徐 潛 王金成 張志謙 王勇奉 金 靖 李雄彥 魏金剛 耿 巖

(1.國核電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100022；2.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

為了滿足供熱需求，縮小峰谷能耗差距，常采用新建熱電廠和增建機(jī)組等方式，然而，這些傳統(tǒng)的措施并不能從根本上減少化石能源的使用和溫室氣體的排放，同時(shí)也增加了初始投資。在夜間低能耗時(shí)期，機(jī)組容量大于能耗，存在較大的過剩，不能及時(shí)消耗，在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，導(dǎo)致機(jī)組效率偏低。因此，我國在“六五”期間提出“以熱定電”的戰(zhàn)略，要求供熱單位優(yōu)先保證供熱期間的熱負(fù)荷供應(yīng)[1]?！耙詿岫姟钡倪\(yùn)行模式可以達(dá)到降低成本，提高經(jīng)濟(jì)性的目的。但此運(yùn)行方式會(huì)出現(xiàn)熱電耦合的現(xiàn)象，即低負(fù)荷時(shí)期發(fā)電過剩，高峰時(shí)期發(fā)電不足，該現(xiàn)象無法有效解決電力負(fù)荷的溫差問題，還將降低機(jī)組調(diào)峰能力。因此，我國現(xiàn)階段對(duì)用電峰谷差增大的不足也無法有效解決。

目前，國際上為解決上述問題采用的普遍做法是需求側(cè)管理[2-3]。常見的需求側(cè)管理措施包括：1)通過增加峰谷電價(jià)差，鼓勵(lì)用戶調(diào)整生活生產(chǎn)方式；2)改善電廠的集中供熱系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)，其中，設(shè)置大型熱水罐是解決上述問題的有效措施，但國內(nèi)對(duì)大型熱水儲(chǔ)能罐的研究較少。

熱水蓄熱技術(shù)是將可再生能源產(chǎn)生的暫時(shí)不必要的熱量或多余的電能在低熱耗期轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)以水作為載體儲(chǔ)存在熱水儲(chǔ)能罐中，以便在用熱高峰期時(shí)釋放和再利用熱量。

蓄熱技術(shù)[4]不但可以使在時(shí)間及空間上的能量供需不匹配問題得到有效解決，還可以帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。而熱水儲(chǔ)能罐在有效地解決了用戶用熱量的峰谷差問題的同時(shí)，又能使其建設(shè)費(fèi)用相較與調(diào)峰鍋爐房的建設(shè)費(fèi)用降低許多。由于國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展的差異，雖然蓄熱技術(shù)在國外熱電聯(lián)產(chǎn)電廠中已經(jīng)相對(duì)成熟，但在我國此項(xiàng)技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用，有些問題亟待解決，其中主要包括：

1)熱水流入/放出過程中，除去靜水壓力影響，過渡層移動(dòng)導(dǎo)致的罐體溫度應(yīng)力變化。

2)罐內(nèi)液體與罐壁應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系。

3)罐內(nèi)儲(chǔ)存不同溫度的水時(shí)，溫度作用對(duì)罐體各個(gè)部位的影響。解決這個(gè)問題，可以有效提高國民經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)建設(shè)環(huán)境保護(hù)型、資源節(jié)約型社會(huì)意義重大，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)能源合理分配利用，以提高能源的高效使用。

4)在清潔供暖方面，目前國內(nèi)鼓勵(lì)熱水儲(chǔ)能，因此熱水儲(chǔ)能罐的應(yīng)用前景十分廣闊。熱水儲(chǔ)能罐是靈活性改造工程的關(guān)鍵核心結(jié)構(gòu)，其重要性不言而喻。因此，有必要獲取蓄熱罐關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布情況，并達(dá)到對(duì)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行的安全性進(jìn)行有效檢驗(yàn)的目的，這就需要對(duì)大型熱水儲(chǔ)能罐進(jìn)行運(yùn)行期健康監(jiān)測(cè)。

