马开良

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

1 储罐不均匀沉降问题

储罐不均匀沉降是造成储罐破坏的主要原因[1]。我国储罐大多建设在沿海地区，如宁波、上海、山东等地，此类地区地质较为松软[2]，加之储罐不断进行装卸作业的影响，外部机器振动的影响，自然环境(地震、海啸、温度差异、地下水位)的影响，发生储罐不均匀沉降的可能性极大。基础不均匀沉降可引起罐体几何变形和应力集中，导致浮盘运行受阻，甚至使焊缝撕裂、原油泄漏而酿成重大事故。由于储罐的体积庞大，微小的沉降和变形在日常巡检和维护中难以用肉眼观察到，只有当失稳变形积累到一定程度，才会被发现[3]。因此，储罐的不均匀沉降问题越来越受到油气储运行业的关注。1974年12月8日，日本三菱公司水岛炼油厂发生一次50 000 m3油罐破坏事故，油从罐壁与底板之间的角焊缝处流出约43 000 m3，污染地面148 000 m2，大约有7 500～9 600 m3油流到海面，造成1.5亿美元以上的经济损失。基于以上原因，研发储罐不均匀基础沉降在线监测技术，确保储罐安全可靠运行势在必行。

GB 50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、GB 50128-2005《立式圆筒型钢制焊接储罐施工及验收规范》、SY/T 5921-2011《立式圆筒形钢制焊接油罐操作维护修理规程》等对储罐基础沉降做了明确的规定，结合现场实际，研发基础沉降监测系统所需达到的指标见表1。

2 不均匀基础沉降在线监测方案

不均匀基础沉降在线监测技术能够实时监测各监测点沉降情况，出现异常时及时发出警报。在工程应用中一般使用静力水准系统对储罐不均匀基础沉降进行监测，静力水准传感器是其核心部件，主要分为磁致式静力水准传感器、振弦式静力水准传感器、光纤光栅静力水准传感器[4]。由于光纤光栅传感器具有不带电、本质安全，不受电磁场干扰，长期稳定、可靠性高等优点，储罐的不均匀基础沉降监测通常选用此类传感器[5]。

表1 储罐不均匀基础沉降监测指标

2.1 监测布局

采用光纤光栅原理对储罐不均匀基础沉降进行监测，在储罐圆周方向均匀布置静力水准传感器。在储罐底部或者中控室安装下位机，通过光纤与传感器连接，进行数据采集与数据处理，采用无线通信模块将数据传送到图形化显示报警系统，当数据达到报警值时系统进行报警，系统功能布局如图1所示。

图1 储罐不均匀基础沉降功能布局

2.2 监测原理

在储罐底部基座上布设静力水准传感装置，并采用液体管将各个装置联通，通过判断静力水准装置中液位的变化实现储罐基础沉降的监测。2个静力水准仪，一个布置在参考点；另一个布置在待测点。2个静力水准仪通过液体管连接在一起，并加入适当的液体使得液面高度处于量程的中间位置(记作X1和X2)。当发生基础沉降时，2个静力水准仪的位置就会变化，相对各自筒体的液面高度也会发生变化(记作X3和X4)。

如图2所示，首先要读取2个静力水准仪的初读数X1和X2，当发生挠度变化时再读取X3和X4，通过式(1)、(2)、(3)得到：

(1)

(2)

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

(3)

上式成立的条件是2个静力水准仪处于同一温度、同一气压的平衡态下，与系统内液体的总量无关。同理可以推导出当多个静力水准串接到一起时的计算方式。

图2 2个静力水准仪挠度测试示意

3 基础沉降传感器的研发

3.1 光纤光栅传感原理

利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。

图3 光纤光栅基本结构

光纤光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的周期性变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光纤光栅(FBG)。

为了消除温度对不均匀基础沉降影响，为减小温度对传感器的干扰，采用双光栅结构对温度进行补偿[6]。

温度修正后的位移值计算见式(4)：

D=Ks·[(PS-P0)-KT(T-T0)]

(4)

式中：D——感器测量出的位移变化值，mm；

Ks——传感器位移/波长系数值，mm/nm；

P0——位移光纤光栅初始波长，nm；

PS——位移光纤光栅测量时波长，nm；

KT——常数，为波长偏移/温度的比值，mm/℃；

T0——温度光纤光栅初始波长，nm；

T——温度光纤光栅测量时波长，nm。

3.2 基础沉降传感器设计研发

3.2.1基础沉降传感器组成

光纤光栅传感器组成如图4所示。

图4 基础沉降监测传感器

3.2.2光纤光栅波长变化量选择

光纤光栅波长必须在解调仪解调范围内。在许用范围内，光栅中心波长变化幅度与传感器精度成正比。传感器以光纤光栅为敏感元件的传感器，中心波长一般在1.5 nm以内。为保证传感器具有较高灵敏度、精度及可靠性，在传感器工作量程内，光栅中心波长变化范围为0～1.2 nm。

3.2.3传感器弹性膜片设计研发

为保证传感器具有较高的精度，首先必须保证光纤光栅上有足够的应力变化，受光纤光栅栅区长度及材料性能和加工精度等影响，弹性膜片不能做的太小、太厚，也不能做的太大、太薄，太大会导致增加膜片加工难度，增加加工成本。

3.2.3.1传感器弹性膜片受力范围选择

量程范围0～100 mm，变化范围内若浮筒直径在40 mm，对应作用在膜片力变化范围为0～1.25 N，在量程为零时，光栅所受应力最大，根据设计浮筒重量为1.8 N，预留0.5 N左右的力保证浮筒稳定。

3.2.3.2传感器弹性膜片尺寸的选型

运用软件进行应力应变模拟分析，最终确定膜片的尺寸为30 mm，厚度0.1 mm，仿真获取安全系数在3.89，膜片最大位移为24 μm。在封装范围约20 mm内，应变为1 500 pm，整体灵敏度合适。仿真结果如图5、图6所示。

图5 膜片应力仿真

图6 膜片应变仿真

4 基础沉降在线监测实验测试

4.1 传感器的标定

在传感器正常使用前需对传感器进行标定，确定其参数。传感器标定平台包含：光纤光栅解调仪、光纤液位传感器、电子水位传感器(精度0.6 mm)、标定尺(精度1 mm)、温度计等。标定步骤及过程如下。

a)将基础沉降传感器连接到光纤光栅解调仪。

b)传感器内缓慢加水，直至传感器两个光栅发生变化，记录此时水位高度，并以此时水位高度作为传感器零点进行标定。

c)以5 mm为单位，依次加水至100 mm水位，并对各水位对应的两个光纤光栅的波长进行记录，见表2。

d)将记录的波长数据里面大波长与小波长做差与对应水位进行拟合，见图7，获得传感器系数，65.387为传感器水位系数，-1 136.4为传感器的基准系数。

表2 液位传感器标定数据

图7 基础沉降传感器标定数据拟合线性图

4.2 传感器测试

传感器标定完成后，将传感器系数输入软件，向连通器内加水，通过电子水位传感器示数及标定尺读数对传感器进行测试。验证误差见图8。

由测试数据分析，基础沉降传感器的全量程的最大误差为0.7 mm，达到设计要求。

图8 基础沉降传感器验证误差曲线

5 结论

储罐不均匀基础沉降在线监测装置以光纤作为传感和传输载体，能够实时监测储罐不均匀基础沉降，并运用理论分析、软件模拟分析，自主设计研发了光纤光栅传感器的核心部件，提高了储罐安全运行水平。