陳 光， 丁克勤， 種玉寶， 厲 溟， 胡亞男

(1. 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013; 2. 大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)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(chǔ)罐是國(guó)家能源安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原油儲(chǔ)罐向規(guī)?；?、大型化、高參數(shù)化等方向發(fā)展，潛在風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，一旦發(fā)生泄漏燃爆事故，后果不堪設(shè)想。原油儲(chǔ)罐服役過(guò)程中，由于罐壁腐蝕減薄[1]、基礎(chǔ)不均勻沉降[2,3]、罐內(nèi)液位升降[4]等原因，儲(chǔ)罐罐壁可能發(fā)生過(guò)度變形而導(dǎo)致失效，而應(yīng)力、應(yīng)變過(guò)大是引起失效的最直接原因[5]。另外，當(dāng)儲(chǔ)罐外壓大于罐壁的臨界載荷時(shí)[6]，儲(chǔ)罐罐體將產(chǎn)生失穩(wěn)而導(dǎo)致失效。因此，開(kāi)展原油儲(chǔ)罐罐壁的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)保障大型原油儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行具有重要意義。常用的儲(chǔ)罐罐壁變形測(cè)量方法包括圍尺法、光學(xué)參比線法[7]、全站儀[4]等屬于檢測(cè)手段的單點(diǎn)測(cè)量。文獻(xiàn)[8,9]采用三維激光掃描方法進(jìn)行儲(chǔ)罐罐壁變形監(jiān)測(cè)，但其仍是檢測(cè)手段。文獻(xiàn)[10-13]主要采用有限元方法來(lái)研究石油儲(chǔ)罐的變形，屬于模擬分析。因此，上述方法均無(wú)法實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)罐在各種載荷作用下的罐壁變形情況。隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)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(yīng)用于飛機(jī)、橋梁和船舶等[15～18]結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。特別適用于易燃、易爆及電磁干擾等惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，如油氣管道[19]和大型儲(chǔ)罐[20]的在線監(jiān)測(cè)，但文獻(xiàn)[20]未給出應(yīng)變監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

本文采用FBG傳感技術(shù)開(kāi)展大型原油儲(chǔ)罐應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，給出了儲(chǔ)罐罐壁的傳感器布設(shè)位置在各種因素作用下的應(yīng)變變化，驗(yàn)證了FBG傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變的可行性。

1 基于FBG傳感器的儲(chǔ)罐應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)

FBG的感測(cè)原理為：根據(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光譜通過(guò)光纖射入FBG時(shí)，光場(chǎng)與FBG發(fā)生耦合作用，并對(duì)該寬帶光有選擇地反射回對(duì)應(yīng)FBG周期的一個(gè)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(guò)去。反射回的特定波長(zhǎng)的光，峰值反射波長(zhǎng)可表示為式（1）[21-24]，反射光的中心波長(zhǎng)與FBG受到的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系，如式（2），通過(guò)對(duì)FBG中心反射波長(zhǎng)的測(cè)量，即可獲得FBG所處溫度與軸向應(yīng)變的信息。

式中：λB——FBG反射光的中心波長(zhǎng)；

ΔλB——FBG反射光中心波長(zhǎng)的漂移量；

neff——光纖基模在布拉格波長(zhǎng)上的有效折射率；

Λ——FBG的周期；

ΔεΔT和——FBG所受的應(yīng)變、溫度變化量；

KεKT和——FBG的應(yīng)變、溫度標(biāo)定系數(shù)。

基于FBG感測(cè)原理，設(shè)計(jì)了大型原油儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。感知層包括FBG應(yīng)變傳感器、FBG溫度傳感器和FBG解調(diào)儀，其中FBG應(yīng)變傳感器用于實(shí)時(shí)采集罐壁應(yīng)變信息，F(xiàn)BG溫度傳感器用于對(duì)應(yīng)變傳感器的溫度補(bǔ)償，F(xiàn)BG解調(diào)儀用于FBG傳感器光信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)層將采集到的數(shù)據(jù)利用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)DTU進(jìn)行遠(yuǎn)程在線傳輸?shù)綉?yīng)用層。應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警及數(shù)據(jù)接口等智能化應(yīng)用，基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)判斷儲(chǔ)罐罐壁變形狀態(tài)，對(duì)異常情況實(shí)施報(bào)警。

