應力應變監測系統在輸氣管道工程中的應用

劉偉

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257000)

輸氣管道具有壓力高、距離長、沿線地形復雜、線路多埋地敷設等特點，運行中存在很多安全隱患，尤其在易發生地質災害、水災、穿越、占壓等高風險區，管道局部形變及位移應力隨時間累積且不易被發現，嚴重時將導致管道斷裂、天然氣泄漏事故，會造成非常嚴重的人員傷亡及經濟損失[1-2]。某管道公司所轄管線在雨季由于山體滑坡導致管道局部斷裂并引發爆燃，產生了惡劣影響。

目前，智能化管理技術研究是工程熱點，輸氣管道全數據采集是管道智能化的基本需求，管道應力能直接反映管道受力情況，應力應變監測系統通過實時監測管道應力應變的變化，基于應力判據定量分析高風險地區管道的安全狀態，對由應力變化可能引發的安全事故提前預警，使管道的安全管理更加主動。因此，該系統是管道受地質災害破壞預警的直接手段，是構建輸氣管道防災網絡的主要組成部分，能夠有效保障管道的安全可靠運行。

1 管道地質災害演變過程

地質災害主要包括： 崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、黃土失陷、土地凍融以及地震等，地質災害易發地區管道的安全運行存在安全隱患。以山體滑坡為例，分析管道地質災害演變過程。

1.1 坡體蠕變

坡體抗剪強度小于剪切應力，形成斷續拉張裂縫，滑坡面沒有形成貫通形態。坡體載荷對管道加載使其產生縱向應變，且隨著時間推進應變持續增大，但未對管道形成實質性傷害。

1.2 坡體失穩

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

1.3 坡體滑動

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

盡管在輸氣管道選線選址階段時已對管道采取了優化措施，但漫長的輸氣管道經過地質災害高風險地區在所難免，通過實時監測高風險地區管道應力應變情況，設置管道應變報警值，制定應急預案，比如，局部開挖釋放應力等，在坡體蠕動階段對事故預警，避免事故發生。

2 應力應變監測系統

應力應變監測系統主要由應變傳感器、數據采集終端、通信系統及監控主機組成。該系統采用分布式采集系統，將監控主機安裝于控制中心，在管道各個需監控的高風險區設置應變傳感器和數據采集終端，將監測數據通過網絡上傳至監控主機。通常情況下，為了保證該系統的可靠性，會根據每個高風險區的具體情況選定幾個管道截面進行監測，應力應變監測系統結構如圖1所示。

圖1 應力應變監測系統結構示意

2.1 應變傳感器

目前，常用的應變傳感器主要有電阻式、振弦式和光纖式三種。電阻式應變傳感器輸出信號弱、抗干擾能力差、極端環境下壽命短；光纖式應變傳感器需要光纖保持連續性，抗破壞能力較差，且造價高；振弦式應變傳感器具有結構簡單、準確性高、可靠性高、穩定性高等優勢，更適用于應力應變監測系統。

2.2 振弦式傳感器工作原理

振弦式傳感器結構如圖2所示。根據動力學原理，給金屬弦施加一定張力后，其固有振動頻率與張力之間存在的定量關系如式(1)所示：

圖2 振弦式傳感器結構示意

(1)

式中：f——金屬弦的振動頻率，Hz；k——0， 1， 2， …，n；l——金屬弦長度，m；σ——金屬弦的內部張力，N；ρ——金屬弦密度，kg/m3。

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

(2)

式中：σ0——金屬弦原始張力，金屬弦產生微應變時，可以忽略其長度變化的影響，因此式(2)可簡化為

(3)

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

σ=Kf2

(4)

其中，K=l2ρ，可以通過檢測頻率的變化確定張力，振弦式傳感器即是基于該原理設計，固定金屬弦兩端，外部利用金屬管支撐保護，金屬管中間位置安裝激勵線圈和測溫電阻，用脈沖電壓信號激勵線圈使其產生變化磁場，金屬弦在磁力作用下衰減振動，振動頻率隨金屬弦所受張力改變而變化，通過熱敏電阻測試環境溫度進行溫度修正，金屬弦熱膨脹系數為α，對式(4)經過溫度修正后，可得金屬弦應變ε與頻率f的關系，即振弦式應變傳感器基本原理如式(5)所示：

ε=k1f2+αΔT

(5)

式中：k1=K/E。

該監測系統中，應變傳感器采用振弦式，實際應用中，通過調節金屬弦上的調節螺絲設定初始頻率。根據彈性原理，通過獲取每個監測管道截面上3個不同角度處的單軸縱向應變，便可計算該截面任一點的縱向應變，因此每個監控點只需安裝3只傳感器就能滿足要求。

為了提高該系統的可靠性，便于施工操作，通常在管道上半圓內每隔45°均勻布置5只傳感器，能夠確保即使2只傳感器故障時系統仍能正常運行，保證系統長期監測的可靠性。傳感器在管道截面上的布置如圖3所示。

