張 昀，張向京，姬偉華，李娟娟

（中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710021）

1 技術(shù)應(yīng)用背景

近年來，隨著我國對清潔能源需求的與日俱增，天然氣在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，而管道是天然氣最高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式。第二采氣廠目前生產(chǎn)區(qū)域涵蓋榆林5個市/縣/區(qū)及山西省部分區(qū)域，管網(wǎng)覆蓋面大，長輸管道及支干線交錯復(fù)雜。管道沿線地質(zhì)地貌溝壑縱橫，自然條件惡劣，經(jīng)常遭受山體滑坡、水災(zāi)、穿越、占壓等因素影響，極易產(chǎn)生較大的位移應(yīng)力、屈曲或蠕變，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致管道斷裂破壞，同時，管道在內(nèi)部流體或外部載荷的作用下，會發(fā)生不同程度的振動。為保障管道安全運(yùn)行，需要加強(qiáng)對整體管網(wǎng)及重點(diǎn)長輸管道運(yùn)行情況的監(jiān)控，確保管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行[1，2]。

2 管網(wǎng)管控現(xiàn)狀

該采氣廠目前在用管道45條，總計870余千米，分布在沙漠、山地等地形復(fù)雜區(qū)域，主要采取管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控、分析、告警及緊急情況下的聯(lián)動關(guān)斷技術(shù)，加強(qiáng)了智能化運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用，保障了管網(wǎng)安全運(yùn)行。

2.1 管網(wǎng)運(yùn)行狀況監(jiān)控

2.1.1 壓力流量在線監(jiān)控 在天然氣輸送過程中，井站管道內(nèi)為濕氣，經(jīng)處理廠進(jìn)行脫油脫水后達(dá)到國家二類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行外輸。濕氣在輸送過程中，因壓力溫度變化在管道內(nèi)產(chǎn)生積液，隨管阻增大前后壓力差呈上升趨勢，導(dǎo)致管網(wǎng)整體輸氣效率下降。為此，對45條支干線上下游壓差、44座集配氣站及5座處理廠（站）外輸流量設(shè)定預(yù)警值。在差壓預(yù)警后，則提示清管作業(yè)，或流量發(fā)出預(yù)警時，通過綜合分析管網(wǎng)壓力，了解管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提高了輸氣管控能力。

2.1.2 管道中間閥門聯(lián)鎖控制 在4條大型輸氣管道上安裝了7臺氣液聯(lián)動閥以及氣體泄漏、火焰探測器等設(shè)施，在管沿途閥門前后管段壓降速率過快（＞0.5 MPa/10s）或發(fā)生泄漏或火災(zāi)時，閥門自動緊急關(guān)閉。為防止閥門內(nèi)漏，將該管道的其他閥門與之進(jìn)行聯(lián)鎖控制，即發(fā)生險情時該管道沿途所有控制閥均聯(lián)動關(guān)閉，確保該管道得到有效截斷。同時，為了防止上游管道、站點(diǎn)發(fā)生超壓，將與之相連的集氣站、處理廠的進(jìn)出站閥門也與管道閥門狀態(tài)進(jìn)行聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)對有關(guān)聯(lián)的管網(wǎng)、站點(diǎn)一鍵式停車管控，提升了氣田管網(wǎng)整體安全控制能力，保障生產(chǎn)運(yùn)行安全。

2.1.3 無人機(jī)巡航管理 定期采用無人機(jī)進(jìn)行管道巡護(hù)，采集管道沿途巡航圖像。結(jié)合管道坐標(biāo)在巡航圖上進(jìn)行導(dǎo)航式掃描，對與周邊環(huán)境有差異的地方告警、人工判斷。每幀圖像可覆蓋300 m×300 m的區(qū)域，相對人工巡線，能有效發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境變化情況，管道巡護(hù)效果得到提高。紅色矩形即為系統(tǒng)分析的異常點(diǎn)（見圖1），便于及時掌握情況，采取有效措施防止事件擴(kuò)大。

2.1.4 監(jiān)控陰極保護(hù)運(yùn)況 對管道在用陰極保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行電流、電壓信息的有效管理，并通過監(jiān)控不斷優(yōu)化保護(hù)電流，加強(qiáng)了管道電化腐蝕保護(hù)能力。

2.2 高危高后果區(qū)信息化管理

結(jié)合信息化技術(shù)和管道地理信息GIS系統(tǒng)，對高危高后果區(qū)信息以及管道維護(hù)作業(yè)、日常巡護(hù)信息進(jìn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了管道周邊環(huán)境信息、管道巡護(hù)、作業(yè)的有效管理，提高了管道信息化管理水平。

