基于多元數據融合的漠大一線高風險融沉管段安全狀態分析

孫晁,黃微,燕冰川,陳健,莊楠

(1.國家石油天然氣管網集團有限公司,北京 100000;2.中國石油大學(北京) 油氣管道輸送安全國家工程研究中心 石油工程教育部重點實驗室 城市油氣輸配技術北京市重點實驗室,北京 102200)

隨著我國能源需求不斷攀升,為保障國家能源安全,國內相關部門與俄方籌劃建設了中俄原油管道,對優化我國能源整體布局意義重大[1-3]。管道穿越多年凍土441 km,最低氣溫-52.3 ℃,全年冰雪覆蓋長達7個月,極易產生差異性凍脹、融沉、熱融滑塌等凍土災害[4-8]。至今,漠大一線已經運行十余年,其建設和運行面臨高寒地區不穩定凍土及環境保護等重大挑戰[9-11]。

由于漠大線的投產運行及其特殊性,國內外學者對融沉災害條件下埋地管道的力學響應開展了研究。王健等人[12]利用Abaqus軟件建立了三維管土耦合模型,考慮管線鋼材料非線性特性,并基于應變設計準則研究分析管道穿越凍土融化區域時管道的應變變化規律。王麗[13]基于彈性力學能量方法構建了管道屈曲力學模型,探析了凍土管道屈曲機理,研究了屈曲臨界溫差的影響因素及影響規律。Xu等人[14]通過試驗方法對永久性以及季節性凍土地區埋地管道的管周土壤應力、應變開展了研究,探明了環境溫度對凍土融沉和管道變形的影響。

綜上可知,以往學者對凍土區管道的力學響應進行了較多的研究分析,具有較深理論基礎,但參數多為假設,缺乏實際工程數據。漠大線投產以來,開展了多類型的管道與環境監測與檢測[15],形成了國際上難得的凍土區管道長周期運行檢測數據。因此,本文基于多元監測數據對漠大一線融沉風險段展開分析,綜合評估管道的安全狀態,為管道的運維管理提出參考建議,對實際工程運行具有重要意義。

1 漠大一線多元數據監測

1.1 漠大一線多元監測數據情況

國家管網北方管道公司根據管道慣性測繪內檢測數據得到了全線融沉風險段,并在全線優選了21個管道端面進行了多元監測,監測數據實時遠傳至管道本體及地災監測預警平臺。目前已有16個監測端面具有較全的監測數據,其中2個監測端面從2010年開始監測,2個監測端面從2015年開始監測,4個監測端面從2016年開始監測,其余監測端面從2019年開始監測。

1.2 多元監測方案介紹

通過長周期監測站對漠大一線各監測端面的軸向應力、附加應力、應變和管周4條測線溫度進行監測。各監測端面采用測溫傳感器對管周土壤溫度進行監測,采用應變片對管道應變進行監測,數據通過GPRS無線傳輸回控制中心。管道本體與管周土壤溫度采用分布式傳感器監測,確定溫度傳感器數據傳輸方案與溫度場傳感器空間布置后(圖1),通過分布式溫度傳感器實現管周溫度場的實時監測。管道應力響應狀態可通過實時應變片進行監測。一般每個管段端面需要布置3個應變片,相鄰監測管段之間的縱向距離約為12 m(圖2)。在管道本體及地災監測預警系統上,可實時查看各監測端面運行周期內所有的監測數據,并對管道安全狀態進行安全等級劃分。

圖1 管道溫度監測方案示意圖

2 漠大一線多元監測數據分析

2.1 報警閾值的設置

在管道本體及地災監測預警系統中,通過對監測應力數據設置三個等級的應力報警閾值進行實時報警,當監測端面應力超過設定閾值,監測系統便會發出報警。因管道內一般存在環向應力和軸向應力,需要采用組合應力的評價準則。記單元體三個主應力為σ1≥σ2≥σ3,Tresca屈服條件假設最大剪應力達到極值時發生屈服,此時的屈服條件為:

σTresca=σ1-σ3=σy

式中:σy代表單向拉伸或壓縮時的屈服強度。

管道工程基于應力評價準則中會根據不同的工況設置相應的設計系數對式(1)中σy進行修正得到許用應力[σ][16]。工程中常用的應力等級劃分標準為屈服應力的30%,60%,90%。漠大一線為X65鋼級管道,由于安裝監測設備時無法了解管道的敷設應力和經過多年運行后的基礎應力,導致監測到的應力小于管道實際應力,因此根據漠大二線超聲應力檢測結果對常規報警閾值的設置進行修正,修正后監測系統中報警閾值等級分別為許用附加應力的30%, 54%, 72%(表1)。