圖1 浮頂儲(chǔ)罐罐體變形在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)室方案

采用圖2所示的儲(chǔ)罐罐壁模型開(kāi)展FBG傳感技術(shù)和罐壁變形應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，罐壁模型規(guī)格為2 027 mm×1 000 mm×30 mm，材質(zhì)Q235，圖2（a）為模型測(cè)量面，圖2（b）為模型加載面。實(shí)驗(yàn)中利用電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱YBP)與FBG傳感器進(jìn)行應(yīng)變采集數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2 儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖2（a）表面經(jīng)過(guò)局部打磨處理后，將FBG傳感器和YBP分別固定于儲(chǔ)罐罐壁模型表面，其中FBG1～FBG3、YBP1～YBP3為橫向布設(shè)，F(xiàn)BG4和FBG5、YBP4和YBP5為縱向布設(shè)。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(chǔ)罐罐壁模型的變形程度，實(shí)驗(yàn)中利用千斤頂對(duì)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(jí)荷載穩(wěn)定15 s左右進(jìn)行下一次采集。本次實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)完成，全過(guò)程溫度變化較小，因此不考慮測(cè)量過(guò)程的溫度修正。FBG解調(diào)儀采集頻率為100 Hz，電阻應(yīng)變儀采集頻率為10 Hz。

圖3 FBG傳感器和YBP實(shí)驗(yàn)室布設(shè)圖

2）數(shù)據(jù)分析

圖4給出了對(duì)儲(chǔ)罐罐壁模型加載和卸載共22個(gè)荷載作用下FBG傳感器和YBP的采集數(shù)據(jù)。

圖4 同一位置不同荷載下應(yīng)變采集隨時(shí)間變化圖

由圖4（a）、（b）可以看出，F(xiàn)BG傳感器和YBP在同一位置不同載荷作用下隨時(shí)間變化的應(yīng)變數(shù)據(jù)趨勢(shì)是一致的。橫向布置的FBG2和FBG3位置距離加載點(diǎn)相對(duì)于FBG1較遠(yuǎn)，采集的應(yīng)變值相對(duì)較小?？v向布置的FBG5位置距離加載點(diǎn)較近，采集的應(yīng)變值較大；FBG4位置距離加載點(diǎn)較遠(yuǎn)，采集的應(yīng)變值相對(duì)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(yīng)變采集誤差。

圖5 同一位置不同荷載下應(yīng)變采集誤差

由圖5可看出，F(xiàn)BG1和YBP1監(jiān)測(cè)最大誤差為2.85 με，位于第20次。FBG2和YBP2監(jiān)測(cè)最大誤差為3.75 με，位于第13次。FBG3和YBP3監(jiān)測(cè)最大誤差為6.75 με，F(xiàn)BG4和YBP4監(jiān)測(cè)最大誤差為4.04 με， FBG5和YBP5監(jiān)測(cè)最大誤差為30 με，均位于第22次，在卸載階段。所監(jiān)測(cè)的5個(gè)位置中，除第FBG5和YBP5在卸載階段（13次～16次、20次～22次）監(jiān)測(cè)誤差較大外，其余傳感器測(cè)量誤差均在7 με以內(nèi)。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(shù)據(jù)有所差異。本次實(shí)驗(yàn)中相同時(shí)間內(nèi)，利用FBG采集數(shù)據(jù)98 913個(gè)，YBP采集數(shù)據(jù)10 151個(gè)，這是由于FBG解調(diào)儀的頻率比電阻應(yīng)變采集儀的頻率高，與YBP相比，F(xiàn)BG采集的數(shù)據(jù)更細(xì)膩，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。因此，可以用FBG傳感器采集在未知載荷作用下的儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1）儲(chǔ)罐變形監(jiān)測(cè)布設(shè)與安裝

將FBG傳感技術(shù)與設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某庫(kù)區(qū)的100 000 m3原油儲(chǔ)罐進(jìn)行了應(yīng)用。儲(chǔ)罐規(guī)格參數(shù)：內(nèi)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(yīng)力261 MPa，設(shè)計(jì)溫度65 ℃。

