CN111141828A - 一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台 - Google Patents

一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及储罐监测技术领域，尤其涉及一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其包括储罐，储罐包括罐体、盖板和底板，而罐体则包括上罐壁、下罐壁以及中间挡板；油气泄漏监测系统；罐壁变形模拟及监测系统；底板腐蚀模拟及监测系统；储罐沉降模拟及监测系统。此外，上罐壁内设置有弧形分隔板，弧形分隔板、中间挡板与上罐壁共同形成环形的一次密封腔，弧形分隔板、中间挡板与盖板共同形成二次密封腔。本发明将多个监测系统集成在一个实验平台，这样对储罐的泄漏、变形、腐蚀以及沉降形成了全面且有效的监测。

Description

一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台
技术领域
本发明涉及储罐监测技术领域，具体涉及一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台。
背景技术
油气储罐是现代工业运行的“心脏”，主要用于存储、转输和供应原油或成品油。具有规模大、风险高等特点，一旦发生失效，将会导致油品泄漏、甚至着火爆炸事故，造成人员伤亡、财产损失、环境破坏，给社会带来极大的负面影响。通过对储罐失效事故调查发现，储罐的主要失效形式有储罐基础不均匀沉降、底板腐蚀、罐壁变形、一二次密封失效等。但对于上述失效过程及其动态响应规律尚不明晰，因此研究储罐动态失效特性，以及有效的监测技术，对保障储罐安全长周期运行具有重要的作用。
目前国内各研究机构针对上述失效问题开展了部分单项技术研究，也建立了各自技术的测试平台，但这些平台结构过于简化，距离真实储罐失效形式差别较大。另外，目前公开文献及专利中所搭建的各种储罐实验平台系统性和完整性不足，缺乏储罐多失效模式下的失效模拟和监测技术测试平台，难以系统研究储罐失效机理和相关监测技术。
因此，亟须设计一种能够准确模拟储罐典型失效模式，包括但不限于不均匀沉降、底板腐蚀、罐壁变形、一二次密封失效等在内的实验台，同时开发适用于储罐典型失效模式下的状态监测技术，形成整套完整的实验装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，以解决现有对储罐不均匀沉降、底板腐蚀、罐壁变形、一二次密封失效的情况无法全面且有效进行联合监测与分析的问题。
(二)技术方案
为达上述目的，本发明的一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，包括：
储罐，所述储罐包括罐体、设于所述罐体的上方的盖板和可拆卸地设于所述罐体的下方的底板；所述罐体包括上罐壁、下罐壁以及分隔所述上罐壁与所述下罐壁的中间挡板；所述上罐壁内设置有弧形分隔板，所述弧形分隔板、所述中间挡板与所述上罐壁共同形成环形的一次密封腔，所述弧形分隔板、所述中间挡板与所述盖板共同形成二次密封腔；
油气泄漏监测系统，所述油气泄漏监测系统包括分别与所述一次密封腔连通的氮气进气管与丙烷气罐、用于对所述一次密封腔进行监测的第一油气浓度传感器以及用于对所述二次密封腔进行监测的第二油气浓度传感器；
罐壁变形模拟及监测系统，所述罐壁变形模拟及监测系统包括设于所述下罐壁的外表面上的光纤传感器以及两端均连接于所述下罐壁的内表面上的电动伸缩杆；
底板腐蚀模拟及监测系统，所述底板腐蚀模拟及监测系统包括设于所述下罐壁的外表面上的多个声发射传感器；
储罐沉降模拟及监测系统，所述储罐沉降模拟及监测系统包括设于底板的边缘上的多个沉降传感器、实验台底座以及设于所述实验台底座与所述底板之间的多个撑力杆。
优选地，所述盖板和所述底板均设置有法兰环，所述底板和所述盖板均通过所述法兰环与所述罐体连接；所述盖板上设有多个把手、贯穿所述盖板的第一气孔和第二气孔；所述底板上设有多个腐蚀坑。
优选地，所述丙烷气罐的输气管与所述氮气进气管汇合为主进气管，所述主进气管的末端穿过所述上罐壁与所述一次密封腔连通；所述输气管上设有第一气阀开关，所述氮气进气管上设有第二气阀开关。
