冻土区埋地油气管道应变监测及预报系统

陈友昌，籍 程，黄建忠，刘 畅

（1.大庆油田设计院，黑龙江 大庆 163712；2.新民中石油昆仑燃气有限公司，辽宁 沈阳 110002；3.北京科力华安地质灾害监测技术有限公司，北京 100036）

0 引言

我国多年冻土分为高纬度多年冻土和高海拔多年冻土，前者分布在东北地区，后者分布在西部高原及东部一些较高山地。东北冻土区为欧亚大陆冻土区的南部地带，冻土分布具有明显的纬度地带性规律，自北而南，分布的面积逐渐减少。该区有宽阔的岛状冻土区（南北宽200～400km），其热状态很不稳定，对外界环境因素改变极为敏感。

冻土灾害作为管道地质灾害的一种类型，对管道工程的危害主要是冻胀和融沉对管道的影响。冻胀是在冻结过程中水分在温度梯度下发生迁移而使土体发生膨胀的现象［1］。过饱和的细粒土在负温的作用下，使土中的液态水变成固态的冰晶体，导致体积膨胀，造成土体向自由面的变形隆起，处在冻土地基上的管道就会因地基土性质的不同、土壤冻胀力不同，发生变形。融沉是由于冻土中的冰融化所引起的。当有外界热量输入引起冻土融化后，土质失去支撑能力，并因融化深度、含冰量和土体颗粒大小等的不同，融沉量也有差异，从而引起管道的弯曲［2］。由冻胀和融沉引起的地层和土体应变的变化将使管道产生高应变，是穿越冻土区管线面临的潜在风险。在严重环向焊缝缺陷出现的地方，这些应变能引起管道拉伸破坏；考虑到由冻胀和融沉引起的局部管道曲率的变化，即使对于健康的管道，也能引起管道的屈曲破坏。

工程实例表明：管线的确由于受冻胀和融沉影响而发生屈曲和破坏。美国的阿拉斯加输油管道在沿线埋设地段，大约有50km左右的多年冻土带由于管道运行而融化，造成部分埋地管道严重变形损坏，不得不重新改线。国内格尔木—拉萨成品油输油管道自1977年投运以来，由于冻胀和融沉问题已发生多次“露管”现象和约30次的泄漏事件，造成了很大的经济损失。

为了保障冻土区敷设油气管道的运行安全，国际上部分国家针对冻土区管道地质灾害开展了监测、预警等积极的预防措施。典型的如位于加拿大不连续多年冻土区的罗曼井（NormanWells）输油管道。加拿大地质调查局多年冻土项目的地形科学部参与了NormanWells［3］输油管道沿线的多年冻土和地形研究与监测，监测中取得的成果，对于沿线管道运行的改进和工程减灾、抢修发挥了重要作用。

由于目前尚无准确测定、计算和预测油气管道围岩土的冻胀和融沉变形量的方法［4］，因此从监测围岩土变形进而分析、预测管道变形的思路难于实现。而通过监测管体位移来分析管道受力行为的方法又不够精确。通过管体应变监测的方法，可以对管道在冻胀和融沉作用下的力学状态和承载能力进行定量评价。

1 管道应变监测及分析评价技术

管道在地震、滑坡、不连续冻土区等地质灾害作用下，将承受大的应变，而且地层应变的变化速度是很快的。在此过程中，管道出现断裂、局部屈曲和梁式屈曲等现象，均属于外部干扰造成的非正常载荷引起的失效。

国内外的实践证明，从管道本体出发，把握管道在地质灾害条件下的力学状态，在必要时采取工程措施，保证管道安全运营，管道应力应变监测及其分析评价技术是一种科学和有效的手段。

意大利SNAM公司、加拿大Williams公司针对滑坡等地质不稳定地区采用基于应力应变监测和分析评价的技术手段，积累和扩充了大量的监测数据，为管道技术性能的评估提供了良好的基础，并有效阻止了地质灾害对管道工程的破坏。