3 管道安全隱患監(jiān)測技術(shù)研究

管道雖然實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行監(jiān)控、監(jiān)督檢查，但潛在的風(fēng)險難以進(jìn)行有效管理。尤其是處于復(fù)雜地形、河流穿越等環(huán)境下，管道的應(yīng)力變化、微振動等信息不能及時掌握，難以在合理范圍管控運(yùn)行風(fēng)險，預(yù)防安全事故事件發(fā)生。通過對管道應(yīng)力監(jiān)測開展研究，進(jìn)一步完善管道管理能力。

3.1 管道應(yīng)力與振動監(jiān)測技術(shù)

3.1.1 管道應(yīng)力監(jiān)測 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測及其分析評價技術(shù)是一種非?？茖W(xué)和有效的手段，通過在管道外壁安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，獲取管道應(yīng)力漸變過程數(shù)據(jù)，對管道的安全狀態(tài)進(jìn)行定量評價。

3.1.1.1 技術(shù)原理 管道在外力作用下，當(dāng)應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到某一臨界值時，即發(fā)生失效。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠掌握管道在外力作用下的力學(xué)行為。管道在工況下的荷載（內(nèi)壓、溫差）與彈性敷設(shè)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或應(yīng)變進(jìn)行組合，在外力影響下，管道縱向或橫向發(fā)生應(yīng)力變化，就可以利用材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系判別管道的力學(xué)狀態(tài)，對管道的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行評價。

應(yīng)力值通過管道微應(yīng)變來分析、計算，采用的是美國基康點(diǎn)焊式VK-4100型傳感器進(jìn)行管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測（見圖2）。

3.1.1.2 工作原理 應(yīng)變測量是在胡克定律（Hooke's law）的理論基礎(chǔ)上采用振弦原理：把一根鋼弦安裝在固定塊之間，安裝塊焊接在待測鋼件表面。表面的變形導(dǎo)致兩個安裝塊相對運(yùn)動，從而引起鋼弦張力改變。隨著作用力不同，鋼弦的諧振頻率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。通過不同頻率脈沖來激勵鋼弦振動，引起鋼弦共振，檢測其共振頻率，計算出傳感器的受力情況。其測量應(yīng)變采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

式中：T-振動周期；f-共振頻率。

3.1.2 管道振動監(jiān)測技術(shù) 天然氣管道振動對安全生產(chǎn)帶來較大的威脅，強(qiáng)烈的管道振動將會使管路附件，尤其是管道的連接部位、管道與附件的連接部位和管道支架的連接部位等處，發(fā)生松動甚至破裂，輕則使管道內(nèi)的氣體泄漏，嚴(yán)重時由管道的破裂處引起爆炸，造成重大事故。

圖1 無人機(jī)巡航圖像與分析監(jiān)控

圖2 VK-4100振弦式應(yīng)變計

管道的振動狀態(tài)監(jiān)測，是針對振源多或機(jī)械振動物理特征不明確的高危高后果區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。通過在管道本體上安裝加速度傳感器，獲取管道振動數(shù)據(jù)，根據(jù)加速度、振動幅度、頻率、位移等信號利用參數(shù)矩陣進(jìn)行計算，結(jié)合管道固有頻率和機(jī)械振動響應(yīng)進(jìn)行分析，判斷管系的安全可靠程度。

3.1.2.1 技術(shù)原理 由于每一條管道在結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、工況等諸多方面都不盡相同，所以管道振動評價數(shù)值因管道而異?！禛B/T 5047-2017油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》采用IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器對管道振動進(jìn)行測量與評價。

3.1.2.2 工作原理 IEPE電壓輸出型壓電加速度傳感器是內(nèi)置了電荷放大器的壓電加速度傳感器，信號經(jīng)由前置放大器轉(zhuǎn)換成低阻抗的電壓進(jìn)行輸出。

獲取到管道加速度信號后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)值，利用傅立葉反變換得到加速度在時域的積分結(jié)果，從而判斷振動是否影響到管道安全。

其加速度振動影響通過下面經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

設(shè)加速度信號為 X（t）＝X＇（t）＋C，其中 X（t）為測試所得信號，X＇（t）為零均值交流信號，C為未知大小的直流分量。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

3.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鑒于監(jiān)測點(diǎn)分布較散，整個系統(tǒng)采取分布式采集方式，即將數(shù)據(jù)采集器和傳感器一起布置在監(jiān)測點(diǎn)位置，在管道每個監(jiān)測點(diǎn)安裝三支振弦式傳感器、一支振動傳感器，采用管道無損冷焊方式進(jìn)行安裝。

