大型原油儲罐罐壁變形應變監測試驗研究

陳 光， 丁克勤， 種玉寶， 厲 溟， 胡亞男

(1. 中國特種設備檢測研究院，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設施，隨著我國經濟的快速發展，原油儲罐向規?；⒋笮突?、高參數化等方向發展，潛在風險越來越大，一旦發生泄漏燃爆事故，后果不堪設想。原油儲罐服役過程中，由于罐壁腐蝕減薄[1]、基礎不均勻沉降[2,3]、罐內液位升降[4]等原因，儲罐罐壁可能發生過度變形而導致失效，而應力、應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]，儲罐罐體將產生失穩而導致失效。因此，開展原油儲罐罐壁的應力應變監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。隨著光纖傳感技術的迅速發展，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]，廣泛應用于飛機、橋梁和船舶等[15～18]結構監測。特別適用于易燃、易爆及電磁干擾等惡劣環境的結構監測，如油氣管道[19]和大型儲罐[20]的在線監測，但文獻[20]未給出應變監測的實驗和試驗數據支撐。

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

1 基于FBG傳感器的儲罐應變在線監測方法及系統

FBG的感測原理為：根據光纖耦合模理論，當光源發出的連續寬帶光譜通過光纖射入FBG時，光場與FBG發生耦合作用，并對該寬帶光有選擇地反射回對應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受到的軸向應變和溫度呈線性關系，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所受的應變、溫度變化量；

KεKT和——FBG的應變、溫度標定系數。

基于FBG感測原理，設計了大型原油儲罐罐壁變形應變在線監測系統，由感知層、網絡層和應用層組成，如圖1所示。感知層包括FBG應變傳感器、FBG溫度傳感器和FBG解調儀，其中FBG應變傳感器用于實時采集罐壁應變信息，FBG溫度傳感器用于對應變傳感器的溫度補償，FBG解調儀用于FBG傳感器光信號的采集與轉換。網絡層將采集到的數據利用分組數據網絡通過DTU進行遠程在線傳輸到應用層。應用層包括數據查詢、數據分析、報警及數據接口等智能化應用，基于實時監測數據，及時判斷儲罐罐壁變形狀態，對異常情況實施報警。

圖1 浮頂儲罐罐體變形在線監測系統組成

2 試驗方案及結果分析

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傳感技術和罐壁變形應變在線監測系統的實驗研究，罐壁模型規格為2 027 mm×1 000 mm×30 mm，材質Q235，圖2（a）為模型測量面，圖2（b）為模型加載面。實驗中利用電阻應變片(簡稱YBP)與FBG傳感器進行應變采集數據對比。

圖2 儲罐罐壁變形應變監測實驗模型

圖2（a）表面經過局部打磨處理后，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，FBG4和FBG5、YBP4和YBP5為縱向布設。圖3出示了FBG傳感器和YBP連通后的示意圖。考慮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，每加一級荷載穩定15 s左右進行下一次采集。本次實驗在室內完成，全過程溫度變化較小，因此不考慮測量過程的溫度修正。FBG解調儀采集頻率為100 Hz，電阻應變儀采集頻率為10 Hz。

圖3 FBG傳感器和YBP實驗室布設圖

2）數據分析

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的采集數據。

圖4 同一位置不同荷載下應變采集隨時間變化圖

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

圖5 同一位置不同荷載下應變采集誤差

由圖5可看出，FBG1和YBP1監測最大誤差為2.85 με，位于第20次。FBG2和YBP2監測最大誤差為3.75 με，位于第13次。FBG3和YBP3監測最大誤差為6.75 με，FBG4和YBP4監測最大誤差為4.04 με， FBG5和YBP5監測最大誤差為30 με，均位于第22次，在卸載階段。所監測的5個位置中，除第FBG5和YBP5在卸載階段（13次～16次、20次～22次）監測誤差較大外，其余傳感器測量誤差均在7 με以內。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，所以采集數據有所差異。本次實驗中相同時間內，利用FBG采集數據98 913個，YBP采集數據10 151個，這是由于FBG解調儀的頻率比電阻應變采集儀的頻率高，與YBP相比，FBG采集的數據更細膩，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變數據。

2.2 現場試驗

1）儲罐變形監測布設與安裝

將FBG傳感技術與設計的在線監測系統對某庫區的100 000 m3原油儲罐進行了應用。儲罐規格參數：內徑80 m，高度21.8 m，罐壁層高2.44 m，壁板材料SPV490Q，罐壁許用應力261 MPa，設計溫度65 ℃。

依據文獻[11-12，21], 在靜力作用下，儲油罐罐壁內外表面所受的軸向應力大體呈對稱分布，且主要分布在第一圈壁板。儲油罐罐壁內外表面所受的環向應力在第一道環焊縫與第三道環焊縫之間，以第二道環焊縫和第三道環焊縫之間為最大?；诖?，將儲罐罐壁保溫層局部剝除后布設FBG傳感器，布設示意如圖6所示。在浮頂儲油罐的第一圈壁板監測罐體軸向應力，在儲罐基礎與第一道環焊縫之間靠近環焊縫處選4個位置，布設FBG應變傳感器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測罐體環向應力，在第二道環焊縫與第三道環焊縫之間靠近第二道環焊縫處選4個位置，布設FBG應變傳感器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解調儀和工控機。傳感器的現場安裝如圖7所示。

圖7 FBG傳感器安裝

2）數據采集與分析

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，解調儀采集頻率為2.5 Hz，為處理數據方便，保存數據的頻率為10 s。理論上每個傳感器應采集636 840個數據，實際采集數據見表1，平均采集率為89.77%，監測實時性良好。監測期結束后，檢查8#位置發現光纜被擠壓而導致數據量較少，其余數據整體滿足工程應用需求。

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據，其中圖8（a）用于對軸向應變數據進行補償，圖8（b）用于對環向應變數據進行補償。圖9和圖10展示了經過溫度補償后的FBG傳感器布設位置的儲罐罐壁軸向應變和環向應變變化情況。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向應變變化，從中可以看出兩者應變變化趨勢一致。同樣，圖9（c）和圖10（b）呈現了同一高度方向上軸向應變和環向應變變化的一致性。圖9（a）和圖10（c）也分別展示了傳感器所在位置的軸向應變和環向應變變化。

圖8 溫度變化

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

表2 儲罐測點應變

圖9 罐壁軸向應變采集數據

圖10 罐壁環向應變采集數據圖

因此，基于FBG傳感技術的儲罐罐壁變形應變監測方法和設計的在線監測系統能夠給出未知載荷作用下的儲罐罐壁變形應變變化，有效地解決了采用有限元靜力分析的不確定問題，同時能夠實現儲罐罐壁應變的連續監測，確保儲罐的安全可靠運行。

3 結束語

論文利用FBG傳感技術開展了儲罐罐壁變形應變監測的試驗研究，設計了儲罐罐壁變形應變在線監測系統和試驗方案。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變測量誤差均在7 με以內，驗證了FBG傳感器在未知載荷下采集儲罐罐壁的軸向和環向應變變化的可行性。同時論文利用FBG傳感技術和設計的大型儲罐罐壁變形應變在線監測系統對大型原油儲罐進行了試驗應用研究，結果表明，基于FBG傳感技術和設計的在線監測系統可實時采集儲罐罐壁在各種因素作用下軸向和環向的應變狀態信息，依據胡克定律的應力應變關系和強度理論給出了儲罐罐壁變形應力狀態；同時監測數據的平均采集率為89.77%，滿足了工程實際需要，實現了儲罐罐壁變形應變的有效監測，為確保儲油罐的安全運行提供科學的數據支撐。