5)大型熱水儲(chǔ)能罐健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)罐體和外壁的應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集的實(shí)際數(shù)據(jù)可用于與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)而指導(dǎo)其他項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降低罐壁厚度、降低工程量、降低工程造價(jià)的目的。

1 監(jiān)測(cè)方案介紹

1.1 熱水儲(chǔ)罐的工程概況

2016年6月14日，國家能源局組織召開了“提升火電靈活性改造示范試點(diǎn)工作啟動(dòng)會(huì)”。第一批試點(diǎn)確定了16個(gè)項(xiàng)目，其中國家電投有4個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目：本溪發(fā)電廠、東方發(fā)電廠、燕山湖發(fā)電廠和白城發(fā)電廠。本溪發(fā)電廠為新建項(xiàng)目，其他電廠為已投產(chǎn)工程。國內(nèi)第一個(gè)區(qū)域供熱蓄熱罐項(xiàng)目于2005年在左家莊供熱廠建設(shè)完成，目的是優(yōu)化北京市供熱系統(tǒng)，提高經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性和熱網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，減小能量損耗。罐體材質(zhì)為鋼材，罐體直徑23 m，高度25.2 m，總?cè)莘e為8 000 m3。根據(jù)目前初步計(jì)算，東方發(fā)電廠需要建設(shè)2個(gè)20 000 m3的熱水儲(chǔ)能罐。

該工程涉及的非錨固熱水儲(chǔ)罐為30 000 m3的立式圓柱形鋼制焊接無錨固熱水儲(chǔ)能罐，罐壁內(nèi)徑為31 m，整體罐高43.62 m。儲(chǔ)水罐主要由罐頂、罐壁、頂部加強(qiáng)圈、中部抗風(fēng)圈和罐底組成。罐頂厚度為6 mm，材料為Q345R鋼材，屈服強(qiáng)度σy=345 MPa。如表1所示，罐壁沿高度方向改變，罐壁最底端厚度為36 mm，從罐壁最底端開始每往上增加2.2 m，厚度就會(huì)減小2 mm，到罐壁最頂端厚度為8 mm。

表1 罐壁從下至上信息Table 1 Information of the tank wall from bottom to top

1.2 監(jiān)測(cè)目標(biāo)

通過監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施，對(duì)大型熱水儲(chǔ)罐在使用階段的安全性進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本目標(biāo)為：

1)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)，并主要面向系統(tǒng)的管理維護(hù)人員。其數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備較為完善的數(shù)據(jù)管理功能(如顯示、打印、存儲(chǔ)等)。

2)能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)外情況，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與分析結(jié)果應(yīng)可以及時(shí)地傳輸?shù)较嚓P(guān)技術(shù)人員的電腦中。

3)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)長期連續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。

4)針對(duì)關(guān)鍵部位的溫度、應(yīng)變、傾角以及周邊風(fēng)速盡量采用統(tǒng)一的采集系統(tǒng)，各種不同類型的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步采集；同步采集難度較大時(shí)，在不降低健康監(jiān)測(cè)有效性的前提下，可采用準(zhǔn)同步采集。

1.3 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

1.3.1應(yīng)變計(jì)選型

在應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，由于粘貼過程對(duì)測(cè)量結(jié)果影響非常大，且耐久性差，所以推薦選用振弦式應(yīng)變計(jì)[5]。振弦式應(yīng)變計(jì)同時(shí)具備溫度測(cè)量功能，一方面使應(yīng)變測(cè)量考慮了溫度補(bǔ)償，使測(cè)量更加準(zhǔn)確，另一方面也可與已有的溫度測(cè)點(diǎn)形成對(duì)照。

