本发明涉及塔设备安全监测与预警方法，属于安全生产领域，尤其涉及一种细长塔设备倾角在线监测及智能风险预警方法。
背景技术：
塔设备是化工、石化行业中重要的传质设备，在整套工艺设备中所消耗的钢材和造价占比非常高，有的甚至近50％。为提高经济效益降低生产成本，塔设备向大型化、高径比h/d(h为塔高，mm；d为塔外径，mm)大的方向发展。高径比大的塔设备在风载荷为主导的组合风弯矩作用下易产生大幅度挠曲变形，引起较大的轴向截面应力。若塔体挠曲变形超过许用值将会严重影响其工艺过程稳定性和安全性，并可能引发塔体局部应力集中、危险截面焊缝开裂甚至塔体断裂倾覆等安全问题。
塔体沿高度方向有等直径等壁厚、等直径不等壁厚、不等直径不等壁厚多种结构形式。塔体需要进行应力校核的危险截面有:基础环板上表面的裙座壳体横截面、裙座最大开孔处的壳体截面、裙座与壳体焊接接头截面、不等直径塔变截面交界处塔壳横截面、等直径塔变壁厚交界处塔壳横截面(即同一厚度塔段的底部横截面)、塔的下封头切线所在截面、裙座过渡段的底截面等。根据材料力学可知，塔顶挠度(或塔顶倾角)由塔体各分段挠曲变形共同贡献产生的，仅通过监测塔顶挠度(或塔顶倾角)一个量值并不能准确定位出塔体的所有危险截面，即使塔顶挠度(或塔顶倾角)在设计控制值范围内，也有可能发生某段薄弱塔段已临近或超出安全许用强度的情形。
关于塔设备挠曲变形的控制，国内外各工程公司和设计单位将内有塔盘的塔顶挠度的控制值设在h/500～h/100之间，内有填料的塔顶挠度控制值可适当放宽。挠度和倾角是度量塔体弯曲变形的两个基本量，两者在一定程度上可以相互转换。现行标准中的塔式容器计算，仅给出在风载荷作用下塔顶挠度的解析计算式，未给出塔顶倾角、任意截面挠度和倾角的计算式，亦未明确规定塔设备的许用挠度或许用倾角。专利cn201811228155.5提供了一种侧向力作用下变截面塔式容器顶部挠度计算方法。关于倾斜变形的监测，相关专利技术利用三维激光扫描技术、gnss技术等方法对物体进行倾斜监测。相关专利也仅是将塔顶挠度的作为监控对象，利用位移传感器进行监测。
综上所述，目前存在的技术中对塔设备挠曲倾斜的安全预警研究具有一定的局限性：(1)对于变截面结构的塔设备，当塔体发生挠曲变形时，现有技术不能满足对其变截面危险截面进行有效安全识别预警；(2)所测的塔顶挠度值为位移量，需要参照固定的基准点，不易直接获得，测量偏差较大；(3)三维激光扫描、gnss技术的数据采集和处理周期长，不能够实时监测物体形态的变化，且定位要求高，检测成本较高，一般仅用于定期检验，不适宜塔设备的实时在线监测和预警。因此研究一种塔设备倾角在线监测及智能预警方法是十分必要的。
技术实现要素：
为了克服现有技术中不能满足当塔设备发生倾斜时对塔体多种危险截面进行有效安全识别预警的问题，本发明的目的是提供一种塔设备倾角在线监测及智能预警方法，该方法可以实现对塔体危险截面、薄弱塔段有效识别监测，且利用常规倾角仪在线实时监测塔体倾斜的方法易于实现。
为了解决上述存在的问题，本发明所采用的技术方案是：
一种塔设备倾角在线监测及智能预警方法，基于材料许用强度安全条件求得风载作用下塔体弯曲以后各截面的许用倾角[θi]，通过在塔设备的塔顶及各设计危险截面上布置倾角仪测得各倾角仪的测量值(α1i,β1i)并通过无线通信方式发送至预警平台。预警平台自动计算得出各截面的实际倾角值θi，将实际倾角值θi与相应截面的许用倾角[θi]进行对比判断，若各截面实际倾角值θi全部低于其许用倾角[θi]则判断为安全，否则出现一个及以上θi超出许用倾角[θi]的情况则判断为不安全状态，平台智能筛选出超限的危险截面所在位置及倾角值并记录，同时发出预警信号。
具体来说，塔设备倾角在线安全监测及智能预警方法，步骤如下：
