一种LNG储罐智能预应力系统及方法

技术领域

本发明涉及一种LNG储罐结构技术领域，特别是关于一种LNG储罐智能预应力系统及方法。

背景技术

液化天然气（LNG）清洁高效，应用范围广，是国家近年来大力推广的新能源之一。LNG储罐是接收站内最重要和投资最大的单体结构，内部存储大量超低温液化天然气，其结构稳定性在建设和运营阶段至关重要，直接影响接收站和周围环境的安全。全包容LNG储罐外罐在内罐泄漏的工况下保证LNG不发生外泄，直接承受巨大的温度和压力荷载。预应力系统分为环向预应力系统和竖向预应力系统，能够在泄漏工况下提供环向压力抵消部分液压，提供竖向压力保证混凝土外罐不发生贯穿裂缝，对LNG储罐外罐在极端工况下的安全稳定具有很重要意义。另一方面，预应力系统在施工和运营阶段，受到长距离孔道摩擦、锚具变形和混凝土收缩徐变等因素的影响，预应力会不断损失，对极端工况下LNG储罐外罐的保护作用减弱。此外，LNG储罐多位于海边，长期处于盐雾环境中，预应力系统易受到高强度腐蚀。

LNG储罐重要性等级极高，对极端工况下外罐裂缝控制严格，在施工和运营阶段对预应力系统状态的评估具有重要意义，目前针对LNG储罐预应力系统健康状态的感知手段和工程化应用较少，无法实现智能化感知，难以提供实测数据用于判断预应力系统安全健康状态，亟需丰富预应力系统功能，实现系统智能化和状态自感知。传统预应力系统的不足如下：

1、LNG储罐传统预应力系统无法在运营阶段感知预应力松弛情况。2、LNG储罐传统预应力系统无法在灌浆施工阶段感知水泥浆水化热演化规律。3、传统监测系统寿命有限，无法满足LNG储罐预应力系统全生命周期的使用要求。4、LNG储罐内部存储大量超低温液化天然气，对结构内部和附近区域设施设备的防爆等级要求极高。传统监测系统多采用通过电信号传递信息的传感技术，这些技术应用于LNG储罐结构监测存在安全风险。5、出于安全性和便利性考虑，LNG储罐通常选址于远离人员聚集区域的海边，长期处于盐雾环境中，对于监测系统的抗腐蚀性提出了更高的要求，传统监测系统多采用金属材质的传感器和数据传输线路，难以满足LNG储罐结构全寿命周期的监测和评估需求。6、LNG储罐预应力系统总长度超过20000m，若使用传统结构状态感知技术，海量的传感器数据线无法处理，不具备可行性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种LNG储罐智能预应力系统及方法，其能解决传统预应力系统无法实现全生命周期结构状态自感知监测、传统监测手段安全性低、耐腐蚀性差和无法实现大范围监测等缺点，实现预应力系统的智能化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种LNG储罐智能预应力系统，其包括：LNG储罐承台、LNG储罐墙体、预应力筋、分布式光纤传感器和锚具；预应力筋设置为多根；LNG储罐承台设置在LNG储罐墙体的底部，预应力筋贯穿设置在LNG储罐承台和LNG储罐墙体内，分布式光纤传感器安装在预应力筋上；预应力筋的两端分别通过锚具安装在LNG储罐承台和LNG储罐墙体的端部。

进一步，预应力筋包括环向预应力钢筋和竖向预应力筋，分布式光纤传感器包括环向分布式光纤传感器和竖向分布式光纤传感器；环向分布式光纤传感器安装在环向预应力钢筋上，竖向分布式光纤传感器安装在竖向预应力筋上。

进一步，还包括采集仪和LNG储罐智能化结构监测系统；所有的分布式光纤传感器最终集成至监测系统线路，汇集成主线缆引至采集仪；采集仪将采集到的桩基应力应变状态参数和温度数据传输至LNG储罐结构智能化监测系统。

进一步，分布式光纤传感器与预应力筋的连接方式为沿预应力筋敷设或随预应力钢丝绞入预应力钢绞线。

一种用于实现上述LNG储罐智能预应力系统的施工方法，其包括：确定环向预应力筋和竖向预应力筋的数量、位置以及结构形式，并安装分布式光纤传感器；对金属波纹管进行抗渗漏试验，并对预应力筋进行应力张拉及灌浆；分布式光纤传感器从LNG储罐承台或LNG储罐墙体侧边出线，根据现场作业条件，对出露的横向分布式光纤传感器进行保护，并标识位置；待监测装置安装完成后，释放引线光缆，熔接测试跳线，与光纤解调仪相连进行测试；分布式光纤传感器最终集成到监测系统线路，汇集成主线缆引至监测站，引至采集仪，采集到的桩基应力应变状态参数和温度数据传输至LNG储罐结构智能化监测系统，实现预应力系统的状态自感知和智能化。

