CN111637929A - 一种罐体监测装置、监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种罐体监测装置、监测系统及监测方法，该装置包括：横向光纤应变传感器，横向光纤应变传感器横向分布于罐体的侧壁；纵向光纤应变传感器，纵向光纤应变传感器纵向分布于罐体的侧壁；底部光纤应变传感器，底部光纤应变传感器设置于罐体的底部；光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置能够接收横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器输送的光信号并解调获得罐体的侧壁和罐体的底部变形所产生的应变信息和罐体的侧壁和罐体的底部的振动信息；能够解决现有的罐体倾斜测量方法测量不够准确，实用性不强的问题。
Description
技术领域
本发明涉及石油储存设备领域，更具体地，涉及一种罐体监测装置、监测系统及监测方法。
背景技术
石油在化工加工和运输过程中，储罐是一种常用的方法。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。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的一座5万方油罐发生破坏事故，原油泄漏量超过4万立方米，污染地面近15万平方米，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。
现在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，实际上就是通过一个连通器对液面进行监测。然而此类方法需要固定的基点，而实际储罐受地区条件限制难以在储罐附近设置固定基点从而降低静力水准稳定性和实操性。也有利用多点布设的连通管结合光纤传感器的静力水准监测方案，以期达到多点沉降监测目的。在监测方案实施初期，该方案与其他沉降监测方案吻合，可以实现获取多点的沉降分布的监测目的。但在之后数年的持续监测中，由于管道内液体冷凝膨胀、监测装置失稳，加之外界温度影响，导致该方案难以保证长期稳定的监测结果。另外，GPS、激光、雷达等非接触式传感技术也在逐渐在工程中开始应用。GPS有应用方便的优点，但其毫米级别测量精度还有待进一步提高。激光和雷达等非接触测量设备精度高且使用方便，但又容易受到天气等环境因素的影响。此外，加速度计、倾角仪等间接计算沉降的方法中，通过加速度测量然后二次积分计算得出位移的方法，在理论上可行，但是由于积分过程中的误差积累导致所得出的沉降监测精度不高。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提出一种罐体监测装置、监测系统及监测方法，以解决现有的罐体倾斜测量方法测量不够准确，实用性不强的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提出了一种罐体监测装置，包括：
横向光纤应变传感器，所述横向光纤应变传感器横向分布于所述罐体的侧壁；
纵向光纤应变传感器，所述纵向光纤应变传感器纵向分布于所述罐体的侧壁；
底部光纤应变传感器，所述底部光纤应变传感器设置于所述罐体的底部；
光纤光栅解调装置，所述光纤光栅解调装置能够接收所述横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器输送的光信号并解调获得所述罐体的侧壁和所述罐体的底部变形所产生的应变信息和所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的振动信息。
可选地，所述罐体的底部设置有沥青防水层，所述底部光纤应变传感器设置在所述沥青防水层内。
可选地，还包括地基，所述地基用于承载所述罐体，所述地基内设置有横梁结构，所述横梁结构包括钢筋，所述底部光纤应变传感器设于所述钢筋上。
可选地，还包括分布式光纤温度测量装置和设于所述罐体底部的S形测温光纤，所述S形测温光纤与所述分布式光纤温度测量装置连接，所述分布式光纤温度测量装置能够接收所述S形测温光纤输送的光信号并解调获得所述罐体底部的温度信息。
可选地，所述罐体的底部且对应所述S形测温光纤的弯折处设有保护柱，所述S形测温光纤的弯折处贴附于所述保护柱。
可选地，所述S形测温光纤套设有保护管。
可选地，所述横向光纤应变传感器的间距为1.0m-2.0m。
可选地，所述纵向光纤应变传感器的间距为0.5m-1.0m。