第一步，分析塔设备的塔体结构型式，依据其设计条件找出塔体的各危险变截面，其数量设为n；
第二步，根据式(22)算出各危险变截面的许用倾角[θi]，其中(i＝1,2,3,…,n)
第三步，在各危险变截面上分别安装定位1只倾角仪；
第四步，预警平台通过无线通信方式实时获取倾角仪数值(αi,βi)，利用式(27)自动求得各危险截面的实际倾角值θi，其中(i＝1,2,3,…,n)；
第五步，智能判断安全预警的条件，预警平台自动将第二步的许用倾角[θi]与第四步的实际倾角值θi进行比较，若全部θi≤[θi](i＝1,2,3,…,n)，则判断塔体为安全状态；若发生一个及一个以上θi>[θi]，则判断塔体为非安全状态，平台及时发出报警信号。
塔设备的许用倾角推导
具体来说，按照塔式容器的设计标准，塔设备可以简化成悬臂梁，利用材料力学的虚梁法(共轭梁法)计算，对塔体受力分析。
根据材料力学，在弯矩最大的截面上的外表面处发生最大正应力σmax，挠度y和倾角θ是度量弯曲变形的两个基本量，即：
对于等直径、等壁厚的塔设备
如图1所示，以塔器的顶端中心a为原点，以塔器未发生变形前的中轴线为x轴，x朝下。在坐标为x的截面上，风载荷集度为：
风载荷在坐标为x的截面上的引起的风弯矩为：
由材料力学挠曲线的近似微分方程得倾角方程：
联合式(3)和式(4)，由边界条件x＝h，θ(h)＝0，通过式(4)积分求得倾角方程：
等直径等壁厚塔设备，最大弯矩发生在塔的固定端，塔顶处倾角为：
将等直径的风载荷pt＝p0ft带入式(6)，并结合式(1)换算出：
上式
结合式(1)，将式(7)带入式(6)，求得风载荷引起的塔顶倾角：
结合式(1)和式(8)，求得等直径等壁厚塔设备的塔顶许用倾角：
对于等直径、不等壁厚的塔设备
如图2所示，对于等直径不等壁厚的塔设备，以塔器的顶端中心a为原点，以塔器未发生变形前的中轴线为x轴，x朝下。在坐标为x的截面上，风载荷集度由式(2)求得，风弯矩计算由式(3)求得。
利用逐段刚化法求解等直径不等壁厚的塔式容器的弯曲变形，任一节点i的截面倾角θi，节点i下侧各分段单独变形时在节点i产生的截面转角分别为θi1、θi2、……、θin。节点i的上侧各分段单独变形时不会在i截面产生位移，故由叠加原理有：
由图2可知，节点i上侧塔段所有风载荷产生的合力fi和合力矩mi：
根据等直径等壁厚塔设备倾角计算式(6)推算，由第i段风载荷引起的在i截面产生转角θip和挠度yip分别为：
故有，i段单独变形时在i截面产生的转角θii为：
式中有：
进而求得：
节点i 1的下侧任一j段单独变形时在i截面产生的转角θij为：
由式(10)，求得节点i的截面转角θi计算式为：
第i段最大弯矩在第i 1截面处，设为mimax
结合式(1)推算，即有：
将等直径的风载荷pt＝p0ft带入式(19)，进而换算出：
将式(20)带入式(17)，推算得等直径不等壁厚塔设备的各截面倾角取值上限条件：
结合式(1)和式(21)，求得等直径不等壁厚塔设备的各截面许用倾角：
式中，系数k的表达式为，
根据本发明步骤三，由塔设备的塔顶至塔底部，依次在塔体上各变截面位置安装倾角仪，倾角仪的位置编号和相应倾角测量值为下表：
根据图3所示，所选的双轴倾角仪自身定义了x轴和y轴，水平放置时其输出信号α和β为倾角仪分别绕x轴和y轴偏转角度。加速度传感器输出信号gx、gy和角度α、β之间的关系可由下面的公式给出：
式中，gx，gy分别表示重力加速度在x轴、y轴上的分量输出，g为重力加速度。
根据图4所示，倾角仪发生偏转时输出绕x轴和y轴偏转角度α和β，γ则表示倾角仪的实际偏转角度。oa为倾角仪的法线单位向量，ob为oa在xoz平面的投影，od为oa在yoz平面的投影，四边形abcd为矩形，根据投影关系：