表1 報警閾值表

2.2 基于多元監測數據的管道安全狀態分析

2.2.1 漠大一線全線不同位置監測數據對比分析

目前漠大一線優選的21個監測端面中有16個端面有較全數據,由于夏季凍土融化較大,管道受到的應力大,因此對這些監測端面不同年份管道夏季監測得到的應力進行對比,以確定各監測端面中最危險的端面。管道在1(265#+712 m)、2(113#+690 m)、4(173#+667 m)、6(116#+171 m)端面附加應力變化明顯,4端面變化最為顯著,且有隨時間逐年增大的趨勢(圖3)。其余監測端面的附加應力隨著時間變化趨勢比較平穩。

圖3 各監測端面夏季附加應力隨時間變化曲線

通過上述分析,選取這4個應力較大的端面進行應變與土壤溫度場的分析,以綜合判斷漠大一線的最危險端面。

首先對4個監測端面的應變變化趨勢進行分析,管道應變在0～0.1%之間變化(圖4);除173#+667 m監測端面外,其他三個監測端面附近管道的應變呈現周期性負增長的趨勢,且增長趨勢較小;173#+667 m監測端面管道應變呈現周期性正增大的趨勢且應變最大,由于應變片在管頂位置,即管頂為拉應力,因此,該監測端面應變片位置可能位于融沉區邊緣。173#+667 m監測端面作為危險端面,需密切關注其應力應變的變化且預先制定好減緩措施及方案,以便應對突發情況。

圖4 173#+667 m、113#+690 m、116#+171 m和265#+712 m監測端面管道應變變化對比圖

其次對4個監測端面的管底土壤溫度場變化趨勢進行分析(圖5),4個監測端面中173#+667 m監測端面的土壤溫度最高,其他三個監測端面土壤溫度相對較低,這是由于173#+667 m監測端面管底土壤含水率較大,土壤導熱性高,吸收了較多管道散失的熱量;其他三個監測端面管底土壤含水量較少,導熱性較差,管道散失的熱量較少,管底土壤溫度相對較低。

綜上所述,在所分析的16個監測端面中,173#+667 m監測端面處含冰(水)量較多,融沉量較大,導致應力較大,同時應變呈現持續增長趨勢,因此,這個監測端面附近管段最為危險。

2.2.2 管道危險端面監測數據變化趨勢分析

針對上述173#+667 m監測端面,對監測得到的應力變化趨勢進行詳細分析以明確監測點管道的安全狀態。管道軸向應力每年呈周期性變化且逐年增大(圖6),這是由于管道的溫度和大氣溫度呈現周期性變化且沉降量也在不斷增加,從而致使管道軸向應力也出現周期性變化,其平均應力呈現逐年增大的趨勢。管道最大彎曲應力較大且呈持續增長趨勢,增長幅度較大,出現這種趨勢的原因是土壤融沉導致的管道位移在不斷增大。截至2022年10月23日,管道最大彎曲拉應力為229.71 MPa,最大彎曲壓應力為-229.71 MPa,彎曲應力是導致管道應力持續增加的主要原因,管道最大附加應力從監測開始至今一直呈現持續增長的趨勢,但其大小仍然小于許用應力(圖7、圖8)。

圖6 173#+667 m監測端面管道軸向應力變化趨勢圖

圖7 173#+667 m監測端面管道最大彎曲應力變化趨勢圖

圖8 173#+667 m監測端面管道最大附加應力變化趨勢圖

綜上分析可知,目前漠大一線管道全線最危險端面173#+667 m軸向應力與應變有逐年增加的趨勢,但整體變化范圍較小。目前該監測端面管道最大應力為266.34 MPa,占管道許用應力的74.9%,不考慮安裝時的基礎應力,還有較大的裕量,表明漠大一線最危險管道端面處于安全狀態。

3 結論

針對國內凍土區埋地管道最完整長周期多元監測數據即漠大一線投產以來全線應力應變監測點監測數據開展了空間和時間兩個尺度的橫縱向對比,采用基于應力的評價準則,判斷了當前管道的安全狀態,探明了管道應力、應變與土壤溫度的內在發展規律,得到以下結論與建議:

1)根據監測數據對管道進行安全評價能夠更為真實、全面地評價管道安全狀態,彌補了以假設參數的數值模擬法和試驗法研究對凍土區管道力學響應分析及安全評價的不足。

2)油溫、大氣溫度的周期性變化和土壤含冰量綜合影響了管道沉降量,進而影響管道的應力;在管周土壤含冰量較多管段,土壤融沉位移會導致管道發生較大變形。

3)目前漠大一線全線均處于安全狀態,但是由于管底凍土融沉量不斷增大,管道附加應力持續增加,需要密切關注管道狀態的變化,進行長期跟蹤監測。同時在數據監測的基礎上,應進一步開展基于數值仿真的管周土壤融沉和管道應力狀態預防方法研究。