本发明还提供一种罐体监测系统，包括上述的罐体监测装置、控制器和通信预警装置，所述罐体监测装置通过所述光纤光栅解调装置将所述应变信息、所述振动信息传和所述温度信息输至所述控制器内，所述控制器与通信预警装置连接。
本发明还提供一种罐体监测方法，包括：
在所述罐体的侧壁上纵向布设光纤应变传感器；
在所述罐体的侧壁上横向布设光纤应变传感器，使得所述罐体的侧壁上横向布设的光纤应变传感器和所述罐体的侧壁上纵向布设的光纤应变传感器形成网格状；
在所述罐体的底部布设光纤应变传感器和测温光纤；
在用于承载所述罐体的地基内设置钢筋，将所述罐体的底部的光纤应变传感器贴附于所述钢筋上；
通过所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的光纤应变传感器监测所述罐体的应变信息和振动信息；
通过测温光纤监测所述罐体的底部的温度信息；
通过将所述应变信息、所述振动信息和所述温度信息的分析，判断所述罐体的变形、沉降、倾斜状况和所述罐体的罐底是否发生泄漏。
本发明的有益效果在于：通过竖直方向不同位置的横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器能够对整个罐体的应变信息和振动信息进行检测；通过S形测温光纤能够检测罐体底部的温度信息；通过控制器对应变信息的分析，对罐体的变形状况进行评估；通过控制器对振动信息的分析，对罐内的液面高度进行评估，反馈为罐体的倾斜状况；通过控制器对温度信息的分析，对罐体底部的泄漏情况进行评估；通过对罐体变形和罐体振动状况的分析实现监测罐体倾斜和沉降的效果。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器在罐体上的安装结构示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的S形测温光纤在罐体的底部的安装结构示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的S形测温光纤和保护柱的结构示意图。
图4示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的底部光纤应变传感器与钢筋的连接的结构示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测系统的工作流程图。
图中：1-罐体，2-横向光纤应变传感器，3-纵向光纤应变传感器，4-底部光纤传感器，5-S形测温光纤，6-保护柱，7-钢筋。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的一种罐体监测装置，其特征在于，包括：
横向光纤应变传感器，所述横向光纤应变传感器横向分布于所述罐体的侧壁；
纵向光纤应变传感器，所述纵向光纤应变传感器纵向分布于所述罐体的侧壁；
底部光纤应变传感器，所述底部光纤应变传感器设置于所述罐体的底部；
光纤光栅解调装置，所述光纤光栅解调装置能够接收所述横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器输送的光信号并解调获得所述罐体的侧壁和所述罐体的底部变形所产生的应变信息和所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的振动信息。
具体的，横向光纤应变传感器和纵向光纤应变传感器呈网格状安装于罐体外壁，底部光纤应变传感器安装于罐体的底部，三者对罐体的变形进行有效监测，可以通过罐体的变形及时的推测出罐体的损坏情况；竖直方向不同位置的横向光纤应变传感器和纵向光纤应变传感器还能够对罐体的振动信息进行检测，从而对罐内的液面高度进行评估，反馈为罐体的倾斜状况；通过横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器测得的罐体不同位置的应变信息能够获得整个罐体的变形情况，根据该变形情况可以对罐体的倾斜状况进行评估；同时，通过监测获取罐体的振动信息，能够根据振动信息评估罐体内的液面高度，如果罐体发生倾斜，罐体内不同位置的液面高度不同，不同位置测得的振动信息不同，这样也可以反馈出罐体的倾斜状况。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器在罐体上的安装结构示意图，图2示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的S形测温光纤在罐体的底部的安装结构示意图，图3示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的S形测温光纤和保护柱的结构示意图，图4示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测装置的底部光纤应变传感器与钢筋的连接的结构示意图，图5示出了根据本发明的一个实施例的一种罐体监测系统的工作流程图。