振弦式應(yīng)變計(jì)通過粘貼的方式固定在罐體表面，根據(jù)內(nèi)部振動(dòng)原理又分為“自動(dòng)諧振”和“拔振”兩種?！鞍握瘛闭裣覒?yīng)變計(jì)雖然體積小，但是價(jià)格昂貴；“自動(dòng)諧振”振弦應(yīng)變計(jì)精度也較高，同樣可以滿足監(jiān)測(cè)要求，考慮到焊接時(shí)罐體自然會(huì)形成熔池及對(duì)氫致裂紋敏感的區(qū)域，所以推薦選用粘貼式的方法，選用優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)黏接劑，耐久性很好?！鞍握瘛闭裣覒?yīng)變計(jì)的安裝效果如圖1所示。

圖1 拔振應(yīng)變計(jì)安裝效果Fig.1 Installation effect of pulling-vibration strain gauges

常規(guī)的振弦式應(yīng)變計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如表2所示，雖然常規(guī)溫度測(cè)量范圍為80 ℃，但可以經(jīng)過出廠參數(shù)調(diào)校，實(shí)現(xiàn)100 ℃以內(nèi)的溫度測(cè)量。

表2 振弦式應(yīng)變計(jì)的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of vibrational chord strain gauges

1.3.2測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)分為水平測(cè)點(diǎn)和豎向測(cè)點(diǎn)，水平測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)環(huán)向的應(yīng)變，豎向測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)豎向荷載作用下的應(yīng)變。在布置中，同時(shí)考慮安裝的可操作性，沿著爬梯在溫度測(cè)點(diǎn)附近布置。根據(jù)張靜對(duì)立式儲(chǔ)罐有限元分析的結(jié)果:下部承受的水壓力大于上部，所以下部的傳感器布置密集，上部稀疏，逐級(jí)遞減[6]。

1)對(duì)于豎向測(cè)點(diǎn)：

S2、S11、S18，大致相隔90°布置一個(gè)，以保證不同風(fēng)向時(shí)，不同角度的豎向變化均可監(jiān)測(cè)。

2)對(duì)于水平測(cè)點(diǎn)：

a.底部1 m高度處，在水壓力和水平荷載的共同作用下，該位置受力最大，是最易出現(xiàn)變形過大、屈曲等破壞的地方，故在該位置附近進(jìn)行加密布置，每1 m布置一個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：S1、S3、S4。

b.在抗風(fēng)圈(30 m)處是應(yīng)力和應(yīng)變較大的位置，罐頂與罐體交界處在風(fēng)荷載作用下應(yīng)力、應(yīng)變最大。所以，該位置布置傳感器S19。

c.罐頂在頂部恒荷載、風(fēng)荷載作用下，受力較大，所以在罐頂相隔90°的兩個(gè)位置布置測(cè)點(diǎn)S23、S25，方向?yàn)檠刂揄攺较颉?/p>

d.其他位置的傳感器布置按照?qǐng)D2所示進(jìn)行，安裝坐標(biāo)可參照溫度測(cè)點(diǎn)名稱及位置。

圖2 儲(chǔ)水罐傳感器布置 mmFig.2 Sensor arrangements of the water storage tank

1.3.3應(yīng)變計(jì)安裝

BGK-4000應(yīng)變計(jì)[7]的溫度膨脹系數(shù)與鋼結(jié)構(gòu)的相同，因此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)無需進(jìn)行溫度修正，并且內(nèi)部有溫度傳感器，可以同時(shí)測(cè)出安裝處的溫度值，此振弦式應(yīng)變計(jì)具有良好的防水性和耐腐蝕性，而且在惡劣的環(huán)境下依然可以長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度。一般安裝在結(jié)構(gòu)的表面，易于操作，簡單實(shí)用，精確度與靈敏度很高，非常適合在此工程中監(jiān)測(cè)使用。

1)應(yīng)變計(jì)驗(yàn)收。收到應(yīng)變計(jì)后,對(duì)其進(jìn)行測(cè)試檢查，確保讀數(shù)在正常范圍內(nèi)。