依據(jù)文獻(xiàn)[11-12，21], 在靜力作用下，儲(chǔ)油罐罐壁內(nèi)外表面所受的軸向應(yīng)力大體呈對(duì)稱分布，且主要分布在第一圈壁板。儲(chǔ)油罐罐壁內(nèi)外表面所受的環(huán)向應(yīng)力在第一道環(huán)焊縫與第三道環(huán)焊縫之間，以第二道環(huán)焊縫和第三道環(huán)焊縫之間為最大。基于此，將儲(chǔ)罐罐壁保溫層局部剝除后布設(shè)FBG傳感器，布設(shè)示意如圖6所示。在浮頂儲(chǔ)油罐的第一圈壁板監(jiān)測(cè)罐體軸向應(yīng)力，在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)與第一道環(huán)焊縫之間靠近環(huán)焊縫處選4個(gè)位置，布設(shè)FBG應(yīng)變傳感器3個(gè)，位置編號(hào)為1#、2#和3#；FBG溫度傳感器1個(gè)，位置編號(hào)為5#。在浮頂儲(chǔ)油罐的第三圈壁板監(jiān)測(cè)罐體環(huán)向應(yīng)力，在第二道環(huán)焊縫與第三道環(huán)焊縫之間靠近第二道環(huán)焊縫處選4個(gè)位置，布設(shè)FBG應(yīng)變傳感器3個(gè),位置編號(hào)為7#、8#和9#；FBG溫度傳感器1個(gè)，位置編號(hào)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(diào)儀和工控機(jī)。傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖7所示。

圖7 FBG傳感器安裝

2）數(shù)據(jù)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(jì)采集75天約1 769 h，解調(diào)儀采集頻率為2.5 Hz，為處理數(shù)據(jù)方便，保存數(shù)據(jù)的頻率為10 s。理論上每個(gè)傳感器應(yīng)采集636 840個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)際采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，平均采集率為89.77%，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性良好。監(jiān)測(cè)期結(jié)束后，檢查8#位置發(fā)現(xiàn)光纜被擠壓而導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較少，其余數(shù)據(jù)整體滿足工程應(yīng)用需求。

表1 儲(chǔ)罐測(cè)點(diǎn)采集率

圖8展示了利用FBG傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，其中圖8（a）用于對(duì)軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，圖8（b）用于對(duì)環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。圖9和圖10展示了經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的FBG傳感器布設(shè)位置的儲(chǔ)罐罐壁軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變變化情況。圖9（b）和圖10（a）分別給出了儲(chǔ)罐罐壁同一高度方向上的軸向和環(huán)向應(yīng)變變化，從中可以看出兩者應(yīng)變變化趨勢(shì)一致。同樣，圖9（c）和圖10（b）呈現(xiàn)了同一高度方向上軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)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(yīng)變和環(huán)向應(yīng)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(yīng)變和最小應(yīng)變，可看出最大應(yīng)變?cè)?#位置為323.99 με。依據(jù)胡克定律給出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度理論，可計(jì)算得出應(yīng)力為68.04 MPa，小于罐壁材質(zhì)的許用應(yīng)力261 MPa。

表2 儲(chǔ)罐測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

圖9 罐壁軸向應(yīng)變采集數(shù)據(jù)

圖10 罐壁環(huán)向應(yīng)變采集數(shù)據(jù)圖

因此，基于FBG傳感技術(shù)的儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法和設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠給出未知載荷作用下的儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變變化，有效地解決了采用有限元靜力分析的不確定問(wèn)題，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)罐罐壁應(yīng)變的連續(xù)監(jiān)測(cè)，確保儲(chǔ)罐的安全可靠運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

論文利用FBG傳感技術(shù)開(kāi)展了儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和試驗(yàn)方案。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)罐罐壁模型的加載實(shí)驗(yàn)，給出了FBG傳感器和YBP同一位置在不同載荷作用下隨時(shí)間的應(yīng)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(cè)量誤差較大外，其余位置和其余時(shí)刻兩者應(yīng)變測(cè)量誤差均在7 με以內(nèi)，驗(yàn)證了FBG傳感器在未知載荷下采集儲(chǔ)罐罐壁的軸向和環(huán)向應(yīng)變變化的可行性。同時(shí)論文利用FBG傳感技術(shù)和設(shè)計(jì)的大型儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大型原油儲(chǔ)罐進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用研究，結(jié)果表明，基于FBG傳感技術(shù)和設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)罐罐壁在各種因素作用下軸向和環(huán)向的應(yīng)變狀態(tài)信息，依據(jù)胡克定律的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度理論給出了儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)力狀態(tài)；同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均采集率為89.77%，滿足了工程實(shí)際需要，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐罐壁變形應(yīng)變的有效監(jiān)測(cè)，為確保儲(chǔ)油罐的安全運(yùn)行提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。