2015年8月12日，天津滨海新区一处集装箱码头发生爆炸，发生爆炸的是集装箱内的易燃易爆物品。第一次爆炸的威力相当于3吨TNT……
 
大型储油罐内液位、压力过高易引起火灾、爆炸等；液位、压力下降过快或过低易引起负压产生瘪罐。罐内温度过高，会造成加热原油的能量浪费及火灾危险；罐内温度过低，会产生凝罐。储罐的储量很大，潜在危险性高，一旦发生火灾，火情猛烈，破坏性大。大型储罐安全运行的重要性和紧迫性较为突出，必须采取有效监控措施，及时地发现事故的隐患和最大限度地减少灾害造成的损失。
 
光纤传感器可以利用光纤采集和传输信号，做到现场无电检测，安全防爆，特别适于易燃易爆场所的计量、健康监测和管理。
 
本文就来介绍模拟利用光纤传感技术检测大型储罐的运行状态。
 
一、大型储罐安全问题
 
1 温度

以5万方储罐为例，建立二维仿真模型。储罐的参数为：直径D=60m,高度hg=19.35m,液位高度hW=17.86m, 罐壁有保温材料保温，罐顶、罐底无保温材料。
 
通过对5万方浮顶罐进出油时温度场和速度矢量分析，可以发现：浮顶处（没有保温层）由于与外界直接对流换热，容易出现凝油。罐底（没有保温层）与大地土壤导热，一般不会凝油。罐壁有保温层，因此温度散失很小，可以忽略。对大型浮顶罐温度监测，应重点监测浮顶，建议在工程中为浮顶加设保温层，防止凝油。
 
2 地震

仿真计算时，首先考虑静力加载，在储罐上施加竖向重力加速度-9.8m/s2，对罐体施加储液重力荷载10s；然后输入地震波10s。
 
经计算发现，地震作用下储罐液固耦合区、液体重心区和象足变化区有效应力分别放大1.69倍、1.55倍和1.31倍；地震作用下位移分别放大1.62倍、1.58倍和1.33倍；加速度峰值分别放大1.96倍、1.78倍和0.97倍。考虑地震作用后，有效应力、位移和加速度放大效应明显，说明地震作用引起的动力效应不容忽略。
 
二、解决方案

根据仿真结果，利用光纤传感技术进行大型储罐实时监测，确保储罐安全运行。
 
1 光纤监测系统构成

建立一套合理的监测系统，同时在储罐的不同位置进行布点。单罐监控系统简图如下。
 
2 光纤监测点布置

浮顶开口共有四个,其中量油管、导向管各一个；浮船入口两个。合理布置传感器。
 
液位传感器
 
选取两个浮船入口进行光纤液位传感器的布置。光纤液位传感器通过1通道光缆连接到监控室。
 
温度传感器
 
罐中央的温度比较高，传感器少布置；罐底温度偏低，温度传感器数量要多一些。罐顶温度最低，是罐中温度监测中的危险区域，是监测的重点，传感器布置的数量要尽量多一些。罐壁有保温层，不需布置传感器。
 
在1#和2#浮船入口的浮顶底板下各焊一段长1米的钢筋，用来布置加密的温度传感器（12个）。利用量油管和导向管布置一定数量光纤温度传感器（32个）。距罐底1m高度范围内温度传感器进行了加密，此范围内温度波动较大，是主要的散热部位。在距离储油罐20m的地方布置一个温度传感器，用于监测环境温度。
 
压力传感器
 
只需要沿着储罐的浮顶来进行布置传感器。储罐的入口和出口处压力值变化明显，在出口、入口的边缘附近布置一定数量的压力传感器。
 
在导向管内沿高度分别在17.86m、8.93m和罐底共布置3个光纤压力传感器，用来监测储罐上、中、下三个部位的压力；在出、入油管圆心中心线上距罐底0.4米处和1.0米各布置一个光纤压力传感器，用来监测进出油时进出油管附近的压力变化。将这些压力传感器采集的信息通过1通道光缆传到监控室。
 
应变传感器
 
罐壁上液固耦合区、液体重心区和象足变化区的加速度、位移、应力变化明显，考虑安装方便，采用光纤光栅应变传感器进行监测，同时监测罐壁温度。这三个区域光纤传感器要布置在储罐罐壁钢板外侧，保温层内部。
 
取四分之一外罐壁，布置两列光纤应变传感器，同时监测管外壁温度；距罐底1.97m、8.89m和11.9m的象足变化区、液体重心区和液固耦合区进行加密监测。共布置传感器38个。
 
三、系统安装完成后可实现以下功能：
 
1．在油罐发生火灾前，温度有异常波动时能及时报警。
 
2．能设置多级温度报警和温升速率报警并在线实时显示温度值，并经温度值比较后显示最高温度及相应位置，可根据现场实际情况任意调整报警值。
 
3．系统能重复使用，误报率低。
 
4．能和原有火灾自动报警系统衔接。
 
对于正常运行的储罐，其温度、压力、应变会在一定的范围内波动，液位随着浮顶的升降而升高和降低。如果温度超过或低于正常极值5℃时即可设定报警。应变超过正常应变极值20με时设定应变报警。也可以根据实际运行情况设定报警界限。
 
其实光纤传感器就像人类的五大器官：视觉（光敏传感器）、听觉（声敏传感器）、嗅觉（气敏传感器）、味觉（化学传感器）、触觉（压敏、温敏、流体传感器）。只要您有心多用，小编相信您离拥有“眼观六路耳听八方”的特异功能也不远啦！


节选自《无损检测》2015年第3期

编辑：李子木
 
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本文作者：袁朝庆，工作单位为黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室、东北石油大学土木建筑工程学院，教授，博士，主要研究方向为储罐安全评价、管道的泄漏检测。