2)電纜連接加長。電纜安裝前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況連接和加長[8]，電纜長度的變化不會(huì)影響振弦儀輸出信號(hào)的頻率，對(duì)采集數(shù)據(jù)值沒有影響。但要注意避免電纜接頭埋在土壤中，若無法避免，也應(yīng)該使用防水接頭。有接頭時(shí)，焊接后，為避免接頭處出現(xiàn)短路、開路等問題必須測(cè)量芯線間電纜的電阻，并用讀數(shù)儀器進(jìn)行讀數(shù)檢查，排除異常。

3)傳感器的粘貼。在粘貼前，應(yīng)在罐體表面粘貼處做好標(biāo)記。打磨掉墊塊要粘貼位置的涂層，用酒精擦拭，使表面平整光滑；將結(jié)構(gòu)膠涂于墊塊的粘貼面，然后在膠水表面迅速噴一次促進(jìn)劑，加速黏接，其次迅速將墊塊粘貼于指定位置，可用長165 mm、直徑12 mm的安裝桿進(jìn)行定位。

a.兩個(gè)墊塊黏接好后，將應(yīng)變桿穿入其中。b.將線圈卡在應(yīng)變計(jì)中部，固定卡箍。c.先將應(yīng)變計(jì)的一端用螺釘固定，然后固定另一端螺絲，此時(shí)應(yīng)變測(cè)量范圍默認(rèn)在(-1.5～1.5)×10-3。d.根據(jù)需要設(shè)置保護(hù)罩，避免應(yīng)變計(jì)破壞。保護(hù)罩粘貼于罐體表面、應(yīng)變計(jì)外側(cè)，防止外部擠壓變形。

4)應(yīng)變計(jì)編號(hào)。應(yīng)變計(jì)安裝就位后，應(yīng)按照?qǐng)D2的編號(hào)順序，在線的端部貼上對(duì)應(yīng)的編號(hào)標(biāo)簽，以便于連接采集儀時(shí)與通道對(duì)應(yīng)。

5)讀數(shù)檢查。BGK-4000應(yīng)變計(jì)讀數(shù)R0范圍一般在(0.4～1.2)×10-3，按照經(jīng)驗(yàn)應(yīng)該在0.8×10-3左右。

6)現(xiàn)場(chǎng)安裝。首先對(duì)應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)定位、打磨，然后使用結(jié)構(gòu)膠粘貼至罐體表面，待粘貼牢固后安裝保護(hù)殼，將線連接至采集儀器即可。

1.4 風(fēng)速監(jiān)測(cè)

風(fēng)速與罐體表面受力及罐體與環(huán)境的對(duì)流換熱密切相關(guān)，監(jiān)測(cè)風(fēng)速有利于掌握當(dāng)日的氣象條件，如果風(fēng)荷載超出設(shè)計(jì)荷載，就需要運(yùn)營人員及時(shí)采取措施，對(duì)罐體進(jìn)行保護(hù)，防止災(zāi)害發(fā)生，保證儲(chǔ)罐健康運(yùn)行。

1.4.1風(fēng)速計(jì)的選擇

風(fēng)速的測(cè)量擬采用二維機(jī)械螺旋槳式風(fēng)速儀。二維機(jī)械螺旋槳式風(fēng)速儀采用EL15-1A風(fēng)速計(jì)和EL15-2D風(fēng)向計(jì)。EL15-1A風(fēng)速計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、靈敏性高、啟動(dòng)風(fēng)速低。三個(gè)輕質(zhì)錐形風(fēng)杯組成風(fēng)速計(jì)的感應(yīng)部分，在工作范圍內(nèi)能提供良好的線性，最大風(fēng)速能達(dá)到60 m/s。主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 風(fēng)速儀的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of anemometer

1.4.2風(fēng)速計(jì)的安裝和使用

安裝前應(yīng)該對(duì)風(fēng)速感應(yīng)器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試，保證安裝的風(fēng)速計(jì)是正常的，才可進(jìn)行安裝。測(cè)風(fēng)儀器需安裝在開闊的地方，要求安裝平穩(wěn)、不傾斜。風(fēng)速計(jì)應(yīng)定期維護(hù)，工作時(shí)間長了，軸承就會(huì)出現(xiàn)磨損而造成測(cè)量值不準(zhǔn)確。儀器或受到嚴(yán)重污染，使得轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件的縫隙堵塞，從而加大摩擦，故需對(duì)積聚的污垢進(jìn)行定期清除。

