丁雷

(中國(guó)天辰工程有限公司，天津 300400)

隨著石油化工生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，跨度大、高度高的工藝裝置越來(lái)越多，而裝置所在的建筑物風(fēng)險(xiǎn)又總與颶風(fēng)、雨雪、地震、滑坡、沉陷等自然因素，和振動(dòng)、事故、材料使用等技術(shù)因素息息相關(guān)，因此對(duì)于建筑物及其周邊的環(huán)境實(shí)施定期、自動(dòng)的監(jiān)測(cè)就變得越來(lái)越重要。建筑健康監(jiān)控系統(tǒng)一方面能夠通過(guò)及時(shí)捕捉建筑物的特征信息，積累大量有效數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、排除隱患，避免可能發(fā)生的重大事故；另一方面該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?yàn)樯a(chǎn)人員了解建筑物的性能及健康狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，用以指導(dǎo)建筑物的施工及后期日常維護(hù)，有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本。本文以在“一帶一路”沿線某國(guó)實(shí)施的丙烷脫氫綜合體裝置為例，對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)在石油化工裝置中的應(yīng)用進(jìn)行闡述和分析。

1 系統(tǒng)框架構(gòu)成

建筑健康監(jiān)控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及包含數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、超限自動(dòng)報(bào)警等功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，其中應(yīng)用較為廣泛的包括傾角、加速度和風(fēng)速等類型傳感器，采集儀將現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)傳感器信號(hào)采集后通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳至該監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的有效監(jiān)控。建筑健康監(jiān)控系統(tǒng)的框架如圖1所示。

a) 有線數(shù)據(jù)傳輸

2 系統(tǒng)傳感器檢測(cè)原理

2.1 傾角傳感器

傾角傳感器用于監(jiān)測(cè)建筑施工和生產(chǎn)運(yùn)行中由于環(huán)境因素導(dǎo)致荷載變化而產(chǎn)生的建筑物變形偏差。當(dāng)建筑物產(chǎn)生傾斜變形時(shí)，形變通過(guò)安裝支架傳遞給該傳感器，該傳感器內(nèi)裝有電解液和導(dǎo)電觸點(diǎn)，當(dāng)傳感器發(fā)生傾斜變化時(shí)，電解液的液面始終處于水平，但液面相對(duì)觸點(diǎn)的部位發(fā)生了改變，也同時(shí)引起了輸出電量的改變。該傳感器隨建筑物的傾斜變形量與輸出的電量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此可測(cè)出建筑物的傾斜角度，同時(shí)該傳感器的測(cè)量值可顯示出以零點(diǎn)為基準(zhǔn)值的傾斜角變化的正負(fù)方向。

2.2 加速度傳感器

加速度傳感器用于監(jiān)測(cè)裝置設(shè)備的固有頻率和振動(dòng)、風(fēng)和雪荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響以及分析地震效應(yīng)等環(huán)境因素。該傳感器采用電容式工作原理，當(dāng)彈性膜片在外力作用下發(fā)生位移，電容量將發(fā)生變化，該電容值被轉(zhuǎn)化成比例電壓輸出，通過(guò)測(cè)量電壓變化實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的監(jiān)測(cè)。

該傳感器除了測(cè)量加速度以外還可以兼做傾角傳感器使用，用以監(jiān)測(cè)建筑物的靜態(tài)傾角，在該情況下，傾角由加速度(傳感器自身加速度和重力矢量的疊加)在坐標(biāo)軸上投影大小決定。測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 加速度傳感器測(cè)量建筑物靜態(tài)傾角原理示意

圖3中傾角α的計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中:ax——x軸加速度值；ay——y軸加速度值；az——z軸加速度值。

2.3 風(fēng)速傳感器

該監(jiān)控系統(tǒng)的風(fēng)速傳感器一般采用超聲波時(shí)差法原理。聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)與風(fēng)向上的氣流速度疊加。當(dāng)超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，傳播速度會(huì)加快；反之，當(dāng)超聲波的傳播方向與風(fēng)向相反，傳播速度會(huì)變慢。因此，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對(duì)應(yīng)，通過(guò)該監(jiān)控系統(tǒng)軟件計(jì)算可得到精確的風(fēng)向和風(fēng)速值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則在于通過(guò)可靠的傳感器搜集建筑物結(jié)構(gòu)受力與變形等數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)健康運(yùn)算與監(jiān)測(cè)，最后將重要信息發(fā)送到管理網(wǎng)頁(yè)與應(yīng)用程序，讓生產(chǎn)人員能夠隨時(shí)了解建筑物及周邊環(huán)境狀態(tài)。在該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，依循以下幾項(xiàng)原則。

3.1 兼顧建筑物結(jié)構(gòu)安全與綜合性指標(biāo)

