邓彬,张赵君,尹晓明,宋广然,孙超

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

随着国内大型LNG储罐数量不断增加,LNG行业实现全生命周期管理的条件也日渐成熟。各项目建设单位对于LNG储罐的安全性、耐久性以及长期运行的可靠性,以及服役期后的延寿和评估都提出了新的要求。但对于实现上述评估数据支持、方法手段和具体案例都仍是空白。例如,对LNG储罐各种工况条件下罐体受力状态的量化监测、预应力钢绞线的长期应力损失以及穹顶结构在施工过程以及服役期的结构完整性等都缺乏足够的案例积累和有效的测量手段。

因此,对大型LNG储罐结构进行健康监测的研究对于我国LNG行业的发展具有十分重要的意义。本文主要介绍对LNG储罐穹顶结构在施工过程中应力水平进行监测,以准确获得LNG储罐穹顶在建造、气压升顶、混凝土浇筑过程中应力水平和变化规律,为穹顶结构进行优化设计、合理的施工方案制定提供更科学的依据,并结合LNG储罐结构特点,分析基于光纤光栅技术的监测系统在LNG储罐结构中的应用。

1 应力应变监测系统在LNG储罐穹顶结构中的应用

1.1 LNG储罐穹顶结构介绍

以某全容式LNG储罐为例,LNG储罐穹顶直径为90.2 m,拱高为11.8 m;由钢纵梁、钢环梁拼接形成穹顶钢骨架结构,并在钢骨架表面焊接钢衬板,后浇筑C50混凝土,形成钢与混凝土组合结构。上部混凝土中心处厚度为0.5 m,支座边缘厚度逐渐变厚,最厚处约2 m,穹顶混凝土结构配置上、下双层双向钢筋。

1.2 应力应变检测原理及方法

根据应力检测的目的和储罐穹顶的受力形式,应力检测的主要内容为穹顶钢结构和穹顶混凝土中的钢筋这两部分。根据以上的应力检测原理,本文介绍基于电阻应变测试技术和不间断采样测量方法,对LNG储罐穹顶钢结构网壳和混凝土钢筋的应变值进行检测,从而掌握LNG储罐穹顶构件的应力值。

1.3 应力应变检测内容及技术方案

1.3.1 前期准备工作

为了保证穹顶施工过程中应力检测的顺利进行,在检测正式实施前需要进行以下准备工作:

(1)金属电阻应变片,导线,及测量设备。

(2)熟悉储罐的相关工程图纸,包括穹顶钢结构图、钢筋混凝土施工图等。

(3)熟悉现场施工进度安排,以便合理安排各个检测阶段工作。

(4)现场必须提供220 V照明电,并保证从开始布置传感器到测试结束供电无中断。

(5)准备多于40块穹顶钢结构相同的钢补偿块,尺寸如图1所示,要求与穹顶钢结构同材料和批次。同时应准备20根钢筋补偿杆块,长度10 cm,可以从钢筋混凝土的钢筋上取。

图1 补偿块尺寸

(6)准备3个现场存放测试仪器和导线的设备柜,尺寸如右图2所示。

图2 设备柜尺寸

1.3.2 穹顶钢结构应力检测

LNG储罐穹顶的钢结构由纵梁和环梁组成,钢结构应力测量重点在拱脚和中心环位置。此处的约束和受力情况复杂,有限元计算无法精确的模拟,因此在设计上往往采用较为保守的设计导致整体结构用钢量较大。因此,将应变片贴覆于测点,通过记录应变片电阻变化,间接测量结构应力。

在穹顶钢结构选取两条典型应力测量路径,按照拱顶顶升、就位、分圈浇注等几个工况连续测量钢结构内的应力,最终应得测点在各工况下应力变化值及应力峰值。结合穹顶钢结构对称特性,应力检测布置方案具体如下:

(1)测点可由对称取1/4区,并加入其他区域的校核点。共计环向测点20个,径向测点17个,合计37个测点(图3)。

图3 LNG储罐穹顶钢结构应力测点布置

(2)穹顶钢结构的所有测点在穹顶结构顶升安装前布置好,并连接调试好仪器,归入仪器箱,仪器箱需固定且不影响后续布钢筋作业空间。

(3)为了满足长期测试要求,采用单测点独立补偿的全桥测量技术。

(4)由于工况较多,施工时间较长,采用不间断自动采样测量技术(初定每5～10 min测试一次),且自动存储,因此测试区必须保证220 V的供电。

(5)根据记录的施工进度处理测试数据,以得到应力变化情况和峰值发生的情况。

(6)在正式顶升前仪器需调零,升顶过程中测试钢穹顶各测点应力值。

(7)记录钢穹顶焊接固定前后的应力变化。

(8)测试浇注前保压阶段钢穹顶各测点应力状况。

(9)记录混凝土分段浇筑过程中钢穹顶各测点应力值及变化规律。

(10)在混凝土完全凝固后,测试钢穹顶各测点应力值。

1.3.3 穹顶钢筋应力检测

LNG储罐穹顶钢筋混凝土结构是分圈浇筑,与穹顶钢结构形成组合穹顶。在穹顶上选择测环向和纵向主筋作为测试结构,并布设应变测点,在穹顶钢筋混凝土浇筑施工过程中,根据罐顶施工工序图,对钢筋混凝土内部的钢筋进行应力检测。

(1)由于穹顶钢筋混凝土结构具有对称特征,因此测点可由对称取1/4区,并加入其他区域的校核点。由于穹顶钢筋混凝土的主筋是沿环向和径向配置的,因此测试也选环向主筋和径向主筋设计。共计环向测点10个,径向测点10个,合计20个测点(图4)。

(2)为了减小测点布置对钢筋承力的影响,测点尽量分散布置。然后通过对称性得到其发布规律。

(3)穹顶钢筋混凝土钢筋的所有测点在钢筋绑好且浇注混凝土前完成。连接导线后进行相应的防潮处理,注意导线应固定,以免扯断应变片的引出线。并连接调试好仪器,归入仪器箱,仪器箱需固定且不影响后续混凝土浇注作业空间。

(4)为了满足长期测试要求,采用单测点独立补偿的全桥测量技术。另外,为了减少导线的影响,采用高阻值应变传感器。

(5)由于混凝土是分阶段浇注的,因此应变测点也必须分阶段和工期配合布置。

(6)由于工况较多,施工时间较长,采用不间断自动采样测量技术(初定每5～10 min测试一次),且自动存储。因此测试区必须保证220 V的供电。

(7)根据记录的施工进度处理测试数据,以得到应力变化情况和峰值发生的情况。

(8)测试浇注前钢筋混凝土钢筋各测点的应力状况。

(9)记录混凝土分段浇筑过程中钢穹顶各测点应力值及变化规律。

(10)在混凝土完全凝固后,测试钢穹顶各测点应力值。

通过对LNG储罐穹顶钢结构、混凝土钢筋进行应力测量,掌握LNG储罐穹顶施工过程中的应力水平及变化规律。通过与有限元计算理论数据的对比分析,提出连续升压、连续浇筑穹顶结构的施工方法,避免了由于保压导致的怠工现象,大幅缩短LNG储罐穹顶施工周期,助力工程成本的降低。

2 基于光纤光栅技术智能监测系统在LNG储罐应用分析

2.1 光纤光栅监测技术介绍

前面介绍了基于电阻应变测试技术在LNG储罐穹顶结构施工过程中的应用,此方法在测试过程中易受环境电磁场的干扰,无法满足LNG储罐在服役期间复杂工况下高精度、高稳定性的要求。因此,一种具有高精度、稳定应强的监测系统以实现对LNG储罐全寿命周期的健康检测、寿命评估等十分重要。

光纤光栅传感器由于不受电磁场干扰和超低温稳定性强等因素,兼具绝对测量和易于实现波分复用的准分布传感等特点,适合于LNG储罐结构的检测与监测。

早在20世纪末,光纤光栅就已经用于桥梁的健康监测,并且得到了很好的验证,2017年Hu等开发了适用于悬索频率检测的高灵敏度和良好重复性的光纤光栅传感器,根据弦振动理论,将振动频率转换为索力,实现了不破坏梁结构下对索力的间接测量,这种监测方法已经在悬索类桥梁结构上得到验证,并成功检测出索力异常。光纤光栅传感器可以在各种类型结构的桥梁上得到应用,通过对桥梁结构应力、应变、裂纹、振动、位移以及挠度等相关参数的测量来监测桥梁状态,但要满足实际工程应用,仍然存在一定差距,例如传感器耐久性问题,满足长期、大规模实时监测的高性能解调设备,以及统一的监测标准与规程都有待解决。光栅光纤传感器基于光纤材料的光敏性,通过特定的内部写入法、光栅光纤的单脉冲写入法、 相位掩膜法等成栅方法在光纤纤芯内形成一种光栅,使得光纤纤芯的折射率发生周期性变化。其工作原理为,宽带光源发出一束光,该光束通过光纤耦合器进入光栅光纤传感系统,一部分光波透过光栅送入传感器,另一部分光波则被反射回光纤耦合器,再进入光谱分析仪,当有外力作用、光栅光纤产生形变或受到温度变化等外界环境的影响时,反射光的波长也会相应地发生变化,此时光栅将不同波长的窄带光反射给耦合器,再由频谱分析仪接收,实现对反射信号的监测与传输。