1.5 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

1.5.1數(shù)據(jù)采集

BGK-Micro-40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀，不僅可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變采集，還可以附加一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，進(jìn)行傾角計(jì)的數(shù)據(jù)采集。本工程推薦使用其作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

BGK-Micro-40數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[9]采用最新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是基于現(xiàn)代通信技術(shù)推出的新一代工程安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由振弦式應(yīng)變計(jì)、傳感器、BGK-Micro-40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀、基康云平臺(tái)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集軟件等組成，如圖3所示。在采集儀上增加了無線傳輸模塊，可完成此類工程的自動(dòng)測(cè)量采集、數(shù)據(jù)處理、圖表制作等工作。此外，電源、通信接口及每個(gè)測(cè)量通道都具有防雷功能。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意Fig.3 The schematic diagram of the data acquisition system

1.5.2數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集系數(shù)既可以通過RS485串口直接連接電腦獲取數(shù)據(jù)，也可以增加無線通信模塊，使用基康云平臺(tái)，網(wǎng)頁瀏覽器登錄在線接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)在于可以無須在現(xiàn)場(chǎng)就能監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)或采集儀異常。

1.5.3采集儀設(shè)置

與BGK-4000應(yīng)變計(jì)搭配使用的讀數(shù)儀采用BGK-408型[10]，讀數(shù)時(shí)使用“℃”檔。應(yīng)變算式如式(1)：

ε=GC(R1-R0)

(1)

式中：ε為應(yīng)變；G為儀器標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，3.7×10-6；C為平均修正系數(shù)(通常在0.95～1.05，由率定表給定)；R1為當(dāng)前讀數(shù)，字；R0為初始讀數(shù)。

安裝在鋼結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)變計(jì)，因?yàn)殇撓遗c鋼板之間膨脹系數(shù)相同，通常不用再進(jìn)行溫度修正。因此，在參數(shù)設(shè)定中，應(yīng)先讀取應(yīng)變計(jì)出廠參數(shù)中的G值和C值，然后計(jì)算G×C，作為軟件中的G值，軟件中C值為0，K為0，R0、T0為讀數(shù)初值。

1.5.4線纜布置

線纜布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，因地制宜。走線形式類似于“扎辮子”的方式，沿著已布置的溫度傳感器的線槽，環(huán)向走線，使線纜平整，走向明確，彼此之間不交叉，采集儀布置于管廊附近的框架上，減少線材的消耗。

2 監(jiān)測(cè)過程介紹與數(shù)據(jù)采集

大型熱水儲(chǔ)能罐健康監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)罐體外壁的應(yīng)變、應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集的實(shí)際數(shù)據(jù)可用于與模擬結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果可用于其他項(xiàng)目的優(yōu)化，從而降低罐壁厚度，降低工程量，從而降低工程造價(jià)。

為了檢驗(yàn)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的合理性，以及儲(chǔ)罐運(yùn)行過程中的安全性，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試，采集的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)可以反映出蓄熱罐的應(yīng)力分布情況，通過數(shù)據(jù)處理，可以得到罐壁沿高度方向的應(yīng)力、應(yīng)變情況和溫度變化情況，以及溫度對(duì)測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)變的影響，也可與有限元模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證理論分析是否正確。