裝置對(duì)于環(huán)境因素所造成的建筑物結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，兼顧測(cè)量準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，選擇監(jiān)測(cè)主要建筑物和關(guān)鍵指標(biāo)。在丙烷脫氫反應(yīng)單元、冷卻冷凍單元、壓縮單元的結(jié)構(gòu)立柱和建筑面積超過(guò)3.7×104m2倉(cāng)庫(kù)的結(jié)構(gòu)立柱以及倉(cāng)庫(kù)屋頂金屬桁架上設(shè)計(jì)安裝傾角傳感器，主要監(jiān)測(cè)各單元框架結(jié)構(gòu)由于可變荷載及地基沉降可能造成的建筑物傾斜變形；在丙烷脫氫反應(yīng)單元和壓縮單元設(shè)備上方屋頂設(shè)計(jì)安裝加速度傳感器，主要監(jiān)測(cè)由于丙烷脫氫反應(yīng)單元建筑物荷載變化和壓縮單元壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響；在丙烷脫氫反應(yīng)單元建筑物頂部開(kāi)放區(qū)域，設(shè)計(jì)安裝風(fēng)速傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速。

3.2 選擇性能可靠的監(jiān)測(cè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

裝置按照建筑物結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)實(shí)際位置設(shè)計(jì)安裝了性能可靠的雙軸傾角、三軸加速度和超聲波風(fēng)速傳感器。傾角傳感器按軸向可分為單軸傾角傳感器和雙軸傾角傳感器，在安裝方式上傾角傳感器可以選擇水平安裝和垂直安裝，單軸傾角傳感器只能測(cè)量某一方向的角度，雙軸傾角傳感器則可以測(cè)量互相垂直的2個(gè)方向的角度。雙軸傾角傳感器可以完成單軸傾角傳感器的測(cè)量功能要求，并且同時(shí)能夠測(cè)量物體的滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，多次測(cè)量同一物體的不同方向角度再求均值測(cè)量出較準(zhǔn)的角度，大幅提升了測(cè)量精準(zhǔn)度。

考慮建筑物所在地氣候與低溫環(huán)境因素，設(shè)計(jì)選擇耐低溫型傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，避免環(huán)境影響導(dǎo)致傳感器失效。由于部分傾角傳感器根據(jù)監(jiān)測(cè)要求需要安裝在爆炸性氣體環(huán)境，因此該部分傳感器與對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀設(shè)計(jì)選擇了能夠滿足防爆等級(jí)要求的隔爆型產(chǎn)品。傾角傳感器和加速度傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往具有較大的非線性誤差和溫度漂移誤差，為了提高測(cè)量精度，傾角傳感器和加速度傳感器設(shè)計(jì)選擇上都配置了半導(dǎo)體溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器同時(shí)還能夠輸出溫度信號(hào)，監(jiān)測(cè)傳感器安裝地點(diǎn)的環(huán)境溫度。

該監(jiān)控系統(tǒng)采用的傳感器數(shù)量較多，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)干擾因素也多，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性都提出了較高的要求。為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，該系統(tǒng)采用采集頻率高、速度快且數(shù)據(jù)穩(wěn)定的有線傳輸?shù)倪B接方式，即傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)采集儀、集線器后由生產(chǎn)單元通過(guò)單模光纖連接至控制室內(nèi)的串口服務(wù)器和交換機(jī)，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至服務(wù)器。多通道數(shù)據(jù)采集儀將多臺(tái)傳感器設(shè)備信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，主要特點(diǎn)是采用光隔離信號(hào)通道，電路設(shè)計(jì)提供較高的穩(wěn)定性和抗噪性并可應(yīng)用于廣泛的溫度和濕度范圍，有效抑制信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)具有彈性擴(kuò)展功能

該監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)涵蓋建筑物變形監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，其中傾角傳感器在監(jiān)測(cè)建筑物傾斜角度變化外，還能夠通過(guò)系統(tǒng)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器安裝位置間的水平偏移量以毫米為單位進(jìn)行測(cè)量，加速度傳感器在監(jiān)測(cè)建筑物振動(dòng)變化外，也能夠通過(guò)系統(tǒng)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器安裝位置的建筑物傾斜角度測(cè)量。

該監(jiān)控系統(tǒng)具有開(kāi)放的框架結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，可與第三方廠商軟硬件設(shè)備兼容，支持各種監(jiān)測(cè)傳感器、GPS、火警報(bào)警系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)綜合的生產(chǎn)管理解決方案。該監(jiān)控系統(tǒng)軟件可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估建筑物健康狀態(tài)，將相同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在后臺(tái)分析評(píng)估后，當(dāng)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)，除在系統(tǒng)平臺(tái)報(bào)警外，還能夠通過(guò)郵件、短信等方式及時(shí)將報(bào)警信息推送到到生產(chǎn)人員的手上，有利于問(wèn)題及時(shí)處理并提供了工程處理措施的參考依據(jù)。生產(chǎn)人員也可以通過(guò)系統(tǒng)軟件隨時(shí)查詢各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否處于合理范圍中，隨時(shí)掌握建筑物的健康狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，將傳統(tǒng)土木工程建筑物結(jié)構(gòu)同信息化、數(shù)據(jù)化緊密結(jié)合，建筑健康監(jiān)控系統(tǒng)將采集到的大量建筑物結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、分析、報(bào)警、預(yù)測(cè)，用真實(shí)數(shù)據(jù)體現(xiàn)建筑物的健康狀態(tài)，相信在石油化工生產(chǎn)裝置上將有更為廣闊的應(yīng)用前景。