实施例
如图1至图4所示，本发明提供一种罐体监测装置，包括：
横向光纤应变传感器2，所述横向光纤应变传感器2横向分布于所述罐体1的侧壁；
纵向光纤应变传感器3，所述纵向光纤应变传感器3纵向分布于所述罐体1的侧壁；
底部光纤应变传感器4，所述底部光纤应变传感器4设置于所述罐体1的底部；
光纤光栅解调装置，所述光纤光栅解调装置能够接收所述横向光纤应变传感器2、纵向光纤应变传感器3和底部光纤应变传感器4输送的光信号并解调获得所述罐体1的侧壁和所述罐体1的底部变形所产生的应变信息和所述罐体1的侧壁和所述罐体1的底部的振动信息。
具体的，横向光纤应变传感器2、纵向光纤应变传感器3和底部光纤应变传感器4均为长标距光纤传感器，通过满足高精度动静态测量、增强的动态测量范围区间范围(数十厘米到数米)，具有微小损伤探测覆盖能力的长标距传感单元，对罐体1结构的关键区域(如主梁、柱、结构接缝),每间隔固定距离进行监测，将罐体1应力变化粗分网格化。
在本实施例中，所述罐体1的底部设置有沥青防水层，所述底部光纤应变传感器4设置在所述沥青防水层内。
在本实施例中，还包括地基，所述地基用于承载所述罐体1，所述地基内设置有横梁结构，所述横梁结构包括钢筋7，所述底部光纤应变传感器4设于所述钢筋7上。
具体的，底部光纤应变传感器4为长标距光纤，罐体1底部的横梁结构和底部光纤应变传感器4置于储罐1底部的沥青防水层之中，采用长标距传感单元与刚性横梁结构相结合的方式，通过横向应力变化，标定罐体1的整体倾斜与沉降。
在本实施例中，还包括分布式光纤温度测量装置和设于所述罐体底部的S形测温光纤5，所述S形测温光纤5与所述分布式光纤温度测量装置连接，所述分布式光纤温度测量装置能够接收所述S形测温光纤5输送的光信号并解调获得所述罐体1底部的温度信息。
具体的，S形测温光纤5主要针对罐体1的底部的盲区，采用光纤分布式传感的方式，以S形将光纤5网状分布在罐体1底部，并经保护管引到罐体1基础外部，采用测温(可以采用ROTDR进行，也可以采用其他通用测温方式)的分布式传感，监测整体罐体1底部的温度分布。
在本实施例中，所述罐体1的底部且对应所述S形测温光纤5的弯折处设有保护柱6，所述S形测温光纤5的弯折处贴附于所述保护柱6。
具体的，为保证S形测温光纤5不在施工过程中在弯折处产生过度的应力，每个弯折区域将光纤贴附在一个扁圆柱形的保护体外侧。
在本实施例中，所述S形测温光纤5套设有保护管。
具体的，保护管用于保护S形测温光纤5，通过保护管可以增加S形测温光纤5的使用寿命。
在本实施例中，所述横向光纤应变传感器2的间距为1.0m-2.0m。
具体的，间距为1.0m-2.0m能够保证足够的精度和量程，在横向光纤应变传感器2布设时，横向光纤应变传感器2宜沿整个罐体1环向分布布设；在横向光纤应变传感器2数量有限的情况下，首先满足罐体1环向管片拼缝的监测；在无法沿整个罐体1环向分布布设横向光纤应变传感器2的情况下，将横向光纤应变传感器2布设在计算中罐体1变形较大的区域；在偏压监测截面布设时，横向光纤应变传感器2采用区域分布传感器。
在本实施例中，所述纵向光纤应变传感器3的间距为0.5m-1.0m。
具体的，间距为0.5m-1.0m能够保证足够的精度和量程，在纵向光纤应变传感器3布设时，纵向光纤应变传感器3宜沿纵向分布布设，宜上下各布设一条传感线路；在纵向光纤应变传感器3数量有限的情况下，应首先满足罐体1纵向管片拼缝的监测；在罐体1接缝变形监测时，纵向光纤应变传感器3采用区域分布传感器。
本发明还提供一种罐体监测系统，包括上述的罐体监测装置、控制器和通信预警装置，所述罐体监测装置通过所述光纤光栅解调装置将所述应变信息、所述振动信息传和所述温度信息输至所述控制器内，所述控制器与通信预警装置连接。
具体的，控制器获取外部数据中心的数据并对于输入的光纤光栅解调装置的应力信号与接收到的振动信号进行处理，通过应力信号结合罐体1的形状以及罐体1上光纤应变传感器的位置，通过模拟，给出罐体1的整体形变；另一方面，控制器对于源自光纤光栅解调装置的振动信号进行评估，通过解调背景振动信号的不同，给出罐体1内液面的评估；同时，根据S形测温光纤5的位置，给出罐体1底部的温度分布，温度与应力对比应按罐体1整体评估，考虑日气温，日照方向等在罐体1使用初期积累平均数据作为参考，利用外部的数据库进行评估。
