連接導(dǎo)線后進(jìn)行相應(yīng)的防潮處理,注意導(dǎo)線應(yīng)固定,以免扯斷應(yīng)變片的引出線。并連接調(diào)試好儀器,歸入儀器箱,儀器箱需固定且不影響后續(xù)混凝土澆注作業(yè)空間。

(4)為了滿足長(zhǎng)期測(cè)試要求,采用單測(cè)點(diǎn)獨(dú)立補(bǔ)償?shù)娜珮驕y(cè)量技術(shù)。另外,為了減少導(dǎo)線的影響,采用高阻值應(yīng)變傳感器。

(5)由于混凝土是分階段澆注的,因此應(yīng)變測(cè)點(diǎn)也必須分階段和工期配合布置。

(6)由于工況較多,施工時(shí)間較長(zhǎng),采用不間斷自動(dòng)采樣測(cè)量技術(shù)(初定每5～10 min測(cè)試一次),且自動(dòng)存儲(chǔ)。因此測(cè)試區(qū)必須保證220 V的供電。

(7)根據(jù)記錄的施工進(jìn)度處理測(cè)試數(shù)據(jù),以得到應(yīng)力變化情況和峰值發(fā)生的情況。

(8)測(cè)試澆注前鋼筋混凝土鋼筋各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀況。

(9)記錄混凝土分段澆筑過(guò)程中鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值及變化規(guī)律。

(10)在混凝土完全凝固后,測(cè)試鋼穹頂各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值。

通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐穹頂鋼結(jié)構(gòu)、混凝土鋼筋進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量,掌握LNG儲(chǔ)罐穹頂施工過(guò)程中的應(yīng)力水平及變化規(guī)律。通過(guò)與有限元計(jì)算理論數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,提出連續(xù)升壓、連續(xù)澆筑穹頂結(jié)構(gòu)的施工方法,避免了由于保壓導(dǎo)致的怠工現(xiàn)象,大幅縮短LNG儲(chǔ)罐穹頂施工周期,助力工程成本的降低。

2 基于光纖光柵技術(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐應(yīng)用分析

2.1 光纖光柵監(jiān)測(cè)技術(shù)介紹

前面介紹了基于電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐穹頂結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的應(yīng)用,此方法在測(cè)試過(guò)程中易受環(huán)境電磁場(chǎng)的干擾,無(wú)法滿足LNG儲(chǔ)罐在服役期間復(fù)雜工況下高精度、高穩(wěn)定性的要求。因此,一種具有高精度、穩(wěn)定應(yīng)強(qiáng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG儲(chǔ)罐全壽命周期的健康檢測(cè)、壽命評(píng)估等十分重要。

光纖光柵傳感器由于不受電磁場(chǎng)干擾和超低溫穩(wěn)定性強(qiáng)等因素,兼具絕對(duì)測(cè)量和易于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用的準(zhǔn)分布傳感等特點(diǎn),適合于LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。

早在20世紀(jì)末,光纖光柵就已經(jīng)用于橋梁的健康監(jiān)測(cè),并且得到了很好的驗(yàn)證,2017年Hu等開(kāi)發(fā)了適用于懸索頻率檢測(cè)的高靈敏度和良好重復(fù)性的光纖光柵傳感器,根據(jù)弦振動(dòng)理論,將振動(dòng)頻率轉(zhuǎn)換為索力,實(shí)現(xiàn)了不破壞梁結(jié)構(gòu)下對(duì)索力的間接測(cè)量,這種監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)在懸索類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)上得到驗(yàn)證,并成功檢測(cè)出索力異常。光纖光柵傳感器可以在各種類(lèi)型結(jié)構(gòu)的橋梁上得到應(yīng)用,通過(guò)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、裂紋、振動(dòng)、位移以及撓度等相關(guān)參數(shù)的測(cè)量來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài),但要滿足實(shí)際工程應(yīng)用,仍然存在一定差距,例如傳感器耐久性問(wèn)題,滿足長(zhǎng)期、大規(guī)模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高性能解調(diào)設(shè)備,以及統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程都有待解決。光柵光纖傳感器基于光纖材料的光敏性,通過(guò)特定的內(nèi)部寫(xiě)入法、光柵光纖的單脈沖寫(xiě)入法、 相位掩膜法等成柵方法在光纖纖芯內(nèi)形成一種光柵,使得光纖纖芯的折射率發(fā)生周期性變化。其工作原理為,寬帶光源發(fā)出一束光,該光束通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光柵光纖傳感系統(tǒng),一部分光波透過(guò)光柵送入傳感器,另一部分光波則被反射回光纖耦合器,再進(jìn)入光譜分析儀,當(dāng)有外力作用、光柵光纖產(chǎn)生形變或受到溫度變化等外界環(huán)境的影響時(shí),反射光的波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化,此時(shí)光柵將不同波長(zhǎng)的窄帶光反射給耦合器,再由頻譜分析儀接收,實(shí)現(xiàn)對(duì)反射信號(hào)的監(jiān)測(cè)與傳輸。