进一步，分布式光纤传感器在“U”形过弯处和熔接处，需采用松套管保护，光缆弯曲半径不小于5cm；当LNG储罐承台需要破坏重做时，分布式光纤传感器采用高强度的桩头保护钢管、PVC管进行保护，保护深度须大于预定破坏深度。

进一步，对预应力筋进行应力张拉，包括：

气压升顶前由下至上张拉下层环梁环向预应力筋，在穹顶混凝土浇筑前由下至上张拉上层环梁环向预应力筋；

首先对临时施工洞口范围以外的所有竖向预应力筋进行竖向预应力张拉；再对临时施工洞口以上的环向预应力筋进行水平预应力张拉；最后对临时施工洞口区域的环向预应力筋和竖向预应力筋进行竖向预应力张拉和水平预应力张拉。

进一步，竖向预应力筋为一端张拉，水平预应力筋为两端张拉。

进一步，灌浆应在预应力筋张拉后14天内进行，竖向预应力筋灌浆从底部灌浆，从底部灌浆孔进浆至顶部出浆孔排除稠浆；环向预应力筋从预应力筋一端进浆至另一端排除稠浆。

进一步，分布式光纤传感器在储罐预应力系统施工阶段或钢绞线制作阶段安装布设于预应力筋上：

采用固定在预应力筋一侧被同时灌浆浇筑于墙体结构内部，或随钢丝绞入预应力筋内部后施工。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的LNG储罐智能预应力系统安全稳定，耐久性好，造价低廉，能够实现预应力系统应力应变等参数自感知和结构智能化。

2、本发明的LNG储罐智能预应力系统能够在LNG储罐全生命周期监测预应力损失。

3、本发明的LNG储罐智能预应力系统环境适应能力强，能够适应低温和腐蚀性环境工况。

4、本发明的LNG储罐智能预应力系统能够实现灌浆施工阶段大范围温度监测。

5、本发明的LNG储罐智能预应力系统中监测系统安装于预应力筋上，并被浇筑在混凝土中，能够在施工和运营阶段得到有效的保护。

6、本发明的LNG储罐预应力系统是LNG储罐结构智能化的枢纽和重要组成，有助于实现LNG储罐结构状态预测和剩余寿命评估。

附图说明

图1是本发明实施例中LNG储罐智能预应力系统平面示意图；

图2是本发明实施例中LNG储罐智能预应力系统剖面示意图；

图3是本发明实施例中LNG储罐智能预应力系统锚具及光纤布置图；

附图标记：

1-LNG储罐承台、2-LNG储罐墙体、3-预应力筋、31-环向预应力筋、32-竖向预应力筋、4-分布式光纤传感器、41-环向分布式光纤传感器、42-竖向分布式光纤传感器、5-灌浆帽、6-工作夹片、7-工作锚板、8-锚垫板、9-螺旋筋、10-喇叭管、11-金属波纹管、12-采集仪、13-LNG储罐智能化结构监测系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为解决现有技术中的各种不足，本发明提出一种LNG储罐智能预应力系统及方法，包括预应力钢绞线、分布式光纤传感器、采集仪、喇叭管、螺旋筋、锚垫板、工作锚板、工作夹片和灌浆帽。将分布式光纤沿预应力钢绞线敷设，并浇筑在结构中，实现从施工到运营全寿命周期的结构状态智能化感知。本发明能够实现LNG储罐预应力系统的智能化和自感知，实现全生命周期高效可行的结构状态监测，支持储罐安全可靠运行。

本发明设计合理，智能化程度高，运行安全稳定高效。在预应力系统内部安装环向和竖向分布式光纤传感器，布设方案高效合理，回路数量少，实现结构应力、应变和温度自感知，决传统预应力系统无法实现全生命周期结构状态自感知监测、传统监测手段安全性低、耐腐蚀性差和无法实现大范围监测等缺点，实现预应力系统的智能化。

在本发明的一个实施例中，提供一种LNG储罐智能预应力系统。本实施例中，如图1、图2所示，该LNG储罐智能预应力系统包括：LNG储罐承台1、LNG储罐墙体2、预应力筋3、分布式光纤传感器4和锚具；其中，预应力筋3设置为多根。