从光纤光栅应变传感技术在各种领域的应用效果来看,光纤光栅传感器在具有诸如抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外,对温度和应力等重要测量参量具有极高的测量精度 (最小 0.5 ℃测量精度,应力 10 MPa)和线性度(90%以上),因而在LNG储罐中具有巨大的发展潜力和应用市场。

2.2 光纤光栅监测系统在LNG储罐中应用介绍

2.2.1 光纤光栅技术在LNG储罐预应力损失应用分析

长期以来,对预应力损失的监测特别是有黏结预应力损失监测,人们采用了多种手段,但效果均不理想,如何有效监测有黏结预应力损失仍是工程界十分关注的技术难题。

增强纤维光纤布里渊和光纤光栅传感筋的出现为解决这一难题提供必要手段。增强纤维光纤布里渊和光纤光栅传感筋充分结合光纤布里渊的全尺度分布式测试和光纤光栅的准分布式、高精度、采样频率高等优点,并采用FRP材料对传感元件进行封装,使得智能复合筋兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体,适应大型土木工程结构的体积大、分布面积广、使用期限长、服役环境恶劣等特点。

考虑预应力钢绞线的工作环境,设计一种新型的光纤布里渊与光纤光栅智能钢绞线结构,对预应力筋的预应力损失进行监测。智能复合筋与预应力筋是协同变形的,智能复合筋所测应变即为整根智能钢绞线的应变。光纤布里渊传感器的作用就是进一步考察预应力长期损失的空间分布变化情况。

2.2.2 光纤光栅技术在LNG储罐内罐结构应用分析

LNG储罐内罐采用9%Ni钢材料,运行温度-160 ℃,且内罐底、内外罐之间环形空间均采用绝热保温材料。对传感器的耐低温、走线方式提出了较高要求。

应变灵敏度系数是光纤光栅传感器非常重要的参数,受到传感器不同封装形式、安装工艺及使用环境的影响可能会发生变化。为此,在工程使用前必须模拟超低温的实际环境对光纤光栅传感器在-160 ℃下的应变灵敏度系数进行试验测量。其次,超低温下光纤光栅传感器的封装形式以及其与待测结构表面的连接形式将影响其应变测量结果的准确性。因此,在工程应用前需开展超低温环境下、不同保护措施下光纤光栅传感器的稳定性的验证模拟试验。通过试验验证在超低温环境下测试光纤光栅传感单元的安装方式、封装保护措施、线路规划等,验证光纤光栅传感器组件在LNG储罐内罐的超低温运营环境下的工作性能,重点考察封装材料、胶粘材料等组成部分在低温环境下的存活性,确保光纤光栅传感单元与光纤在超低温作用下不因为冷缩等效应产生脱落、破坏、蠕变。

3 结语

LNG储罐结构复杂、存储体量巨大、服役环境极端,并且在注入LNG时容易发生分层、翻滚等异常工况,甚至引起燃烧、爆炸灾难,LNG安全储存成为天然气工业产业中的重要课题。结构健康监测技术为LNG储罐结构受力状态提供了有效的监测手段。因此,一套适用于LNG储罐全结构的智能监测系统开发十分重要。智能监测系统不仅仅实现对储罐结构监测,而且实现结构损伤检测、损伤定位、结构寿命预测,并通过对LNG储罐各项监测数据集成,开发一套实时监测系统软件系统,实现数据的传输、存储、报警等功能,以可视化方式展示LNG储罐监测数据的动态变化、储罐结构受力状态和应力应变情况。通过智能监测系统的开发实现LNG储罐在投产服役期间的结构应力测量,掌握结构状态,评估LNG储罐承载力安全冗余,为LNG储罐延寿评估、结构优化设计研究提供有力数据支持。