馬開良

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

1 儲(chǔ)罐不均勻沉降問(wèn)題

儲(chǔ)罐不均勻沉降是造成儲(chǔ)罐破壞的主要原因[1]。我國(guó)儲(chǔ)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(chǔ)罐不斷進(jìn)行裝卸作業(yè)的影響，外部機(jī)器振動(dòng)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(chǔ)罐不均勻沉降的可能性極大。基礎(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(yùn)行受阻，甚至使焊縫撕裂、原油泄漏而釀成重大事故。由于儲(chǔ)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(huì)被發(fā)現(xiàn)[3]。因此，儲(chǔ)罐的不均勻沉降問(wèn)題越來(lái)越受到油氣儲(chǔ)運(yùn)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(jì)損失?；谝陨显?，研發(fā)儲(chǔ)罐不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，確保儲(chǔ)罐安全可靠運(yùn)行勢(shì)在必行。

GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50128-2005《立式圓筒型鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)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(duì)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降做了明確的規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，研發(fā)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需達(dá)到的指標(biāo)見(jiàn)表1。

2 不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測(cè)方案

不均勻基礎(chǔ)沉降在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降情況，出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在工程應(yīng)用中一般使用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)罐不均勻基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(chǎng)干擾，長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，儲(chǔ)罐的不均勻基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)通常選用此類傳感器[5]。

表1 儲(chǔ)罐不均勻基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2.1 監(jiān)測(cè)布局

采用光纖光柵原理對(duì)儲(chǔ)罐不均勻基礎(chǔ)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在儲(chǔ)罐圓周方向均勻布置靜力水準(zhǔn)傳感器。在儲(chǔ)罐底部或者中控室安裝下位機(jī)，通過(guò)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(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到圖形化顯示報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)功能布局如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐不均勻基礎(chǔ)沉降功能布局

2.2 監(jiān)測(cè)原理

在儲(chǔ)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(gè)裝置聯(lián)通，通過(guò)判斷靜力水準(zhǔn)裝置中液位的變化實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測(cè)。2個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，一個(gè)布置在參考點(diǎn)；另一個(gè)布置在待測(cè)點(diǎn)。2個(gè)靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)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(shí)，2個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的位置就會(huì)變化，相對(duì)各自筒體的液面高度也會(huì)發(fā)生變化(記作X3和X4)。

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

(1)

(2)

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

(3)

上式成立的條件是2個(gè)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(wú)關(guān)。同理可以推導(dǎo)出當(dāng)多個(gè)靜力水準(zhǔn)串接到一起時(shí)的計(jì)算方式。

圖2 2個(gè)靜力水準(zhǔn)儀撓度測(cè)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(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)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(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)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(lái)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(guò)對(duì)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(duì)不均勻基礎(chǔ)沉降影響，為減小溫度對(duì)傳感器的干擾，采用雙光柵結(jié)構(gòu)對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償[6]。

溫度修正后的位移值計(jì)算見(jiàn)式(4)：

D=Ks·[(PS-P0)-KT(T-T0)]

(4)

式中：D——感器測(cè)量出的位移變化值，mm；

Ks——傳感器位移/波長(zhǎng)系數(shù)值，mm/nm；

P0——位移光纖光柵初始波長(zhǎng)，nm；

PS——位移光纖光柵測(cè)量時(shí)波長(zhǎng)，nm；

KT——常數(shù)，為波長(zhǎng)偏移/溫度的比值，mm/℃；

T0——溫度光纖光柵初始波長(zhǎng)，nm；

T——溫度光纖光柵測(cè)量時(shí)波長(zhǎng)，nm。

3.2 基礎(chǔ)沉降傳感器設(shè)計(jì)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(cè)傳感器

3.2.2光纖光柵波長(zhǎng)變化量選擇

光纖光柵波長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)變化范圍為0～1.2 nm。

3.2.3傳感器彈性膜片設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(huì)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(duì)應(yīng)作用在膜片力變化范圍為0～1.25 N，在量程為零時(shí)，光柵所受應(yīng)力最大，根據(jù)設(shè)計(jì)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(yùn)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(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 傳感器的標(biāo)定

在傳感器正常使用前需對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定其參數(shù)。傳感器標(biāo)定平臺(tái)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(jì)等。標(biāo)定步驟及過(guò)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(gè)光柵發(fā)生變化，記錄此時(shí)水位高度，并以此時(shí)水位高度作為傳感器零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。

c)以5 mm為單位，依次加水至100 mm水位，并對(duì)各水位對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)進(jìn)行記錄，見(jiàn)表2。

d)將記錄的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)里面大波長(zhǎng)與小波長(zhǎng)做差與對(duì)應(yīng)水位進(jìn)行擬合，見(jiàn)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(cè)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(guò)電子水位傳感器示數(shù)及標(biāo)定尺讀數(shù)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試。驗(yàn)證誤差見(jiàn)圖8。

由測(cè)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(jì)要求。

圖8 基礎(chǔ)沉降傳感器驗(yàn)證誤差曲線

5 結(jié)論

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