则倾角仪相对于铅垂线的实际倾角γ为：
依据式(26)，得塔体上第i个截面的实际倾角值θi与测量值αi和βi的关系为：
式中：αi和βi为编号为i的倾角仪测得第i截面发生在o-xy水平面上，绕x轴和y轴偏转角的测量值。
本发明与现有技术相比较，优点如下：
1、本方法可以通过对塔体各危险截面、薄弱塔段的倾角进行实时监测与智能预警，全生命周期的保障塔设备结构的安全。
2、与监测塔顶挠度值的位移量方法相比，本方法采用倾角仪监测塔体倾斜的方法易于实现，倾角仪不需要参照固定的基准点，测点布置灵活，测量数据偏差极小，监测数据实时无线发送，适合在线监测高耸塔设备的挠曲变形。
因此，本发明综合了塔设备的材料许用安全条件和适宜的倾角监测方法，提出一种塔设备倾角监测及智能预警方法。本方法基于材料力学原理的许用强度安全限制条件，通过求解塔设备各截面处的倾角计算式，推导出各截面的许用倾角的计算式，采用预警平台监测各危险截面的倾角值并与许用倾角值进行比较，可对塔体各危险截面、薄弱塔段进行有效地识别监测，对塔设备结构的安全状态进行在线监测和智能预警。
附图说明
图1是等直径不等壁厚塔的弯曲变形计算简图；
图2等直径不等壁厚塔的弯曲变形计算简图；
图3是水平放置倾角仪测量原理图；
图4是倾角仪的计算模型；
符号说明
pt：塔顶部单位长度的风载荷，n/mm；
p0：距地面10m高度处单位长度的风载荷，n/mm；
ft：风压高度变化系数，可查标准nb/t47041-2014中表10风压变化系数得；
h：塔体总高度，mm；
hi：不等壁厚分段塔体的第i段
i：等直径等壁厚塔体截面惯性矩；
ii：不等壁厚分段塔体的第i段截面惯性矩
d：塔体的有效外径；
w：等直径等壁厚塔体的抗弯截面系数；
wi：不等壁厚分段塔体的第i段的抗弯截面系数；
σmax：弯矩最大的截面上的外表面处发生最大正应力；
[σ]：塔设备设计温度下的材料许用应力，可按gb150的规定选取，或取设计温度下屈服强度的65％。
具体实施方式
本发明实施例仅以等直径等壁厚自支撑形式、等直径不等壁厚自支撑形式塔设备受风弯矩为例，演示了本发明方法的实施步骤和核心思想。对于不等直径不等壁厚、不同安装支撑形式及受其他载荷影响等的塔设备，利用本方法思路亦可得出其许用倾角与许用强度间的关系式，进而获得安全监测条件。
按照塔式容器的设计标准，塔设备可以简化成悬臂梁，利用材料力学的虚梁法(共轭梁法)计算，对塔体受力分析。
根据材料力学，在弯矩最大的截面上的外表面处发生最大正应力σmax，挠度y和倾角θ是度量弯曲变形的两个基本量，即：
实施例1对于等直径、等壁厚的塔设备
如图1所示，以塔器的顶端中心a为原点，以塔器未发生变形前的中轴线为x轴，x朝下。在坐标为x的截面上，风载荷集度为：
风载荷在坐标为x的截面上的引起的风弯矩为：
由材料力学挠曲线的近似微分方程得倾角方程：
联合式(3)和式(4)，由边界条件x＝h，θ(h)＝0，通过式(4)积分求得倾角方程：
等直径等壁厚塔设备，最大弯矩发生在塔的固定端，塔顶处倾角为：
将等直径的风载荷pt＝p0ft带入式(6)，并结合式(1)换算出：
上式
结合式(1)，将式(7)带入式(6)，求得风载荷引起的塔顶倾角：
结合式(1)和式(8)，求得等直径等壁厚塔设备的塔顶许用倾角：
实施例2对于等直径、不等壁厚的塔设备
如图2所示，对于等直径不等壁厚的塔设备，以塔器的顶端中心a为原点，以塔器未发生变形前的中轴线为x轴，x朝下。在坐标为x的截面上，风载荷集度由式(2)求得，风弯矩计算由式(3)求得。
利用逐段刚化法求解等直径不等壁厚的塔式容器的弯曲变形，任一节点i的截面倾角θi，节点i下侧各分段单独变形时在节点i产生的截面转角分别为θi1、θi2、……、θin。节点i的上侧各分段单独变形时不会在i截面产生位移，故由叠加原理有：
