高后果區(qū)防護(hù)技術(shù)在油氣管道中的應(yīng)用探討

吳洪偉

(中國石化石油工程設(shè)計有限公司自控通信設(shè)計所，山東東營 257026)

長輸油氣管道沿線地質(zhì)地貌錯綜復(fù)雜，自然條件惡劣, 管道經(jīng)常遭受山體滑坡、水災(zāi)、穿越、占壓等高風(fēng)險環(huán)境的影響，極易造成整體移位、局部變形或應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致管道的位移、蠕變或屈曲，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致管道斷裂。管道破裂不僅會導(dǎo)致爆炸，還會對環(huán)境產(chǎn)生長期的影響，因此管道地質(zhì)災(zāi)害，特別是地表移動類型的管道地質(zhì)災(zāi)害一直是長輸油氣管道設(shè)計和運(yùn)行管理亟待解決的問題。

管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)是針對地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域的管道，通過在管道本體上安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，獲取管道真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變變化數(shù)據(jù)；基于應(yīng)力判據(jù)，對管道的安全狀態(tài)進(jìn)行定量分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域管道的安全預(yù)警。

1 管道高后果區(qū)防護(hù)系統(tǒng)

管道高后果區(qū)防護(hù)系統(tǒng)由應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)由應(yīng)變傳感器、智能數(shù)據(jù)采集終端和預(yù)警軟件3大部分組成[1]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式采集方式，將主控制器和傳感器一起分散地就近布置在整個監(jiān)測區(qū)段上。在可能的受力集中點(diǎn)或敏感點(diǎn)處設(shè)監(jiān)測截面，每個截面上設(shè)置5只應(yīng)變傳感器。數(shù)據(jù)采集終端對該監(jiān)測區(qū)段的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號處理、與上位機(jī)通信。這樣避免傳感器經(jīng)過很長的距離向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送信號，減少了模擬量的傳輸距離，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。數(shù)據(jù)采集終端通過通信鏈路與布置在中心的應(yīng)力分析預(yù)警軟件通信，實(shí)現(xiàn)對整條管道的應(yīng)力變化及早期預(yù)報警。為了便于偽裝、防止破壞，現(xiàn)場安裝的數(shù)據(jù)采集終端采用仿線路樁設(shè)計。管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)與成熟視頻監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對高后果區(qū)地下管道本體和周圍環(huán)境的24 h動態(tài)監(jiān)控。

圖1 管道高后果區(qū)防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 應(yīng)變傳感器

應(yīng)變傳感器采用振弦式傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測準(zhǔn)確、長期穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。在每個管道截面上布置5只應(yīng)變傳感器，見圖2。其中只需3只傳感器就可以完成應(yīng)力計算，另2只作為冗余，保證長期監(jiān)測的可靠性。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變傳感器安裝位置示意

1.2 智能數(shù)據(jù)采集終端

智能數(shù)據(jù)采集終端采用模塊化設(shè)計，由主控制器、儀表箱箱和仿線路樁外殼組成。采集終端可采集一個管道截面的數(shù)據(jù)，通過RS485總線與串口通信服務(wù)器進(jìn)行通信，將所采集的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。

1.3 應(yīng)力分析預(yù)警軟件

應(yīng)力分析預(yù)警軟件布置在遠(yuǎn)端(一般在監(jiān)控中心)，可運(yùn)行在普通臺式機(jī)上，通過通信鏈路與管道沿線的主控制器終端進(jìn)行通信。該軟件可讀取采集的應(yīng)變值，計算出管道實(shí)時的最大、最小應(yīng)力，及受力的類型。根據(jù)最大應(yīng)力進(jìn)行預(yù)警和報警。

1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在高后果區(qū)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)附近選取地勢較高處設(shè)置視頻監(jiān)控前端，攝像機(jī)采用2臺1080P網(wǎng)絡(luò)高清架構(gòu)的高速球型攝像機(jī)(每處2臺互為備用)，具備自動跟蹤及智能分析功能[2]，支持高清畫面輸出。為便于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的信號傳輸，采用高效壓縮算法和雙碼流上傳，通過租用公網(wǎng)通道將數(shù)據(jù)傳輸至管道公司，利用一臺專用的網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)集中存儲和統(tǒng)一控制管理。視頻監(jiān)控前端與監(jiān)控中心的通信借助公網(wǎng)完成。

2 方案實(shí)施

2.1 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)與視頻監(jiān)控點(diǎn)的選取

根據(jù)現(xiàn)場勘察，利用軟件對高后果區(qū)管段進(jìn)行有限元模擬分析，大致確定在此高后果區(qū)管段的2個應(yīng)力集中點(diǎn)。將應(yīng)力集中點(diǎn)坐標(biāo)定為實(shí)施管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的監(jiān)測截面。每個監(jiān)測截面布設(shè)5只振弦式應(yīng)變傳感器。通過這些應(yīng)變傳感設(shè)備, 不僅能夠掌握各個監(jiān)測截面的最大應(yīng)力應(yīng)變, 還可以判斷應(yīng)變發(fā)生的方向[3]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高后果區(qū)應(yīng)用能夠起到安全監(jiān)測、巡查治理等重要作用。根據(jù)管道的走向及地勢情況，在應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)附近選取地勢較高、地質(zhì)穩(wěn)定的地方安裝攝像機(jī)，攝像機(jī)采用立桿安裝。

2.2 應(yīng)變傳感器安裝

應(yīng)變傳感器安裝前需要先定位各安裝截面，然后進(jìn)行局部開挖。本工程管徑為1 016 mm，考慮到傳感器焊接及防腐層恢復(fù)所需要的操作空間，開挖操作坑底部面積不小于2 m×2 m，開挖深度不小于管底下方0.3 m。管溝開挖采用人工開挖的方式，避免機(jī)械開挖對防腐層和管道造成損傷，且根據(jù)開挖點(diǎn)的土壤類型選取合適的放坡比，對于地下水位較高的地段采取抽排水措施。管溝挖出的上層耕植土、中間回填土和下層細(xì)土分開堆放，盡量減少對農(nóng)田土質(zhì)的影響。

在管道安裝截面上半圓每個45°定位一傳感器位置后，先用打磨機(jī)去掉管道局部的3PE保護(hù)層，然后對管道進(jìn)行仔細(xì)打磨，打磨面積應(yīng)大于保護(hù)罩，方便傳感器焊接。應(yīng)變傳感器安裝完成后，應(yīng)用主控制器進(jìn)行測試，成功后再進(jìn)行防腐層恢復(fù)。

2.3 設(shè)備供電

在高后果區(qū)管段處隨通信視頻裝置設(shè)置一個高頻開關(guān)通信電源設(shè)備。外電引自附件村莊，通過架空電纜將電引到配電箱中。高頻開關(guān)通信電源輸出24 V DC，給視頻及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備供電，不間斷供電時間不小于24 h。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行防雷防靜電接地設(shè)計。

3 結(jié)語

管道地質(zhì)災(zāi)害是威脅長輸油氣管道安全運(yùn)行的重大風(fēng)險之一。在油氣管道高后果地區(qū)設(shè)置視頻監(jiān)控點(diǎn)，配合管道應(yīng)力應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了以往只監(jiān)視管道周圍環(huán)境，無法了解地下管道受力情況的缺陷，實(shí)現(xiàn)了對高后果區(qū)管道地上和地下的全方位監(jiān)控，對自然災(zāi)害、人為破壞等事故起到一定預(yù)警作用。