优选地，所述上罐壁上还设置有与所述一次密封腔连通的出气管，所述出气管上设置有第三气阀开关。
优选地，所述下罐壁上设置有出油孔与进油孔，且所述进油孔高于所述出油孔。
优选地，所述下罐壁的外表面沿圆周方向间隔布置有多个卡板。
优选地，所述声发射传感器等高等间隔环向安装于所述下罐壁的外表面上。
优选地，所述底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统均与内置声发射卡的分析装置电连接。
优选地，所述撑力杆为伸缩杆，所述实验台底座通过所述撑力杆来调整所述储罐相对于竖直方向的倾斜角度。
优选地，所述下罐壁上设置有观察孔。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：罐体通过中间挡板分隔形成有密闭腔和储油腔；储油腔位于密闭腔的下方；在密闭腔中由弧形分隔板分隔形成一次密封腔和二次密封腔。由一次密封腔形成了一次气体密封，由二次密封腔形成了二次气体密封，多级密封方式共同作用以确保储罐的密封效果，同时也能够保证泄漏监测的可靠性和准确性。
罐壁变形模拟及监测系统利用布置在储油腔上的光纤传感器，配合电动伸缩杆来监测罐壁的应力变化。当电动伸缩杆对罐壁沿径向施力时会导致罐壁产生变形，光纤传感器监测到罐壁因变形而产生的应力分布情况。实验员通过对电动伸缩杆的远程控制伸缩长度来对罐壁造成不同的变形，便于监测不同变形的数据。光纤传感器合理的布置于罐壁上，能将监测的范围最大化，有利于对罐壁变形的监测。再者，电动伸缩杆与光纤传感器同平面设置。电动伸缩杆与光纤传感器同平面设置，能快速直观地监测到罐壁的变形大小，并且能依据实际随时通过控制电动伸缩杆来调整变形程度。其中，光纤传感器的机制包括应变引起的弹性变形和弹光效应，温度引起的热膨胀效应和热光效应，以及磁场引起的法拉第效应，基于光纤光栅对温度和应变直接敏感监测，可制成用于监测应力、应变、温度、压力、振动、位移、加速度、倾角等多种参量的光纤传感器和光纤传感网。
在底板腐蚀模拟及监测系统中，在下罐壁上布置了多个声发射传感器，声发射传感器连接位于储罐外的内置声发射卡的分析装置。因为底板的腐蚀信号的传输路径是在储油腔中，储油腔中的液体会对腐蚀信号的传播造成减弱和干扰，所以底板腐蚀模拟及监测系统通过内置声发射卡的分析装置造成的主动发声结合被动听声来监测腐蚀缺陷，这样的监测方式充分利用了被动发声与主动发声的优点，增加了监测区域的面积，减少了信号干扰，能更加全面、细致的监测到不同的腐蚀缺陷。内置声发射卡的分析装置将从声发射传感器传输过来的监测数据分析归类，并建立相应的参考数据库。
在储罐沉降模拟及监测系统中，撑力杆控制储罐相对于竖直方向的倾斜角度。利用撑力杆的长度调节来对储罐进行倾斜实验，模拟在储罐在移动或存放中各种因素引起的储罐倾斜，配合底板腐蚀监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统的监测，这样能得到更加全面监测数据。
本发明将底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统集成在一个实验平台进行实验研究，同时开发适用于储罐典型失效模式下的状态监测技术，这样形成了一套完整的对储罐的腐蚀、变形、沉降以及泄漏的实验装置。
附图说明
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点会变得更加清楚和容易理解。
图1为本发明的一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台的组成结构示意图；
图2为图1的一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台中的储罐的立体结构示意图；
图3为图1的一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台中的底板的结构示意图。
【附图标记说明】
10：盖板；101：第一气孔；102：第二气孔；103：把手；
11：底板；111：卡板；
12：罐体；121：上罐壁；122：中间挡板；123：下罐壁；
