馬開良

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 儲罐不均勻沉降問題

儲罐不均勻沉降是造成儲罐破壞的主要原因[1]。我國儲罐大多建設(shè)在沿海地區(qū)，如寧波、上海、山東等地，此類地區(qū)地質(zhì)較為松軟[2]，加之儲罐不斷進(jìn)行裝卸作業(yè)的影響，外部機器振動的影響，自然環(huán)境(地震、海嘯、溫度差異、地下水位)的影響，發(fā)生儲罐不均勻沉降的可能性極大?；A(chǔ)不均勻沉降可引起罐體幾何變形和應(yīng)力集中，導(dǎo)致浮盤運行受阻，甚至使焊縫撕裂、原油泄漏而釀成重大事故。由于儲罐的體積龐大，微小的沉降和變形在日常巡檢和維護(hù)中難以用肉眼觀察到，只有當(dāng)失穩(wěn)變形積累到一定程度，才會被發(fā)現(xiàn)[3]。因此，儲罐的不均勻沉降問題越來越受到油氣儲運行業(yè)的關(guān)注。1974年12月8日，日本三菱公司水島煉油廠發(fā)生一次50 000 m3油罐破壞事故，油從罐壁與底板之間的角焊縫處流出約43 000 m3，污染地面148 000 m2，大約有7 500～9 600 m3油流到海面，造成1.5億美元以上的經(jīng)濟損失?；谝陨显颍邪l(fā)儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測技術(shù)，確保儲罐安全可靠運行勢在必行。

GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》、GB 50128-2005《立式圓筒型鋼制焊接儲罐施工及驗收規(guī)范》、SY/T 5921-2011《立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程》等對儲罐基礎(chǔ)沉降做了明確的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場實際，研發(fā)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測系統(tǒng)所需達(dá)到的指標(biāo)見表1。

2 不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測方案

不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測各監(jiān)測點沉降情況，出現(xiàn)異常時及時發(fā)出警報。在工程應(yīng)用中一般使用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測，靜力水準(zhǔn)傳感器是其核心部件，主要分為磁致式靜力水準(zhǔn)傳感器、振弦式靜力水準(zhǔn)傳感器、光纖光柵靜力水準(zhǔn)傳感器[4]。由于光纖光柵傳感器具有不帶電、本質(zhì)安全，不受電磁場干擾，長期穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點，儲罐的不均勻基礎(chǔ)沉降監(jiān)測通常選用此類傳感器[5]。

表1 儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降監(jiān)測指標(biāo)

2.1 監(jiān)測布局

采用光纖光柵原理對儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測，在儲罐圓周方向均勻布置靜力水準(zhǔn)傳感器。在儲罐底部或者中控室安裝下位機，通過光纖與傳感器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，采用無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到圖形化顯示報警系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到報警值時系統(tǒng)進(jìn)行報警，系統(tǒng)功能布局如圖1所示。

圖1 儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降功能布局

2.2 監(jiān)測原理

在儲罐底部基座上布設(shè)靜力水準(zhǔn)傳感裝置，并采用液體管將各個裝置聯(lián)通，通過判斷靜力水準(zhǔn)裝置中液位的變化實現(xiàn)儲罐基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測。2個靜力水準(zhǔn)儀，一個布置在參考點；另一個布置在待測點。2個靜力水準(zhǔn)儀通過液體管連接在一起，并加入適當(dāng)?shù)囊后w使得液面高度處于量程的中間位置(記作X1和X2)。當(dāng)發(fā)生基礎(chǔ)沉降時，2個靜力水準(zhǔn)儀的位置就會變化，相對各自筒體的液面高度也會發(fā)生變化(記作X3和X4)。

如圖2所示，首先要讀取2個靜力水準(zhǔn)儀的初讀數(shù)X1和X2，當(dāng)發(fā)生撓度變化時再讀取X3和X4，通過式(1)、(2)、(3)得到：

(1)

(2)

h=(X4-X2)+(X1-X3)

(3)

上式成立的條件是2個靜力水準(zhǔn)儀處于同一溫度、同一氣壓的平衡態(tài)下，與系統(tǒng)內(nèi)液體的總量無關(guān)。同理可以推導(dǎo)出當(dāng)多個靜力水準(zhǔn)串接到一起時的計算方式。

圖2 2個靜力水準(zhǔn)儀撓度測試示意

3 基礎(chǔ)沉降傳感器的研發(fā)

3.1 光纖光柵傳感原理

利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸。

圖3 光纖光柵基本結(jié)構(gòu)

光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制，就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的周期性變化。光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光纖光柵(FBG)。

