大型原油储罐罐壁变形应变监测试验研究

陈 光， 丁克勤， 种玉宝， 厉 溟， 胡亚男

(1. 中国特种设备检测研究院，北京 100013; 2. 大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 116001;3. 大连港油品码头公司，辽宁 大连 116000)

大型原油储罐是国家能源安全的重要基础设施，随着我国经济的快速发展，原油储罐向规模化、大型化、高参数化等方向发展，潜在风险越来越大，一旦发生泄漏燃爆事故，后果不堪设想。原油储罐服役过程中，由于罐壁腐蚀减薄[1]、基础不均匀沉降[2,3]、罐内液位升降[4]等原因，储罐罐壁可能发生过度变形而导致失效，而应力、应变过大是引起失效的最直接原因[5]。另外，当储罐外压大于罐壁的临界载荷时[6]，储罐罐体将产生失稳而导致失效。因此，开展原油储罐罐壁的应力应变监测对保障大型原油储罐的安全运行具有重要意义。常用的储罐罐壁变形测量方法包括围尺法、光学参比线法[7]、全站仪[4]等属于检测手段的单点测量。文献[8,9]采用三维激光扫描方法进行储罐罐壁变形监测，但其仍是检测手段。文献[10-13]主要采用有限元方法来研究石油储罐的变形，属于模拟分析。因此，上述方法均无法实时获取储罐在各种载荷作用下的罐壁变形情况。随着光纤传感技术的迅速发展，光纤光栅传感器（fiber Bragg grating, FBG）传感器本身不带电、体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀[14]，广泛应用于飞机、桥梁和船舶等[15～18]结构监测。特别适用于易燃、易爆及电磁干扰等恶劣环境的结构监测，如油气管道[19]和大型储罐[20]的在线监测，但文献[20]未给出应变监测的实验和试验数据支撑。

本文采用FBG传感技术开展大型原油储罐应变在线监测试验研究，给出了储罐罐壁的传感器布设位置在各种因素作用下的应变变化，验证了FBG传感技术监测储罐罐壁变形应变的可行性。

FBG的感测原理为：根据光纤耦合模理论，当光源发出的连续宽带光谱通过光纤射入FBG时，光场与FBG发生耦合作用，并对该宽带光有选择地反射回对应FBG周期的一个窄带光谱，反射光沿原传输光纤返回；
其余宽带光则直接透射过去。反射回的特定波长的光，峰值反射波长可表示为式（1）[21-24]，反射光的中心波长与FBG受到的轴向应变和温度呈线性关系，如式（2），通过对FBG中心反射波长的测量，即可获得FBG所处温度与轴向应变的信息。

式中：λB——FBG反射光的中心波长；

ΔλB——FBG反射光中心波长的漂移量；

neff——光纤基模在布拉格波长上的有效折射率；

Λ——FBG的周期；

ΔεΔT和——FBG所受的应变、温度变化量；

KεKT和——FBG的应变、温度标定系数。

基于FBG感测原理，设计了大型原油储罐罐壁变形应变在线监测系统，由感知层、网络层和应用层组成，如图1所示。感知层包括FBG应变传感器、FBG温度传感器和FBG解调仪，其中FBG应变传感器用于实时采集罐壁应变信息，FBG温度传感器用于对应变传感器的温度补偿，FBG解调仪用于FBG传感器光信号的采集与转换。网络层将采集到的数据利用分组数据网络通过DTU进行远程在线传输到应用层。应用层包括数据查询、数据分析、报警及数据接口等智能化应用，基于实时监测数据，及时判断储罐罐壁变形状态，对异常情况实施报警。

图1 浮顶储罐罐体变形在线监测系统组成

2.1 实验室实验

1）实验室方案

采用图2所示的储罐罐壁模型开展FBG传感技术和罐壁变形应变在线监测系统的实验研究，罐壁模型规格为2 027 mm×1 000 mm×30 mm，材质Q235，图2（a）为模型测量面，图2（b）为模型加载面。实验中利用电阻应变片(简称YBP)与FBG传感器进行应变采集数据对比。

图2 储罐罐壁变形应变监测实验模型

图2（a）表面经过局部打磨处理后，将FBG传感器和YBP分别固定于储罐罐壁模型表面，其中FBG1～FBG3、YBP1～YBP3为横向布设，FBG4和FBG5、YBP4和YBP5为纵向布设。图3出示了FBG传感器和YBP连通后的示意图。考虑到加载后储罐罐壁模型的变形程度，实验中利用千斤顶对图1（b）的底部垂直于罐壁模型表面分步加集中荷载，每加一级荷载稳定15 s左右进行下一次采集。本次实验在室内完成，全过程温度变化较小，因此不考虑测量过程的温度修正。FBG解调仪采集频率为100 Hz，电阻应变仪采集频率为10 Hz。

图3 FBG传感器和YBP实验室布设图

2）数据分析

图4给出了对储罐罐壁模型加载和卸载共22个荷载作用下FBG传感器和YBP的采集数据。

图4 同一位置不同荷载下应变采集随时间变化图

由图4（a）、（b）可以看出，FBG传感器和YBP在同一位置不同载荷作用下随时间变化的应变数据趋势是一致的。横向布置的FBG2和FBG3位置距离加载点相对于FBG1较远，采集的应变值相对较小。纵向布置的FBG5位置距离加载点较近，采集的应变值较大；
FBG4位置距离加载点较远，采集的应变值相对较小。图5给出了FBG传感器和YBP在同一位置不同载荷作用下的应变采集误差。