1)首先設(shè)計(jì)一套合理的方案是前提，監(jiān)測(cè)應(yīng)變、溫度、風(fēng)速，本方案首先設(shè)計(jì)不同的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分為水平測(cè)點(diǎn)和豎向測(cè)點(diǎn)，水平測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)環(huán)向的應(yīng)變，豎向測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)豎向荷載作用下的應(yīng)變。在布置傳感器時(shí)，考慮到安裝的可操作性，沿著爬梯在溫度測(cè)點(diǎn)附近布置。根據(jù)其他學(xué)者對(duì)儲(chǔ)罐的力學(xué)特性研究，下部承受的水壓力大于上部，所以總體上，下部的傳感器布置密集，上部稀疏，逐級(jí)遞減。然后安裝應(yīng)變計(jì)和傳感器，便于后期數(shù)據(jù)的采集。

2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用BGK-Micro-40自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀。完成系統(tǒng)安裝之后，經(jīng)過一段時(shí)間的連接調(diào)試，使系統(tǒng)的采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和罐區(qū)監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)設(shè)備連接成整套系統(tǒng)。

3)采集周期設(shè)置為30 min一次，應(yīng)變溫度同步采集，從11月供暖期開始監(jiān)測(cè)到3月供暖期結(jié)束為一個(gè)采集周期。將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，整理分類，然后從處理后的數(shù)據(jù)中找出規(guī)律，掌握罐壁應(yīng)力分布狀態(tài)并與有限元結(jié)果進(jìn)行比較，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出的客觀規(guī)律去驗(yàn)證模擬分析的可行性，為儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

3 實(shí)測(cè)值與有限元模擬對(duì)比驗(yàn)證

3.1 實(shí)測(cè)值分析

利用前文所述監(jiān)測(cè)方案，對(duì)通遼熱水儲(chǔ)能罐項(xiàng)目進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到了不同時(shí)間段內(nèi)罐壁應(yīng)力沿高度變化的曲線如圖4所示，其中各數(shù)值均為以天為單位所取的取平均值。同時(shí)，在罐底也布置了相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)這兩處豎向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

2月26—3月11日；2月11—25日；1月26—2月10日；1月11—25日；12月26—1月10日；12月1—14日；11月10—30日。圖4 罐壁環(huán)向應(yīng)力隨高度變化曲線Fig.4 Variation curves of hoop stress in the tank wall along height

a—罐底環(huán)向應(yīng)力；b—罐底豎向應(yīng)力。圖5 罐底實(shí)測(cè)應(yīng)力Fig.5 Measured stress of the tank bottom

由圖4 可知:在11月10—30日，罐壁環(huán)向應(yīng)力基本為0，上部約為15 MPa，這是由于此階段屬于空罐狀態(tài)，之后才慢慢注水到正常運(yùn)行；儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行階段，沿罐壁方向，罐壁底部環(huán)向應(yīng)力是85 MPa左右，環(huán)向應(yīng)力最大值在170～190 MPa波動(dòng)，出現(xiàn)在距離罐底2.2 m左右的位置，隨著高度增加，應(yīng)力波動(dòng)減小，罐壁頂部應(yīng)力在40 MPa左右。

從圖5a 中可以看出:在正常運(yùn)行情況下，罐底的環(huán)向應(yīng)力在78～95 MPa (受拉) 之間波動(dòng)，受風(fēng)荷載、溫度、測(cè)點(diǎn)位置等眾多因素影響，波動(dòng)是正常的，平均值在85 MPa(受拉)左右，取作參考值。圖5b 中顯示豎向應(yīng)力在9～33 MPa(受拉)范圍內(nèi)，平均值為25 MPa(受拉)左右，取作參考值。由于受罐底約束，罐壁最大環(huán)向應(yīng)力在距離罐底高度2.2 m左右，此處向外變形膨脹，導(dǎo)致罐壁底部豎向受拉。