在我国西气东输一线，针对采空沉陷和滑坡等不良地质环境影响下的管道，也使用了基于应力应变监测的安全评价方法。这项技术的应用，对于西气东输沿线管道运行的改进和工程减灾、抢修发挥了重要作用。例如2009年初，监测数据显示某采空区场地的管段应变值异常，经初步分析管道局部应力集中出现超应力，现场挖掘验证管体最大下沉量达1.8m，同时土体位移剪切造成多处焊口防腐失效，采取管道抬升挪移等措施后，有效避免了管道泄漏事故的发生。

冻土区管道应变监测及其分析评价，是针对多年冻土和差异性冻土区的管道，通过在管道本体上安装应变传感器，获取管道在冻胀和融沉作用下的真实应变变化数据，并从基于应变的判据出发，对冻土灾害区管道的力学状态进行定量评价。

1.1 冻土区管道应变监测

油气管线受冻胀和融沉作用，通常要承受增长的轴向应变，因此获取管道轴向应变的变化是冻土区管道应变监测的主要内容。通过以下应变传感器的安装方式，可以获取到管道横截面圆周上任一点的轴向应变值。

对于直径为D的管道来说，图1所示 A、B、C三个位置呈90°阵列安装，在实测该三点轴向应变已知的前提下，管道横截面圆周上任何一点的轴向应变按下式计算。

若3支应变计按图2所示A、B、C三个位置呈120°阵列安装，管道横截面圆周上任何一点的轴向应变按下式计算。

图1 90°阵列安装Fig.1 90DegreeArray

图2 120°阵列安装Fig.2 120°DegreeArray

其中：x、y——管道横截面圆周上任一点的坐标。坐标系如图1，2示。

D——管道直径。

ε——点（x，y）的轴向应变。

a、b、c——在图中所示 A、B、C 三个位置处应变计的轴向应变值。

1.2 冻土区管道应变校核［5］

1.2.1 轴向拉伸应变校核

由内压、温差以及冻胀（融沉）、弹性敷设等外载荷引起的管道轴向拉伸应变应满足以下要求：

εtf——轴向容许拉伸应变。

1.2.2 轴向压缩应变校核

由内压、温差以及冻胀（融沉）、弹性敷设等外载荷引起的轴向压缩应变应满足以下要求。

ε'cf——轴向容许压缩应变。

1.2.3 椭圆化变形校核

管道由弯曲引起的扁率应满足以下条件：

其中：Δθ——椭圆化变形；

其中：Dmax——最大管道外径，mm；

Dmin——最小管道外径，mm。

Δcrit——临界椭圆化变形，取0.03。

θ

2 冻土区管道应变监测预报系统

冻土区管道应变监测预报系统以管道应变监测技术和管道应变分析评价技术为基础，结合现代传感技术、现代通信技术和计算机技术，通过实时动态监测管道本体的应变、温度变化数据，计算和分析管道本体在冻胀、融沉作用下的力学状态，并根据管道的主要力学指标变化，发布相应的预报、预警，有效辅助管道的运行维护和管道冻土灾害的减灾治理。

2.1 系统的开发原则

（1）有效性：应变监测预报系统必须能够及时、有效地反映冻土灾害作用下管道的力学变化过程，定量评价管道的力学状态。

（2）可靠性：应强调传感器等设备仪器的长期稳定以及采用成熟的安装工艺，确保系统设备在恶劣地质条件和管道实际运行工况下的寿命，以保证监测预报系统的正常运行。

（3）经济性：以相对小的投入获取尽可能大的监测效果，是应变监测预报系统开发的重要原则之一。管道沿线冻土灾害分布广泛，控制严重的冻土灾害隐患点是关键。

（4）可扩展性：一是所采用的技术手段可实现监测范围的可扩展；二是要强调监测技术的可移植、可扩散。

（5）可操作性：监测系统必须满足经简单培训就可以让管理人员掌握。

2.2 系统开发的技术目标

应变监测预报系统实现数据实时采集、传输、分析、预报、发布于一体化。系统不仅用于监控冻土灾害作用下管道的力学状态，而且能为管道完整性管理的风险评价系统提供科学的数据支持。