图5 同一位置不同荷载下应变采集误差

由图5可看出，FBG1和YBP1监测最大误差为2.85 με，位于第20次。FBG2和YBP2监测最大误差为3.75 με，位于第13次。FBG3和YBP3监测最大误差为6.75 με，FBG4和YBP4监测最大误差为4.04 με， FBG5和YBP5监测最大误差为30 με，均位于第22次，在卸载阶段。所监测的5个位置中，除第FBG5和YBP5在卸载阶段（13次～16次、20次～22次）监测误差较大外，其余传感器测量误差均在7 με以内。分析两者误差原因，一方面在于FBG传感器和YBP所处位置近似一致，并未完全重合。另一方面在于底部加载，加载力并非均匀，所以采集数据有所差异。本次实验中相同时间内，利用FBG采集数据98 913个，YBP采集数据10 151个，这是由于FBG解调仪的频率比电阻应变采集仪的频率高，与YBP相比，FBG采集的数据更细腻，实时性更强。因此，可以用FBG传感器采集在未知载荷作用下的储罐罐壁变形应变数据。

2.2 现场试验

1）储罐变形监测布设与安装

将FBG传感技术与设计的在线监测系统对某库区的100 000 m3原油储罐进行了应用。储罐规格参数：内径80 m，高度21.8 m，罐壁层高2.44 m，壁板材料SPV490Q，罐壁许用应力261 MPa，设计温度65 ℃。

依据文献[11-12，21], 在静力作用下，储油罐罐壁内外表面所受的轴向应力大体呈对称分布，且主要分布在第一圈壁板。储油罐罐壁内外表面所受的环向应力在第一道环焊缝与第三道环焊缝之间，以第二道环焊缝和第三道环焊缝之间为最大。基于此，将储罐罐壁保温层局部剥除后布设FBG传感器，布设示意如图6所示。在浮顶储油罐的第一圈壁板监测罐体轴向应力，在储罐基础与第一道环焊缝之间靠近环焊缝处选4个位置，布设FBG应变传感器3个，位置编号为1#、2#和3#；
FBG温度传感器1个，位置编号为5#。在浮顶储油罐的第三圈壁板监测罐体环向应力，在第二道环焊缝与第三道环焊缝之间靠近第二道环焊缝处选4个位置，布设FBG应变传感器3个,位置编号为7#、8#和9#；
FBG温度传感器1个，位置编号为10#。所有FBG传感器汇总于光缆终端盒，光缆在旋梯处引出，随后连接FBG解调仪和工控机。传感器的现场安装如图7所示。

图7 FBG传感器安装

2）数据采集与分析

FBG传感器安装后，从7月26日15:45-10月8日8:39，共计采集75天约1 769 h，解调仪采集频率为2.5 Hz，为处理数据方便，保存数据的频率为10 s。理论上每个传感器应采集636 840个数据，实际采集数据见表1，平均采集率为89.77%，监测实时性良好。监测期结束后，检查8#位置发现光缆被挤压而导致数据量较少，其余数据整体满足工程应用需求。

表1 储罐测点采集率

图8展示了利用FBG传感器采集的温度数据，其中图8（a）用于对轴向应变数据进行补偿，图8（b）用于对环向应变数据进行补偿。图9和图10展示了经过温度补偿后的FBG传感器布设位置的储罐罐壁轴向应变和环向应变变化情况。图9（b）和图10（a）分别给出了储罐罐壁同一高度方向上的轴向和环向应变变化，从中可以看出两者应变变化趋势一致。同样，图9（c）和图10（b）呈现了同一高度方向上轴向应变和环向应变变化的一致性。图9（a）和图10（c）也分别展示了传感器所在位置的轴向应变和环向应变变化。

图8 温度变化

表2给出了图9和图10中采集的最大应变和最小应变，可看出最大应变在8#位置为323.99 με。依据胡克定律给出的应力应变关系和强度理论，可计算得出应力为68.04 MPa，小于罐壁材质的许用应力261 MPa。

表2 储罐测点应变

图9 罐壁轴向应变采集数据

图10 罐壁环向应变采集数据图

因此，基于FBG传感技术的储罐罐壁变形应变监测方法和设计的在线监测系统能够给出未知载荷作用下的储罐罐壁变形应变变化，有效地解决了采用有限元静力分析的不确定问题，同时能够实现储罐罐壁应变的连续监测，确保储罐的安全可靠运行。

论文利用FBG传感技术开展了储罐罐壁变形应变监测的试验研究，设计了储罐罐壁变形应变在线监测系统和试验方案。通过在实验室储罐罐壁模型的加载实验，给出了FBG传感器和YBP同一位置在不同载荷作用下随时间的应变变化，除FBG5和YBP5同一位置在卸载阶段（13次～16次、20次～22次）测量误差较大外，其余位置和其余时刻两者应变测量误差均在7 με以内，验证了FBG传感器在未知载荷下采集储罐罐壁的轴向和环向应变变化的可行性。同时论文利用FBG传感技术和设计的大型储罐罐壁变形应变在线监测系统对大型原油储罐进行了试验应用研究，结果表明，基于FBG传感技术和设计的在线监测系统可实时采集储罐罐壁在各种因素作用下轴向和环向的应变状态信息，依据胡克定律的应力应变关系和强度理论给出了储罐罐壁变形应力状态；
同时监测数据的平均采集率为89.77%，满足了工程实际需要，实现了储罐罐壁变形应变的有效监测，为确保储油罐的安全运行提供科学的数据支撑。