劉偉

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

輸氣管道具有壓力高、距離長(zhǎng)、沿線地形復(fù)雜、線路多埋地敷設(shè)等特點(diǎn)，運(yùn)行中存在很多安全隱患，尤其在易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害、水災(zāi)、穿越、占?jí)旱雀唢L(fēng)險(xiǎn)區(qū)，管道局部形變及位移應(yīng)力隨時(shí)間累積且不易被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致管道斷裂、天然氣泄漏事故，會(huì)造成非常嚴(yán)重的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。某管道公司所轄管線在雨季由于山體滑坡導(dǎo)致管道局部斷裂并引發(fā)爆燃，產(chǎn)生了惡劣影響。

目前，智能化管理技術(shù)研究是工程熱點(diǎn)，輸氣管道全數(shù)據(jù)采集是管道智能化的基本需求，管道應(yīng)力能直接反映管道受力情況，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力應(yīng)變的變化，基于應(yīng)力判據(jù)定量分析高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)管道的安全狀態(tài)，對(duì)由應(yīng)力變化可能引發(fā)的安全事故提前預(yù)警，使管道的安全管理更加主動(dòng)。因此，該系統(tǒng)是管道受地質(zhì)災(zāi)害破壞預(yù)警的直接手段，是構(gòu)建輸氣管道防災(zāi)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，能夠有效保障管道的安全可靠運(yùn)行。

1 管道地質(zhì)災(zāi)害演變過(guò)程

地質(zhì)災(zāi)害主要包括： 崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、黃土失陷、土地凍融以及地震等，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地區(qū)管道的安全運(yùn)行存在安全隱患。以山體滑坡為例，分析管道地質(zhì)災(zāi)害演變過(guò)程。

1.1 坡體蠕變

坡體抗剪強(qiáng)度小于剪切應(yīng)力，形成斷續(xù)拉張裂縫，滑坡面沒(méi)有形成貫通形態(tài)。坡體載荷對(duì)管道加載使其產(chǎn)生縱向應(yīng)變，且隨著時(shí)間推進(jìn)應(yīng)變持續(xù)增大，但未對(duì)管道形成實(shí)質(zhì)性傷害。

1.2 坡體失穩(wěn)

坡體滑坡面貫通且整體向下滑動(dòng)，后緣裂縫逐漸加寬，兩側(cè)羽狀裂縫貫通，前緣出現(xiàn)鼓脹。坡體荷載使管道應(yīng)力集中，致使管道防護(hù)體損傷乃至管道彎曲變形，管道應(yīng)變快速逼近甚至超越允許范圍。

1.3 坡體滑動(dòng)

坡體滑坡面加速向下延伸，后緣迅速下陷露出滑壁，滑坡舌向前擴(kuò)展，破面形成階梯狀地形。管道應(yīng)變使其出現(xiàn)局部屈曲破裂或拉裂，最終導(dǎo)致管道失效。

盡管在輸氣管道選線選址階段時(shí)已對(duì)管道采取了優(yōu)化措施，但漫長(zhǎng)的輸氣管道經(jīng)過(guò)地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)在所難免，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)管道應(yīng)力應(yīng)變情況，設(shè)置管道應(yīng)變報(bào)警值，制定應(yīng)急預(yù)案，比如，局部開(kāi)挖釋放應(yīng)力等，在坡體蠕動(dòng)階段對(duì)事故預(yù)警，避免事故發(fā)生。

2 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、通信系統(tǒng)及監(jiān)控主機(jī)組成。該系統(tǒng)采用分布式采集系統(tǒng)，將監(jiān)控主機(jī)安裝于控制中心，在管道各個(gè)需監(jiān)控的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)設(shè)置應(yīng)變傳感器和數(shù)據(jù)采集終端，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至監(jiān)控主機(jī)。通常情況下，為了保證該系統(tǒng)的可靠性，會(huì)根據(jù)每個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的具體情況選定幾個(gè)管道截面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 應(yīng)變傳感器

目前，常用的應(yīng)變傳感器主要有電阻式、振弦式和光纖式三種。電阻式應(yīng)變傳感器輸出信號(hào)弱、抗干擾能力差、極端環(huán)境下壽命短；光纖式應(yīng)變傳感器需要光纖保持連續(xù)性，抗破壞能力較差，且造價(jià)高；振弦式應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、可靠性高、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，更適用于應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 振弦式傳感器工作原理

振弦式傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，給金屬弦施加一定張力后，其固有振動(dòng)頻率與張力之間存在的定量關(guān)系如式(1)所示：