LNG储罐承台1设置在LNG储罐墙体2的底部，预应力筋3贯穿设置在LNG储罐承台1和LNG储罐墙体2内，分布式光纤传感器4安装在预应力筋3上；预应力筋3的两端分别通过锚具安装在LNG储罐承台1和LNG储罐墙体2的端部。

上述实施例中，预应力筋3包括环向预应力钢筋31和竖向预应力筋32，分布式光纤传感器4包括环向分布式光纤传感器41和竖向分布式光纤传感器42。环向分布式光纤传感器41安装在环向预应力钢筋31上，竖向分布式光纤传感器42安装在竖向预应力筋32上。

上述实施例中，如图3所示，锚具包括灌浆帽5、工作夹片6、工作锚板7、锚垫板8、螺旋筋9、喇叭管10和金属波纹管11。喇叭管10套设在预应力筋3的端部，预应力筋3从喇叭管10的细口端穿入，从粗口端穿出。位于喇叭管10的细口端外部设置有金属波纹管11；位于喇叭管10的粗口端外侧设置有锚垫板8，在粗口端端部设置有工作锚板7，工作锚板7固定在锚垫板8上，预应力筋3的端部穿过工作锚板7并与工作锚板7之间设置有工作夹片6。在喇叭管10的粗口端外侧及锚垫板8外侧设置有螺旋筋9。

其中，预应力筋3、分布式光纤传感器4、灌浆帽5、工作夹片6、工作锚板7、锚垫板8、螺旋筋9、喇叭管10和金属波纹管11均浇筑于LNG储罐承台1和LNG储罐墙体2内。

在本实施例中，金属波纹管11和灌浆料为一般预应力系统组成部分，不作为本发明的核心组件。

上述实施例中，本发明的LNG储罐智能预应力系统还包括采集仪12和LNG储罐智能化结构监测系统13。所有的分布式光纤传感器4最终集成至监测系统线路，汇集成主线缆引至采集仪12；采集仪12将采集到的桩基应力应变等状态参数和温度数据通过数据采集系统进入LNG储罐结构智能化监测系统13，实现预应力系统的状态自感知和智能化。

上述实施例中，预应力筋3的总长度为100m~50000m。

上述实施例中，环向预应力钢筋31和竖向预应力筋31可以为1×2、1×3、1×3I、1×7、1×7I、（1×7）C、1×19S、1×19W形式。

上述实施例中，锚具上开设有用于预应力筋3穿过的通孔，本实施例中，孔数为1~37孔。

上述实施例中，分布式光纤传感器4为一条或多条。

上述实施例中，分布式光纤传感器4与预应力筋3的连接方式为沿预应力筋3敷设或随预应力钢丝绞入预应力钢绞线。

上述实施例中，分布式光纤传感器4的传感技术包括分布式光纤感测技术、密集分布式光纤光栅感测技术和弱光纤光栅技术等。

上述实施例中，分布式光纤传感器4的外部采用铠衣包裹，保证光纤在施工和运营阶段的安全，不会被轻易扯断。

上述实施例中，本发明的智能环向预应力系统沿LNG储罐墙体环向布置，2根处于同一水平面的智能环向预应力筋各自覆盖180°圆心角，合抱LNG储罐一个整环，在扶壁柱处对接。

上述实施例中，智能竖向预应力系统沿LNG储罐墙体竖向布置，为单根通长布置或U型布置。

上述实施例中，分布式光纤传感器4的光纤从LNG储罐承台1和LNG储罐墙体2扶壁柱侧面引至监测站，并最终引至解调设备和LNG储罐结构智能监测系统。

上述实施例中，本发明的LNG储罐智能预应力系统，采用后张法施工。

综上，本发明在使用时，LNG储罐智能预应力系统可自感知预应力筋及周围水泥浆的应变、应力和温度等状态参数。LNG储罐智能预应力系统得到的监测数据能够定量评估，为制定LNG储罐运营策略提供支持。

在本发明的一个实施例中，提供一种LNG储罐智能预应力系统的施工方法。本实施例中，该施工方法包括以下步骤：

1）设计智能预应力系统，确定环向预应力筋31和竖向预应力筋32的数量、位置以及结构形式，并安装分布式光纤传感器4；

如图1所示，为LNG储罐智能预应力系统平面示意图，环向分布式光纤传感器41和竖向分布式光纤传感器42可分别形成多条回路，或者形成一条总体回路。

环向和竖向分布式光纤传感器回路中，环向分布式光纤传感器4-1安装在环向预应力钢筋3-1上，竖向分布式光纤传感器4-2安装在竖向预应力筋3-1上，通过工作锚板7或锚垫板8伸出。其中分布式光纤传感器4在LNG储罐结构内部或外部熔接。