數(shù)據(jù)采集器采用內(nèi)置4G模塊的RTU對所有傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號處理，并通過4GAPN專網(wǎng)接入數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，利用DRESS21C分析軟件計算，實(shí)現(xiàn)管道狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測及預(yù)警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（見圖3）。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.2 系統(tǒng)功能

（1）管道應(yīng)變信號采集：各個振弦式傳感器的信號通過信號處理模塊，將采集到的電壓模擬信號轉(zhuǎn)化為微處理器可直接處理的頻率數(shù)字信號；

（2）管道振動信號采集：各個加速度傳感器信號通過信號處理模塊，將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為微處理器可直接處理的加速度數(shù)字信號；

（3）管道應(yīng)變和應(yīng)力值計算：由測量出的頻率值通過管道力學(xué)關(guān)系，實(shí)時計算出當(dāng)前管道所受應(yīng)力值；

（4）管道振動狀態(tài)分析：實(shí)時計算管道振動的加速度、速度、振幅、頻率等；

（5）管道環(huán)境溫度測量：對傳感器信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；

（6）數(shù)據(jù)無線傳輸：將現(xiàn)場管道數(shù)據(jù)通過4G/APN無線鏈路上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器；

（7）監(jiān)控軟件：在監(jiān)控計算機(jī)上展示現(xiàn)場管道各監(jiān)測點(diǎn)上的狀態(tài)數(shù)據(jù)、趨勢曲線，存儲發(fā)布分析、預(yù)警信息。

3.3 現(xiàn)場設(shè)備

結(jié)合現(xiàn)場勘察情況，重點(diǎn)選擇在長輸管道高危及高后果區(qū)進(jìn)行管道應(yīng)力及振動監(jiān)測：

（1）大型輸氣管道監(jiān)測點(diǎn)：該管道管徑為φ610×6.3，日均輸氣量500×104m3。管道橫穿河流后沿著河堤掩埋1 km，再次橫穿河流，呈“U”字型，總穿越河流長度達(dá)73 m。由于管道長年受河流沖刷，位置已經(jīng)發(fā)生偏移，屬于高危區(qū)。

因管道兩處穿越點(diǎn)的地理環(huán)境高度相似，因此只在一處安裝了兩個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)（見圖4）。考慮到管道穿越河流后，又穿越公路，在此安裝了一個管道振動監(jiān)測點(diǎn)。

圖4 管道監(jiān)測點(diǎn)位置

（2）穿越公路干線：該處管道管徑為φ219×6，位于國道邊。該處管先后穿越國道、高架鐵軌，長度30 m，道埋深不到2 m。附近地面因受貨車長期、持續(xù)載荷影響，發(fā)生沉降，屬于高后果區(qū)。高架鐵軌上的火車經(jīng)過時導(dǎo)致地面載荷發(fā)生變化，振感明顯，因此在橫穿公路的管道兩側(cè)各安裝了一個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)（見圖5），加裝了一個振動監(jiān)測點(diǎn)。

圖5 國道段管道監(jiān)測點(diǎn)

（3）人口密集區(qū)干線：該處管道管徑為φ323×6，穿越鄉(xiāng)村水泥道路，沿道路鋪設(shè)約1 km，埋深不足1 m。該段道路過往的車輛、人員較多。因管道沿山峰、山谷沿平敷設(shè)，易受風(fēng)雨侵蝕，現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)部分管道下面已經(jīng)懸空、失去支撐，管道距離地下最低處達(dá)3 m深。在此處安裝了4個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，加上有大型貨車出入又增設(shè)了2個振動監(jiān)測點(diǎn)。

4 應(yīng)用效果

利用APN企業(yè)無線網(wǎng)建立現(xiàn)場RTU與數(shù)據(jù)采集服務(wù)的通訊通道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息實(shí)時采集與發(fā)布。通過監(jiān)控終端對管道應(yīng)力、振動數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，采取自動生產(chǎn)運(yùn)行報表進(jìn)行日常管理、分析，加強(qiáng)了管道的全方位管控能力。

5 結(jié)論與建議

通過管道應(yīng)力、振動在線感知系統(tǒng)，實(shí)時分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，對管道的安全狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了定量評價，提升了運(yùn)行期管道風(fēng)險識別、評價和控制水平，實(shí)現(xiàn)了對地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域管道的安全預(yù)報預(yù)警，可以超前開展針對性維修維護(hù)和風(fēng)險預(yù)控。結(jié)合管道聯(lián)動連鎖控制，整體增強(qiáng)了管道應(yīng)急處置能力，有效提高了管道安全運(yùn)行管理水平，保障了管道安全管控能力，為油田輸油管道提前感知危險、預(yù)防環(huán)境污染事件發(fā)生，提供了解決方案。