圖2 振弦式傳感器結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中：f——金屬弦的振動(dòng)頻率，Hz；k——0， 1， 2， …，n；l——金屬弦長(zhǎng)度，m；σ——金屬弦的內(nèi)部張力，N；ρ——金屬弦密度，kg/m3。

由式(1)可知，f與張力開(kāi)平方成正比，與l成反比。假設(shè)金屬弦兩固定端產(chǎn)生Δε的微應(yīng)變，張力變化為Δσ=EΔε，其中E為金屬弦的彈性模量，m2/N;此時(shí)金屬弦產(chǎn)生長(zhǎng)度變化Δl，公式(1)修正為

(2)

式中：σ0——金屬弦原始張力，金屬弦產(chǎn)生微應(yīng)變時(shí)，可以忽略其長(zhǎng)度變化的影響，因此式(2)可簡(jiǎn)化為

(3)

由式(3)可得結(jié)論，金屬弦的自振頻率主要取決于其張力，k=1時(shí)基頻平方與張力關(guān)系為

σ=Kf2

(4)

其中，K=l2ρ，可以通過(guò)檢測(cè)頻率的變化確定張力，振弦式傳感器即是基于該原理設(shè)計(jì)，固定金屬弦兩端，外部利用金屬管支撐保護(hù)，金屬管中間位置安裝激勵(lì)線圈和測(cè)溫電阻，用脈沖電壓信號(hào)激勵(lì)線圈使其產(chǎn)生變化磁場(chǎng)，金屬弦在磁力作用下衰減振動(dòng)，振動(dòng)頻率隨金屬弦所受張力改變而變化，通過(guò)熱敏電阻測(cè)試環(huán)境溫度進(jìn)行溫度修正，金屬弦熱膨脹系數(shù)為α，對(duì)式(4)經(jīng)過(guò)溫度修正后，可得金屬弦應(yīng)變?chǔ)排c頻率f的關(guān)系，即振弦式應(yīng)變傳感器基本原理如式(5)所示：

ε=k1f2+αΔT

(5)

式中：k1=K/E。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，應(yīng)變傳感器采用振弦式，實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)調(diào)節(jié)金屬弦上的調(diào)節(jié)螺絲設(shè)定初始頻率。根據(jù)彈性原理，通過(guò)獲取每個(gè)監(jiān)測(cè)管道截面上3個(gè)不同角度處的單軸縱向應(yīng)變，便可計(jì)算該截面任一點(diǎn)的縱向應(yīng)變，因此每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)只需安裝3只傳感器就能滿足要求。

為了提高該系統(tǒng)的可靠性，便于施工操作，通常在管道上半圓內(nèi)每隔45°均勻布置5只傳感器，能夠確保即使2只傳感器故障時(shí)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的可靠性。傳感器在管道截面上的布置如圖3所示。

圖3 應(yīng)變傳感器管道截面布置示意

2.3 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端采用模塊化設(shè)計(jì)，主要有數(shù)據(jù)采集電路、通信電路、時(shí)鐘電路和電源組成。每個(gè)終端采集1個(gè)管道截面內(nèi)5只應(yīng)變傳感器信號(hào)，并完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和傳輸，同時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。通過(guò)串口方式與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信，將數(shù)據(jù)上傳至控制中心的報(bào)警主機(jī)。

由于管道形變和應(yīng)力累積是緩慢的過(guò)程，為了降低監(jiān)控系統(tǒng)功耗，管道應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值在允許范圍內(nèi)時(shí)，用間歇工作方式，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置數(shù)據(jù)采集終端采集應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)的頻率和上傳數(shù)據(jù)的通信頻率；當(dāng)管道應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值到達(dá)設(shè)定限值時(shí)，數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳。

2.4 通信系統(tǒng)

為便于數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集終端可配備GPRS無(wú)線通信模塊和北斗衛(wèi)星通信模塊，具備GPRS和北斗衛(wèi)星兩種無(wú)線通信方式。隨著通信技術(shù)發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)全覆蓋工程推進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)先采用GPRS通信，當(dāng)部分偏遠(yuǎn)地區(qū)不具備條件時(shí)，選用北斗衛(wèi)星通信。

2.5 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，與數(shù)據(jù)采集終端通信，采集各終端監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)可通過(guò)OPC， Modbus TCP/IP等協(xié)議提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口，將該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布至管道SCADA控制中心及其他管理系統(tǒng)。監(jiān)控主機(jī)采用主流工作站，Windows操作系統(tǒng)，運(yùn)行預(yù)警軟件，具備數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置、管道應(yīng)力應(yīng)變超限報(bào)警等功能。