從光纖光柵應(yīng)變傳感技術(shù)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用效果來(lái)看,光纖光柵傳感器在具有諸如抗電磁干擾、低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、耐腐蝕、防水、防火等固有的優(yōu)點(diǎn)外,對(duì)溫度和應(yīng)力等重要測(cè)量參量具有極高的測(cè)量精度 (最小 0.5 ℃測(cè)量精度,應(yīng)力 10 MPa)和線性度(90%以上),因而在LNG儲(chǔ)罐中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用市場(chǎng)。

2.2 光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在LNG儲(chǔ)罐中應(yīng)用介紹

2.2.1 光纖光柵技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐預(yù)應(yīng)力損失應(yīng)用分析

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的監(jiān)測(cè)特別是有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力損失監(jiān)測(cè),人們采用了多種手段,但效果均不理想,如何有效監(jiān)測(cè)有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力損失仍是工程界十分關(guān)注的技術(shù)難題。

增強(qiáng)纖維光纖布里淵和光纖光柵傳感筋的出現(xiàn)為解決這一難題提供必要手段。增強(qiáng)纖維光纖布里淵和光纖光柵傳感筋充分結(jié)合光纖布里淵的全尺度分布式測(cè)試和光纖光柵的準(zhǔn)分布式、高精度、采樣頻率高等優(yōu)點(diǎn),并采用FRP材料對(duì)傳感元件進(jìn)行封裝,使得智能復(fù)合筋兼具受力與傳感特性、集結(jié)構(gòu)材料和功能材料于一體,適應(yīng)大型土木工程結(jié)構(gòu)的體積大、分布面積廣、使用期限長(zhǎng)、服役環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。

考慮預(yù)應(yīng)力鋼絞線的工作環(huán)境,設(shè)計(jì)一種新型的光纖布里淵與光纖光柵智能鋼絞線結(jié)構(gòu),對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失進(jìn)行監(jiān)測(cè)。智能復(fù)合筋與預(yù)應(yīng)力筋是協(xié)同變形的,智能復(fù)合筋所測(cè)應(yīng)變即為整根智能鋼絞線的應(yīng)變。光纖布里淵傳感器的作用就是進(jìn)一步考察預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失的空間分布變化情況。

2.2.2 光纖光柵技術(shù)在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐采用9%Ni鋼材料,運(yùn)行溫度-160 ℃,且內(nèi)罐底、內(nèi)外罐之間環(huán)形空間均采用絕熱保溫材料。對(duì)傳感器的耐低溫、走線方式提出了較高要求。

應(yīng)變靈敏度系數(shù)是光纖光柵傳感器非常重要的參數(shù),受到傳感器不同封裝形式、安裝工藝及使用環(huán)境的影響可能會(huì)發(fā)生變化。為此,在工程使用前必須模擬超低溫的實(shí)際環(huán)境對(duì)光纖光柵傳感器在-160 ℃下的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。其次,超低溫下光纖光柵傳感器的封裝形式以及其與待測(cè)結(jié)構(gòu)表面的連接形式將影響其應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,在工程應(yīng)用前需開(kāi)展超低溫環(huán)境下、不同保護(hù)措施下光纖光柵傳感器的穩(wěn)定性的驗(yàn)證模擬試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證在超低溫環(huán)境下測(cè)試光纖光柵傳感單元的安裝方式、封裝保護(hù)措施、線路規(guī)劃等,驗(yàn)證光纖光柵傳感器組件在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐的超低溫運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的工作性能,重點(diǎn)考察封裝材料、膠粘材料等組成部分在低溫環(huán)境下的存活性,確保光纖光柵傳感單元與光纖在超低溫作用下不因?yàn)槔淇s等效應(yīng)產(chǎn)生脫落、破壞、蠕變。

3 結(jié)語(yǔ)

LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存儲(chǔ)體量巨大、服役環(huán)境極端,并且在注入LNG時(shí)容易發(fā)生分層、翻滾等異常工況,甚至引起燃燒、爆炸災(zāi)難,LNG安全儲(chǔ)存成為天然氣工業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重要課題。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)提供了有效的監(jiān)測(cè)手段。因此,一套適用于LNG儲(chǔ)罐全結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)十分重要。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅僅實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè),而且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)、損傷定位、結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè),并通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成,開(kāi)發(fā)一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)、報(bào)警等功能,以可視化方式展示LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化、儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變情況。通過(guò)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐在投產(chǎn)服役期間的結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量,掌握結(jié)構(gòu)狀態(tài),評(píng)估LNG儲(chǔ)罐承載力安全冗余,為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐延壽評(píng)估、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究提供有力數(shù)據(jù)支持。