2）对金属波纹管11进行抗渗漏试验，并对预应力筋3进行应力张拉及灌浆；

具体的，对预应力筋3进行应力张拉，包括以下步骤：

2.1）气压升顶前由下至上张拉下层环梁环向预应力筋31，在穹顶混凝土浇筑前由下至上张拉上层环梁环向预应力筋31。预应力张拉前，环梁混凝土立方体抗压强度需不低于设计强度的80%。

2.2）首先对临时施工洞口范围以外的所有竖向预应力筋32进行竖向预应力张拉；再对临时施工洞口以上的环向预应力筋31进行水平预应力张拉；最后对临时施工洞口区域的环向预应力筋31和竖向预应力筋32进行竖向预应力张拉和水平预应力张拉。

本实施例中，竖向预应力筋32为一端张拉，水平预应力筋31为两端张拉。

本实施例中，灌浆应在预应力筋3张拉后14天内进行，竖向预应力筋32灌浆从底部灌浆，从底部灌浆孔进浆至顶部出浆孔排除稠浆。灌浆时，预应力筋3底端安装永久性灌浆帽5，顶端安装临时性灌浆帽5。环向预应力筋31从预应力筋3一端进浆至另一端排除稠浆。灌浆时，两端安装临时性灌浆帽5。

3）分布式光纤传感器4从LNG储罐承台1或LNG储罐墙体2侧边出线。为保证长期监测需求，应根据现场作业条件，对出露的横向分布式光纤传感器4采用钢护筒、铁箱等进行保护，并标识位置。

4）待监测装置安装完成后，释放引线光缆，熔接测试跳线，与光纤解调仪相连进行测试。根据熔接机显示损耗评估熔接质量，分布式光纤传感器4熔接显示损耗不大于0.02db，熔接点进行套管保护。

5）分布式光纤传感器4最终集成到监测系统线路，汇集成主线缆引至监测站，引至采集仪12。采集到的桩基应力应变等状态参数和温度数据通过数据采集系统进入LNG储罐结构智能化监测系统13，实现预应力系统的状态自感知和智能化。

上述步骤1）中，分布式光纤传感器4在“U”形过弯处和熔接处，需采用松套管保护，防止分布式光纤传感器4过度弯折，光缆弯曲半径不小于5cm。当混凝土制成的LNG储罐承台1需要破坏重做时，分布式光纤传感器4应采用强度较高的桩头保护钢管、PVC管等进行保护，保护深度须大于预定破坏深度。

上述步骤1）中，安装分布式光纤传感器4，具体方法为：测量放线、敷设分布式光纤传感器4、绑扎固定和复测。

其中，分布式光纤传感器4沿预应力筋3绑扎固定，固定间距1-2m，应保证传感光缆与钢筋笔直贴合，不得有弯曲、凸起现象。

本实施例中，储罐智能预应力系统预应力筋3数量多，长度长，无法与分布式光纤传感器4的敷设顺序协调时，根据布置方案提前预留分布式光纤传感器4，并做好保护工作。

本实施例中，智能预应力系统内部的分布式光纤传感器4采用专用光缆接续，光缆接头可采用热缩管密封光缆接头方法，其步骤如下：

（1）用美工刀和斜口剪将光缆接头处的护套及加强件去掉；

（2）用剥线剪将光纤的涂敷层及包层剥除，使一定长度的光纤纤芯裸露在外；

（3）用切割刀切割光纤纤芯，使光纤接口平整；

（4）在一端光纤接头处套上热缩管，用熔纤机将光纤两接头熔合，用热缩管热缩保护后完成熔接；

（5）对于存在破坏条件的环境，熔接过程中应使用熔接保护管进行加强保护。

本实施例中，分布式光纤传感器4安装过程中，应加强传感光缆布设质量的控制，经常性采用红光笔进行光缆完整性检测；传感光缆安装完成后或在不可逆步骤实施之前，采用OTDR或分布式数据采集设备进行质量检测。

上述实施例中，分布式光纤传感器4在储罐预应力系统施工阶段或钢绞线制作阶段安装布设于预应力筋上，具体形式为固定在预应力筋一侧被同时灌浆浇筑于墙体结构内部或随钢丝绞入预应力筋内部后施工。

综上，本发明使用时，能够在预应力灌浆施工阶段感知整个结构温度变化情况，分析水化热演变规律，还能够在LNG储罐全生命周期感知预应力筋应变和应力，分析预应力损失规律。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。