20：丙烷气罐；21：弧形分隔板；22：油气浓度传感器；23：第一气阀开关；24：第二气阀开关；25：第三气阀开关；26：一次密封腔；27：氮气进气管；28：输气管；29：二次密封腔；
30：光纤传感器；31：电动伸缩杆；
40：声发射传感器；41：储油腔；
50：沉降传感器；51：撑力杆；52：实验台底座；
60：观测孔；
70：进油孔；71：出油孔。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其包括：储罐、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统、底板腐蚀模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统。
其中，储罐包括罐体12、设于罐体12的上方的盖板10和可拆卸地设于罐体12的下方的底板11；罐体12包括上罐壁121、下罐壁123以及分隔上罐壁121与下罐壁123的中间挡板122，上罐壁121内设置有弧形分隔板21，弧形分隔板21、中间挡板122与上罐壁121共同形成环形的一次密封腔26，弧形分隔板21、中间挡板122与盖板10共同形成二次密封腔29，一次密封腔26环绕包裹二次密封腔29。
油气泄漏监测系统包括分别与一次密封腔26连通的氮气进气管27与丙烷气罐20、用于对一次密封腔26进行监测的第一油气浓度传感器22以及用于对二次密封腔29进行监测的第二油气浓度传感器(未图示)。罐壁变形模拟及监测系统包括设于下罐壁123的外表面上的光纤传感器30以及两端均连接于下罐壁123的内表面上的电动伸缩杆31。底板腐蚀模拟及监测系统包括设于下罐壁123的外表面上的多个声发射传感器40；储罐沉降模拟及监测系统包括设于底板11的边缘上的多个沉降传感器50、实验台底座52以及设于实验台底座52与底板11之间的多个撑力杆51。
在上述技术方案中，罐体12通过中间挡板122分隔形成有密闭腔和储油腔41；储油腔41位于密闭腔的下方；在密闭腔中由弧形分隔板21分隔形成一次密封腔26和二次密封腔29。一次密封腔26密封下罐壁123与中间挡板122之间可能存在的泄漏，由一次密封腔26形成了一次气体密封，由二次密封腔29形成了二次气体密封，级密封方式共同作用以确保储罐的密封效果，同时也能够保证泄漏监测的可靠性和准确性。一次密封腔26中充满氮气作为光谱背景，通过激光来监测丙烷气体在光谱背景下的光谱吸收情况，然后通过第一油气浓度传感器22监测丙烷的吸收波数来判断是否发生泄漏。由于第一油气浓度传感器22的监测灵敏度原因，只能监测一定浓度的丙烷光谱吸收波数，所以当丙烷气体浓度达到一定界限是则可以判定石油气的泄漏情况，从而发出预警。在密闭腔外有电磁继电器控制管道上的电磁阀的开合，其中，电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔通向不同的管，腔的中间是阀，两边是两个电磁铁，阀体通过电磁线圈的通断电进行移动，通过控制阀体的移动来实现不同通道的开关，而通道的进口是常开的，液压油就会进入不同的通道然后通过压力来推动油缸活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置运动，这样通过电磁铁的电流就控制了机械运动。继电器原理是：通过程序设计逻辑控制，当需要外部电磁阀接通时，输出端输出信号去驱动继电器的线圈，继电器的线圈吸合带动触点闭合，从而达到驱动电磁阀的目的。在进行石油气泄漏监测时，电磁继电器通过电磁阀来控制管路关闭，不让外来气体进入密闭腔内；在完成监测之后，电磁继电器通过电磁阀控制管路打开，将密闭腔内的混合气体全部置换为氮气，为下一次实验做好准备。
罐壁变形模拟及监测系统利用布置在储油腔41上的光纤传感器30，配合电动伸缩杆31来监测罐壁的应力变化。当电动伸缩杆31对罐壁沿径向施力时会导致罐壁产生变形，光纤传感器30监测到罐壁因变形而产生的应力分布情况。实验员通过对电动伸缩杆31的远程控制伸缩长度来对罐壁造成不同的变形，便于监测不同变形的数据。多个光纤传感器30等高间隔均布于罐壁上，能将监测的范围最大化，有利于对罐壁变形的监测。再者，电动伸缩杆31与光纤传感器30同平面设置，能快速直观地监测到罐壁的变形大小，并且能依据实际随时通过控制电动伸缩杆31来调整变形程度。其中，光纤传感器30的机制包括应变引起的弹性变形和弹光效应，温度引起的热膨胀效应和热光效应，以及磁场引起的法拉第效应，基于光纤光栅对温度和应变直接敏感监测，可制成用于监测应力、应变、温度、压力、振动、位移、加速度、倾角等多种参量的光纤传感器和光纤传感网。