进一步的，控制器内部设置有比对数据库，作为采集数据的比对，超过阈值的形变或温度改变代表着罐体损伤危险性加大或是罐体产生了泄漏，控制器将触发通信预警装置报警并通知负责人，负责人根据情况进行排查，并根据相关的情况执行对应预案。
本发明还提供一种罐体监测方法，包括：
在所述罐体的侧壁上纵向布设光纤应变传感器；
在所述罐体的侧壁上横向布设光纤应变传感器，使得所述罐体的侧壁上横向布设的光纤应变传感器和所述罐体的侧壁上纵向布设的光纤应变传感器形成网格状；
在所述罐体的底部布设光纤应变传感器和测温光纤；
在用于承载所述罐体的地基内设置钢筋，将所述罐体的底部的光纤应变传感器贴附于所述钢筋上；
通过所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的光纤应变传感器监测所述罐体的应变信息和振动信息；
通过测温光纤监测所述罐体的底部的温度信息；
通过将所述应变信息、所述振动信息和所述温度信息的分析，判断所述罐体的变形、沉降、倾斜状况和所述罐体的罐底是否发生泄漏。
具体的，光纤传感器布设时采用光纤传感器外贴方式，从而满足不影响正常运营和外观的要求。光纤传感器接合处对熔接外层的套管和跳线分别固定并整体固定桥桁底部，有效地起到了防潮、防尘、防冲击的效果，并为后期维护提供了方便。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种罐体监测装置，其特征在于，包括：
横向光纤应变传感器，所述横向光纤应变传感器横向分布于所述罐体的侧壁；
纵向光纤应变传感器，所述纵向光纤应变传感器纵向分布于所述罐体的侧壁；
底部光纤应变传感器，所述底部光纤应变传感器设置于所述罐体的底部；
光纤光栅解调装置，所述光纤光栅解调装置能够接收所述横向光纤应变传感器、纵向光纤应变传感器和底部光纤应变传感器输送的光信号并解调获得所述罐体的侧壁和所述罐体的底部变形所产生的应变信息和所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的振动信息。
2.根据权利要求1所述的罐体监测装置，其特征在于，所述罐体的底部设置有沥青防水层，所述底部光纤应变传感器设置在所述沥青防水层内。
3.根据权利要求1所述的罐体监测装置，其特征在于，还包括地基，所述地基用于承载所述罐体，所述地基内设置有横梁结构，所述横梁结构包括钢筋，所述底部光纤应变传感器设于所述钢筋上。
4.根据权利要求1所述的罐体监测装置，其特征在于，还包括分布式光纤温度测量装置和设于所述罐体底部的S形测温光纤，所述S形测温光纤与所述分布式光纤温度测量装置连接，所述分布式光纤温度测量装置能够接收所述S形测温光纤输送的光信号并解调获得所述罐体底部的温度信息。
5.根据权利要求4所述的罐体监测装置，其特征在于，所述罐体的底部且对应所述S形测温光纤的弯折处设有保护柱，所述S形测温光纤的弯折处贴附于所述保护柱。
6.根据权利要求3所述的罐体监测装置，其特征在于，所述S形测温光纤套设有保护管。
7.根据权利要求1所述的罐体监测装置，其特征在于，所述横向光纤应变传感器的间距为1.0m-2.0m。
8.根据权利要求1所述的罐体监测装置，其特征在于，所述纵向光纤应变传感器的间距为0.5m-1.0m。
9.一种罐体监测系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的罐体监测装置、控制器和通信预警装置，所述罐体监测装置通过所述光纤光栅解调装置将所述应变信息、所述振动信息传和所述温度信息输至所述控制器内，所述控制器与通信预警装置连接。
10.一种罐体监测方法，其特征在于，包括：
在所述罐体的侧壁上纵向布设光纤应变传感器；
在所述罐体的侧壁上横向布设光纤应变传感器，使得所述罐体的侧壁上横向布设的光纤应变传感器和所述罐体的侧壁上纵向布设的光纤应变传感器形成网格状；
在所述罐体的底部布设光纤应变传感器和测温光纤；
在用于承载所述罐体的地基内设置钢筋，将所述罐体的底部的光纤应变传感器贴附于所述钢筋上；
通过所述罐体的侧壁和所述罐体的底部的光纤应变传感器监测所述罐体的应变信息和振动信息；
通过测温光纤监测所述罐体的底部的温度信息；
通过将所述应变信息、所述振动信息和所述温度信息的分析，判断所述罐体的变形、沉降、倾斜状况和所述罐体的罐底是否发生泄漏。
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