為了消除溫度對不均勻基礎(chǔ)沉降影響，為減小溫度對傳感器的干擾，采用雙光柵結(jié)構(gòu)對溫度進(jìn)行補償[6]。

溫度修正后的位移值計算見式(4)：

D=Ks·[(PS-P0)-KT(T-T0)]

(4)

式中：D——感器測量出的位移變化值，mm；

Ks——傳感器位移/波長系數(shù)值，mm/nm；

P0——位移光纖光柵初始波長，nm；

PS——位移光纖光柵測量時波長，nm；

KT——常數(shù)，為波長偏移/溫度的比值，mm/℃；

T0——溫度光纖光柵初始波長，nm；

T——溫度光纖光柵測量時波長，nm。

3.2 基礎(chǔ)沉降傳感器設(shè)計研發(fā)

3.2.1基礎(chǔ)沉降傳感器組成

光纖光柵傳感器組成如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)沉降監(jiān)測傳感器

3.2.2光纖光柵波長變化量選擇

光纖光柵波長必須在解調(diào)儀解調(diào)范圍內(nèi)。在許用范圍內(nèi)，光柵中心波長變化幅度與傳感器精度成正比。傳感器以光纖光柵為敏感元件的傳感器，中心波長一般在1.5 nm以內(nèi)。為保證傳感器具有較高靈敏度、精度及可靠性，在傳感器工作量程內(nèi)，光柵中心波長變化范圍為0～1.2 nm。

3.2.3傳感器彈性膜片設(shè)計研發(fā)

為保證傳感器具有較高的精度，首先必須保證光纖光柵上有足夠的應(yīng)力變化，受光纖光柵柵區(qū)長度及材料性能和加工精度等影響，彈性膜片不能做的太小、太厚，也不能做的太大、太薄，太大會導(dǎo)致增加膜片加工難度，增加加工成本。

3.2.3.1傳感器彈性膜片受力范圍選擇

量程范圍0～100 mm，變化范圍內(nèi)若浮筒直徑在40 mm，對應(yīng)作用在膜片力變化范圍為0～1.25 N，在量程為零時，光柵所受應(yīng)力最大，根據(jù)設(shè)計浮筒重量為1.8 N，預(yù)留0.5 N左右的力保證浮筒穩(wěn)定。

3.2.3.2傳感器彈性膜片尺寸的選型

運用軟件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變模擬分析，最終確定膜片的尺寸為30 mm，厚度0.1 mm，仿真獲取安全系數(shù)在3.89，膜片最大位移為24 μm。在封裝范圍約20 mm內(nèi)，應(yīng)變?yōu)? 500 pm，整體靈敏度合適。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 膜片應(yīng)力仿真

圖6 膜片應(yīng)變仿真

4 基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測實驗測試

4.1 傳感器的標(biāo)定

在傳感器正常使用前需對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定其參數(shù)。傳感器標(biāo)定平臺包含：光纖光柵解調(diào)儀、光纖液位傳感器、電子水位傳感器(精度0.6 mm)、標(biāo)定尺(精度1 mm)、溫度計等。標(biāo)定步驟及過程如下。

a)將基礎(chǔ)沉降傳感器連接到光纖光柵解調(diào)儀。

b)傳感器內(nèi)緩慢加水，直至傳感器兩個光柵發(fā)生變化，記錄此時水位高度，并以此時水位高度作為傳感器零點進(jìn)行標(biāo)定。

c)以5 mm為單位，依次加水至100 mm水位，并對各水位對應(yīng)的兩個光纖光柵的波長進(jìn)行記錄，見表2。

d)將記錄的波長數(shù)據(jù)里面大波長與小波長做差與對應(yīng)水位進(jìn)行擬合，見圖7，獲得傳感器系數(shù)，65.387為傳感器水位系數(shù)，-1 136.4為傳感器的基準(zhǔn)系數(shù)。

表2 液位傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖7 基礎(chǔ)沉降傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合線性圖

4.2 傳感器測試

傳感器標(biāo)定完成后，將傳感器系數(shù)輸入軟件，向連通器內(nèi)加水，通過電子水位傳感器示數(shù)及標(biāo)定尺讀數(shù)對傳感器進(jìn)行測試。驗證誤差見圖8。

由測試數(shù)據(jù)分析，基礎(chǔ)沉降傳感器的全量程的最大誤差為0.7 mm，達(dá)到設(shè)計要求。

圖8 基礎(chǔ)沉降傳感器驗證誤差曲線

5 結(jié)論

儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測裝置以光纖作為傳感和傳輸載體，能夠?qū)崟r監(jiān)測儲罐不均勻基礎(chǔ)沉降，并運用理論分析、軟件模擬分析，自主設(shè)計研發(fā)了光纖光柵傳感器的核心部件，提高了儲罐安全運行水平。