在底板腐蚀模拟及监测系统中，在下罐壁123的内壁上布置了多个声发射传感器40，声发射传感器40连接位于储罐外的内置声发射卡的分析装置。因为底板的腐蚀信号的传输路径是在储油腔41中，储油腔41中的液体会对腐蚀信号的传播造成减弱和干扰，所以底板腐蚀模拟及监测系统通过内置声发射卡的分析装置造成的主动发声结合被动听声来监测腐蚀缺陷，这样的监测方式充分利用了被动发声与主动发声的优点，增加了监测区域的面积，减少了信号干扰，能更加全面、细致的监测到不同的腐蚀缺陷。内置声发射卡的分析装置将从声发射传感器40传输过来的监测数据分析归类，并建立相应的参考数据库。
在储罐沉降模拟及监测系统中，撑力杆51控制储罐相对于竖直方向的倾斜角度。利用撑力杆51的长度调节来对储罐进行倾斜实验，模拟在储罐在移动或存放中各种因素引起的储罐倾斜，配合底板腐蚀监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统的监测，这样能得到更加全面监测数据。
本发明将底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统集成在一个实验平台进行实验研究，同时开发适用于储罐典型失效模式下的状态监测技术，这样形成了一套完整的对储罐的腐蚀、变形、沉降以及泄漏的实验装置。
参见图2，在更具体的实施方式中，盖板10和底板11均设置有法兰环，底板11和盖板10均通过法兰环与罐体12连接。再者，盖板10上设有多个把手13、贯穿盖板10的第一气孔11和第二气孔12。二次密封腔29通过第一气孔11和第二气孔12与外界连通，第一气孔11与第二气孔12的内壁上做了密封处理，这样在关闭气孔时，二次密封腔29不与外界发送气体交换。底板11上设有多个腐蚀坑，为了对腐蚀性缺陷进行详细实验研究，依据直径、深度、位置的不同将腐蚀性缺陷分类。
如图3所示，在底板11的腐蚀监测中因为底板11是可更换的，因此通过更换底板11来对腐蚀缺陷进行较为单一的多类型的底板11缺陷进行监测，避免了多种混合监测带来的数据混乱；还可以对不同材料的底板11进行缺陷监测，利用声发射器对这些不同的腐蚀却下内进行单独监测，以便于将不同的腐蚀监测结果进行对比分类。由于罐体12与底板11之间是通过法兰环连接，所以更换底板11较为方便，增加了实验的次数，提高了每次实验的效率。而为了提升更换底板11的方便性，下罐壁123的外表面沿圆周方向间隔布置有多个卡板111，在更换底板11时，可以通过抓取或撑起卡板111来方便地升起储罐，从而能够便捷地用新的底板11替换原来的底板11。
然后，丙烷气罐20的输气管28与氮气进气管27的第二端汇合为主进气管，主进气管的末端穿过上罐壁121与一次密封腔26连通；输气管28设有第一气阀开关23，氮气进气管27上设有第二气阀开关24。另外，上罐壁121上还设置有与一次密封腔26连通的出气管，出气管上设置有第三气阀开关25。第一气阀开关23用于控制丙烷气体的输入量；第二气阀开关24用于控制氮气进气管27的气体量，第三气阀开关25用于控制氮气出气管的气体量。
继而，出油孔71与进油孔70均设于下罐壁123上，用以连接储油腔41与外界；且进油孔70高于出油孔71。储油腔41通过进油孔70与出油孔71与外界连通，进油口与出油口的内壁上安装有可拆卸的滤油网，进油口与出油口还做了防静电处理，以免静电作用引起火花。
然后，多个声发射传感器40放置于等高间隔均布于下罐壁123的外表面上；声发射传感器40外设置有保护壳。多个声发射传感器40均布一圈，能全面监测到底板11的各个角落，不但提高了工作效率，而且使得测量信号的效果更加准确。声发射传感器40因为深入储油腔41中，为防止被腐蚀，所以声发射传感器40外设置有保护壳。