3.2 有限元模擬驗(yàn)證

圖6為剛性約束、綁定約束和彈性接觸三種不同底部約束條件下罐壁環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力模擬值。由圖6a可以看出，對(duì)于三種不同約束的模型，罐壁的環(huán)向應(yīng)力最大值都為170 MPa左右，在距離罐底面高度2.2 m左右的位置，與實(shí)測(cè)值較為接近，雖然由于模型罐壁上部沒有抗風(fēng)圈、加強(qiáng)圈，使得模擬應(yīng)力值偏大，但整體上與環(huán)向應(yīng)力實(shí)測(cè)值變化規(guī)律一致。對(duì)于罐底部的環(huán)向應(yīng)力，底部剛性約束下為98 MPa(受拉)，比實(shí)測(cè)值大15%左右；底部綁定約束下，環(huán)向應(yīng)力為94 MPa，比實(shí)測(cè)值大10%；而在底部摩擦約束的條件下，底部環(huán)向應(yīng)力89 MPa，與實(shí)測(cè)值最為接近。

由圖6b可以看出，底部剛性約束條件下，距離罐底較近位置豎向應(yīng)力(受拉)為123 MPa，在高度2.2 m左右位置豎向應(yīng)力(受壓)為66 MPa左右，即罐壁底部應(yīng)力發(fā)生很大突變；底部綁定約束情況下，距離底部較近位置豎向應(yīng)力(受拉)為105 MPa，距地面2.2 m處豎向應(yīng)力最大值(受壓)為65 MPa；底部摩擦接觸約束在罐壁底部較近處豎向應(yīng)力(受拉)為23 MPa，2.2 m高度處最大值達(dá)到63 MPa，因此在摩擦接觸約束下的模擬值與實(shí)測(cè)值比較接近。

a—罐壁環(huán)向應(yīng)力模擬值；b—罐壁豎向應(yīng)力模擬值。底部摩擦接觸約束；底部綁定約束；底部剛定約束。圖6 罐壁應(yīng)力模擬值Fig.6 Simulation values of stress in the tank wall

圖7為三種不同約束條件下，ABAQUS有限元模型的罐底變形情況，可以看出，在罐底采用摩擦接觸建模的情況下，罐底的變形更符合實(shí)際翹曲情況，而其他兩者建模，底部變形情況均未能得到較好體現(xiàn)。

a—底部剛定約束；b—底部摩擦接觸約束；c—底部綁定約束。圖7 不同約束條件底部變形Fig.7 The bottom deformation in different constraint cases

綜上所述可知，當(dāng)罐底約束條件為摩擦接觸時(shí)，應(yīng)力模擬值和罐底變形與實(shí)際情況更為接近，為此，建議選用底部摩擦接觸約束模型進(jìn)行儲(chǔ)能罐力學(xué)特性的模擬分析。

4 結(jié)束語

基于通遼儲(chǔ)水罐項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)的健康監(jiān)測(cè)方案，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)在滿足監(jiān)測(cè)目的的前提下，要保證傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量是足夠的，任何測(cè)點(diǎn)的布設(shè)都是有意義的；不僅節(jié)省儀器設(shè)備、減少通信量、避免人力財(cái)力浪費(fèi)，而且還使監(jiān)測(cè)工作重點(diǎn)突出。

2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)能測(cè)量結(jié)構(gòu)的最大位移以及最大應(yīng)力、應(yīng)變，反映結(jié)構(gòu)的受力特性。為保證觀測(cè)結(jié)果的可靠性，有必要布置一定數(shù)量的校核性監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置要求觀測(cè)點(diǎn)與儲(chǔ)水罐結(jié)構(gòu)牢固結(jié)合，并且能長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

3)罐壁和罐底應(yīng)力實(shí)測(cè)值與底部約束為摩擦接觸的有限元模擬結(jié)果最為接近，且該約束條件下的罐底變形更符合實(shí)際情況，因此，對(duì)于此類非錨固立式儲(chǔ)罐的有限元建模宜采用摩擦接觸約束，建議摩擦系數(shù)取0.2，同時(shí)也驗(yàn)證了健康監(jiān)測(cè)方案的合理性和有限元模型的正確性。

4)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可對(duì)儲(chǔ)能罐特定部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理減少用鋼量，降低工程造價(jià)，提高工程建設(shè)企業(yè)在該領(lǐng)域的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)我國儲(chǔ)能罐的設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。