由图2可知，节点i上侧塔段所有风载荷产生的合力fi和合力矩mi：
根据等直径等壁厚塔设备倾角计算式(6)推算，由第i段风载荷引起的在i截面产生转角θip和挠度yip分别为：
故有，i段单独变形时在i截面产生的转角θii为：
式中有：
进而求得：
节点i 1的下侧任一j段单独变形时在i截面产生的转角θij为：
由式(10)，求得节点i的截面转角θi计算式为：
第i段最大弯矩在第i 1截面处，设为mimax
结合式(1)推算，即有：
将等直径的风载荷pt＝p0ft带入式(18)，进而换算出：
将式(20)带入式(17)，推算得等直径不等壁厚塔设备的各截面倾角取值上限条件：
结合式(1)和式(21)，求得等直径不等壁厚塔设备的各截面许用倾角：
式中，系数k的表达式为，
实施例3倾角仪监测倾角计算
本发明步骤三，由塔设备的塔顶至塔底部，依次在塔体上各变截面位置安装倾角仪，倾角仪的位置编号和相应倾角测量值为下表：
根据图3所示，所选的双轴倾角仪自身定义了x轴和y轴，水平放置时其输出信号α和β为倾角仪分别绕x轴和y轴偏转角度。加速度传感器输出信号gx、gy和角度α、β之间的关系可由下面的公式给出：
式中，gx，gy分别表示重力加速度在x轴、y轴上的分量输出，g为重力加速度。
根据图4所示，倾角仪发生偏转时输出绕x轴和y轴偏转角度α和β，γ则表示倾角仪的实际偏转角度。oa为倾角仪的法线单位向量，ob为oa在xoz平面的投影，od为oa在yoz平面的投影，四边形abcd为矩形，根据投影关系：
则倾角仪相对于铅垂线的实际倾角γ为：
依据式(26)，得塔体上第i个截面的实际倾角值θi与测量值αi和βi的关系为：
式中：αi和βi为编号为i的倾角仪测得第i截面发生在o-xy水平面上，绕x轴和y轴偏转角的测量值。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的方法，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.塔设备倾角在线监测及智能预警方法，其特征在于，步骤如下：
第一步，分析塔设备的塔体结构型式，依据其设计条件找出塔体的各危险变截面，其数量设为n；
第二步，算出各危险变截面的许用倾角[θi]，其中(i＝1,2,3,…,n)；
第三步，在各危险变截面上分别安装定位1只倾角仪；
第四步，读取各倾角仪在水平面o-xy上，绕x轴和y轴偏转的测量数值(αi,βi)，进而计算求得各危险变截面相对铅锤方向的实际倾角值θi，其中(i＝1,2,3,…,n)；
第五步，判断安全预警的条件，将第二步的许用倾角[θi]与第四步的实际倾角值θi进行比较，若全部θi≤[θi](i＝1,2,3,…,n)，则判断塔体为安全状态；若发生一个或者一个以上θi>[θi]，则判断塔体为非安全状态，则发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的塔设备倾角在线监测及智能预警方法，其特征在于，第二步，对于等直径、等壁厚的塔设备，塔顶许用倾角如下：
3.根据权利要求1所述的塔设备倾角在线监测及智能预警方法，其特征在于，第二步，等直径不等壁厚塔设备的各截面许用倾角如下：
式中，系数k的表达式为，
4.根据权利要求1所述的塔设备倾角在线监测及智能预警方法，其特征在于，通过塔体上第i个截面上安装的倾角仪i测量值(αi,βi)，所求得各危险截面相对铅锤方向的实际倾角值为θi：
式中：αi和βi为编号为i的倾角仪测得第i截面发生在o-xy水平面上，绕x轴和y轴偏转角的测量值。
技术总结