2.6 供電系統(tǒng)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，需要工作電源的設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、應(yīng)變傳感器、數(shù)據(jù)采集終端與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。監(jiān)控主機(jī)安裝在控制中心，電源獲取比較容易且穩(wěn)定；應(yīng)變傳感器電源由數(shù)據(jù)采集終端為其提供；數(shù)據(jù)采集終端與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電需要根據(jù)具體情況考慮。

輸氣管道高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)多數(shù)地處偏遠(yuǎn)位置，部分地區(qū)外電接入困難，除常規(guī)電源外還應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日照、風(fēng)能等因素考慮其他供電方式，在日照條件滿足時(shí)，通常采用太陽(yáng)能發(fā)電裝置配套蓄電池作為供電電源。

3 工程實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

根據(jù)工程地質(zhì)災(zāi)害報(bào)告、地質(zhì)勘察報(bào)告及其他相關(guān)評(píng)估文件確定管道的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，對(duì)選定地區(qū)再次勘察現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)已建且正在運(yùn)行的管道，利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)該區(qū)域的管道進(jìn)行有限元模擬分析，確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)管道的應(yīng)力集中點(diǎn)，將其選為監(jiān)測(cè)管道截面，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇大體遵循以下三個(gè)原則：

1)地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)相關(guān)評(píng)估報(bào)告，在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)管段選取監(jiān)測(cè)截面，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害可能造成的傷害進(jìn)行前期預(yù)警。

2)高后果區(qū)。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》定義了高后果區(qū)為管道泄漏后可能對(duì)公眾和環(huán)境造成較大不良影響的區(qū)域，指油氣管道發(fā)生泄漏失效后，可能造成嚴(yán)重人員傷亡或者嚴(yán)重環(huán)境破壞的區(qū)域。由于部分區(qū)域輸氣管道路由存在唯一性，如果存在并被識(shí)別為高后果區(qū)，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸氣管道運(yùn)行狀態(tài)；

3)應(yīng)力計(jì)算高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。通過(guò)分析輸氣管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，管道路由優(yōu)化后的應(yīng)力值被識(shí)別為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該區(qū)域管道運(yùn)行狀態(tài)。

實(shí)際工程中，一般以輸氣管道線路樁號(hào)為基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)所選取的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取見(jiàn)表1所示。

表1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取

3.2 設(shè)備安裝

3.2.1應(yīng)變傳感器安裝

在已建管道安裝應(yīng)變傳感器需局部開(kāi)挖埋地管道，為避免機(jī)械裝置破壞管道及其防腐層，在應(yīng)急預(yù)案完備及做好防護(hù)措施的前提下采用人工開(kāi)挖，工作坑尺寸應(yīng)滿足操作空間需求，根據(jù)開(kāi)挖點(diǎn)地質(zhì)條件選取最佳放坡比。

根據(jù)2.1節(jié)所述，每個(gè)管道截面需安裝5只應(yīng)變傳感器。安裝時(shí)需去除傳感器安裝處管道防腐層并打磨管道表面，使得打磨面積和表面條件滿足傳感器安裝要求。為保證管道上施工安全，將應(yīng)變傳感器采用冷焊技術(shù)焊接安裝在管道表面。安裝完成后測(cè)試接線、恢復(fù)管道防腐層并回填復(fù)原現(xiàn)場(chǎng)。

3.2.2現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝

為了更好地偽裝和保護(hù)數(shù)據(jù)采集終端、太陽(yáng)能發(fā)電裝置及電池等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，滿足防護(hù)及防盜的需求，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝外殼設(shè)計(jì)為仿管道線路警示牌的形式。太陽(yáng)能板可以根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，與仿線路警示牌外殼集成安裝，或單獨(dú)立桿安裝，但現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備應(yīng)在滿足安全距離的前提下，安裝在通信網(wǎng)絡(luò)及日照條件較好的位置。

4 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)災(zāi)害對(duì)輸氣管道的危害是應(yīng)力應(yīng)變累積的過(guò)程，在輸氣管道地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，使用應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)護(hù)管道，在坡體蠕變階段管道失效之前對(duì)其應(yīng)力變化作出早期預(yù)報(bào)警，同時(shí)指導(dǎo)管道搶維修，減輕或延緩各種地質(zhì)災(zāi)害可能帶來(lái)的嚴(yán)重后果，有效地保障了輸氣管道的安全運(yùn)行。因此，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以作為輸氣管道安全防護(hù)的重要環(huán)節(jié)，為管道智能化管理提供重要數(shù)據(jù)。