接着，底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统以及罐壁变形模拟及监测系统均与内置声发射卡的分析装置电连接。底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统的监测的数据都传输到内置声发射卡的分析装置中，便于将腐蚀、泄漏以及变形数据分类、建立数据库，并分析这三种监测数据之间的联系，形成对储罐的全面监测以及实时监控。
进一步地，撑力杆51可以为电动伸缩杆或液压缸，实验台底座52通过撑力杆51来调整储罐相对于竖直方向的倾斜角度。撑力杆51的驱动部分能够搭载无线模块，由无线远程控制伸缩长度，最大伸长的长度为0.2m，最大长度所对应的安装台相对于地面的倾斜角度为85°。
此外，下罐壁123上设置有观察孔60，观测孔60用于方便地观测储油腔41内油液的液位。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述集成实验平台包括：
储罐，所述储罐包括罐体、设于所述罐体的上方的盖板和可拆卸地设于所述罐体的下方的底板；所述罐体包括上罐壁、下罐壁以及分隔所述上罐壁与所述下罐壁的中间挡板；所述上罐壁内设置有弧形分隔板，所述弧形分隔板、所述中间挡板与所述上罐壁共同形成环形的一次密封腔，所述弧形分隔板、所述中间挡板与所述盖板共同形成二次密封腔；
油气泄漏监测系统，所述油气泄漏监测系统包括分别与所述一次密封腔连通的氮气进气管与丙烷气罐、用于对所述一次密封腔进行监测的第一油气浓度传感器以及用于对所述二次密封腔进行监测的第二油气浓度传感器；
罐壁变形模拟及监测系统，所述罐壁变形模拟及监测系统包括设于所述下罐壁的外表面上的光纤传感器以及两端均连接于所述下罐壁的内表面上的电动伸缩杆；
底板腐蚀模拟及监测系统，所述底板腐蚀模拟及监测系统包括设于所述下罐壁的外表面上的多个声发射传感器；
储罐沉降模拟及监测系统，所述储罐沉降模拟及监测系统包括设于底板的边缘上的多个沉降传感器、实验台底座以及设于所述实验台底座与所述底板之间的多个撑力杆。
2.如权利要求1所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述盖板和所述底板均设置有法兰环，所述底板和所述盖板均通过所述法兰环与所述罐体连接；所述盖板上设有多个把手、贯穿所述盖板的第一气孔和第二气孔；所述底板上设有多个腐蚀坑。
3.如权利要求1所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述丙烷气罐的输气管与所述氮气进气管汇合为主进气管，所述主进气管的末端穿过所述上罐壁与所述一次密封腔连通；所述输气管上设有第一气阀开关，所述氮气进气管上设有第二气阀开关。
4.如权利要求3所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述上罐壁上还设置有与所述一次密封腔连通的出气管，所述出气管上设置有第三气阀开关。
5.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述下罐壁上设置有出油孔与进油孔，且所述进油孔高于所述出油孔。
6.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述下罐壁的外表面沿圆周方向间隔布置有多个卡板。
7.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述声发射传感器等高等间隔环向安装于所述下罐壁的外表面上。
8.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述底板腐蚀模拟及监测系统、油气泄漏监测系统、罐壁变形模拟及监测系统以及储罐沉降模拟及监测系统均与内置声发射卡的分析装置电连接。
9.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述撑力杆为伸缩杆，所述实验台底座通过所述撑力杆来调整所述储罐相对于竖直方向的倾斜角度。
10.如权利要求1-4中任一项所述的用于储罐失效模拟及状态监测的集成实验平台，其特征在于，所述下罐壁上设置有观察孔。
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