圖3 應變傳感器管道截面布置示意

2.3 數據采集終端

數據采集終端采用模塊化設計，主要有數據采集電路、通信電路、時鐘電路和電源組成。每個終端采集1個管道截面內5只應變傳感器信號，并完成數據的處理、存儲和傳輸，同時對設備的運行狀態和電源狀態進行監測和報警。通過串口方式與網絡設備通信，將數據上傳至控制中心的報警主機。

由于管道形變和應力累積是緩慢的過程，為了降低監控系統功耗，管道應力應變數值在允許范圍內時，用間歇工作方式，可以根據實際情況設置數據采集終端采集應變傳感器數據的頻率和上傳數據的通信頻率；當管道應力應變數值到達設定限值時，數據主動上傳。

2.4 通信系統

為便于數據傳輸，數據采集終端可配備GPRS無線通信模塊和北斗衛星通信模塊，具備GPRS和北斗衛星兩種無線通信方式。隨著通信技術發展及網絡全覆蓋工程推進，實際應用中優先采用GPRS通信，當部分偏遠地區不具備條件時，選用北斗衛星通信。

2.5 監控主機

監控主機是該系統的核心設備，與數據采集終端通信，采集各終端監測數據，同時可通過OPC， Modbus TCP/IP等協議提供對外數據接口，將該系統監測數據發布至管道SCADA控制中心及其他管理系統。監控主機采用主流工作站，Windows操作系統，運行預警軟件，具備數據通信、數據庫管理、遠程參數設置、管道應力應變超限報警等功能。

2.6 供電系統

該監測系統中，需要工作電源的設備包括監控主機、應變傳感器、數據采集終端與現場網絡設備。監控主機安裝在控制中心，電源獲取比較容易且穩定；應變傳感器電源由數據采集終端為其提供；數據采集終端與現場網絡設備的供電需要根據具體情況考慮。

輸氣管道高風險區多數地處偏遠位置，部分地區外電接入困難，除常規電源外還應根據監測點的日照、風能等因素考慮其他供電方式，在日照條件滿足時，通常采用太陽能發電裝置配套蓄電池作為供電電源。

3 工程實施

3.1 監測點選取

根據工程地質災害報告、地質勘察報告及其他相關評估文件確定管道的高風險區，對選定地區再次勘察現場，對已建且正在運行的管道，利用專業軟件對該區域的管道進行有限元模擬分析，確定高風險區管道的應力集中點，將其選為監測管道截面，應力應變監測點選擇大體遵循以下三個原則：

1)地質災害高風險區。根據相關評估報告，在地質災害頻發地區管段選取監測截面，對地質災害可能造成的傷害進行前期預警。

2)高后果區。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》定義了高后果區為管道泄漏后可能對公眾和環境造成較大不良影響的區域，指油氣管道發生泄漏失效后，可能造成嚴重人員傷亡或者嚴重環境破壞的區域。由于部分區域輸氣管道路由存在唯一性，如果存在并被識別為高后果區，應實時監測輸氣管道運行狀態；

3)應力計算高風險區。通過分析輸氣管道應力計算結果，管道路由優化后的應力值被識別為高風險區時，應實時監測該區域管道運行狀態。

實際工程中，一般以輸氣管道線路樁號為基準點對所選取的應力應變監測點進行定位，應力應變監測點選取見表1所示。

表1 應力應變監測點選取

3.2 設備安裝

3.2.1應變傳感器安裝

在已建管道安裝應變傳感器需局部開挖埋地管道，為避免機械裝置破壞管道及其防腐層，在應急預案完備及做好防護措施的前提下采用人工開挖，工作坑尺寸應滿足操作空間需求，根據開挖點地質條件選取最佳放坡比。

根據2.1節所述，每個管道截面需安裝5只應變傳感器。安裝時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，將應變傳感器采用冷焊技術焊接安裝在管道表面。安裝完成后測試接線、恢復管道防腐層并回填復原現場。

3.2.2現場設備安裝

為了更好地偽裝和保護數據采集終端、太陽能發電裝置及電池等現場設備，滿足防護及防盜的需求，將現場設備的安裝外殼設計為仿管道線路警示牌的形式。太陽能板可以根據工程現場實際情況，與仿線路警示牌外殼集成安裝，或單獨立桿安裝，但現場設備應在滿足安全距離的前提下，安裝在通信網絡及日照條件較好的位置。

4 結束語

地質災害對輸氣管道的危害是應力應變累積的過程，在輸氣管道地質災害高風險地區，使用應力應變檢測系統監護管道，在坡體蠕變階段管道失效之前對其應力變化作出早期預報警，同時指導管道搶維修，減輕或延緩各種地質災害可能帶來的嚴重后果，有效地保障了輸氣管道的安全運行。因此，應力應變監測系統可以作為輸氣管道安全防護的重要環節，為管道智能化管理提供重要數據。