（1）针对冻土地质灾害区的管线，利用现代传感技术、应变监测技术、现代通信技术及计算机技术，取得完整的管道力学变化基础数据；

（2）对基础信息和监测所获取的动态数据进行随时存储，建立管道应变监测数据库；

（3）以监测数据库为基础，充分利用软件技术、应变分析评价技术、网络技术，输出直观的定量化力学指标；

（4）管道管理者根据力学指标变化，能够及时、准确掌握管道在冻土灾害作用下管道的变形现状和发展趋势。

2.3 系统的构成

应变监测预报系统由数据采集子系统、数据自动处理子系统和信息发布子系统三部分构成。

（1）数据采集子系统

由传感器、数据采集设备、通信与传输设备组成数据采集子系统，完成监测基础数据的自动读取和远程传送。

（2）数据自动处理子系统

由服务器、数据解析软件、数据库软件、数据分析软件等软硬件组成，完成管道力学指标变化的生成。

（3）信息发布子系统

通过互联网或企业内部局域网，对生成的管道力学指标变化进行可视化表达，让管道管理者实时掌握管道的力学状态。

2.4 应变监测系统在漠大线的应用

2.4.1 项目简介

中俄原油管道漠河至大庆段管道工程是我国引进国外能源的重要工程之一，管线穿越东北北部的大小兴安岭和嫩江河谷大约500km的多年冻土区（漠河～大杨树）和465km的季节冻土区（大杨树～大庆）。沿线冻土工程地质条件复杂，冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布［6］。多年冻土和生态环境的变化及其对管道基础的差异性冻胀和融沉等冻土灾害问题对管道今后的运营构成严重威胁。

为了实时监控管道的力学状态和安全状况，让管道运营管理更具主动性和可控性，同时为研究冻土—管道相互作用规律积累基础数据，在加格达奇以北选取了冻胀、融沉典型灾害点6处，建设了管道应变监测预报系统。该系统采用了先进的光纤光栅传感技术、光通信和无线传输技术，目前实现了通过近端服务器控制现场设备，自动完成数据的采集、传送、存储、分析、输出等功能，可有效预报管道受冻胀和融沉的影响。

2.4.2 数据分析

截至2011年9月8日，监测系统输出数据显示：6个灾害点中，F监测点的应变监测数据有较大变化（如表1、图3），其中第5截面的最大轴向拉伸应变为598.59με，最大轴向压缩应变为 －497.16με，弯曲应变为547.88με；目前应变值满足管道应变校核条件的要求。其他5个灾害点通油后至今管道的应变变化均较小。

表1 F点各监测截面应变变化Table1 LongitudinalstrainsatFstation

图3 F点各应变监测截面数值图Fig.3 StrainsatFstation

漠大线管道应变监测预报系统的建立和完善，将填补我国冻土区管道力学监控的空白，使我国的输油管道监测技术得以丰富和完善。

3 结论

（1）管道在冻土区面临的主要威胁是冻土的冻胀和融沉。由于冻胀和融沉的作用，管道轴向往往承受较大的应力和应变，严重时会造成管道的拉伸和屈曲破坏。

（2）实时掌握管道在典型冻土灾害下的力学状态和承载能力，采用基于应变的监测和分析评价方法，可以有效防止埋地油气管道围岩土冻胀（融沉）变形带来的潜在风险。

（3）管道基于应变的监测预报系统开发，应充分考虑可靠性、经济性、可扩展性，并能有效辅助管道的运行维护和管道冻土灾害的减灾治理。

［1］HA崔托维奇.冻土力学［M］.北京：科学出版社，1985：1－53.HA Translated.Freezingsoilmechanics［J］.Beijing：SciencePress，1985：1－53.

［2］吕宏庆，李均峰，汤永亮.多年冻土区管道的若干关键技术［J］.天然气与石油，2009，27（6）：1－4.LVHongqing，LIJunfeng，TANGYongliang.Severalkey technicalissuesofpermafrostpipeline［J］.NaturalGasand Oil，2009，27（6）：1 －4.

［3］李均峰，吕宏庆，李著信.国外多年冻土区管道建设的经验与启示［J］.石油工程建设，2006（6）：1－4.LIJunfeng，LV Hongqing，LIZhuxin.Experienceand revelation learned from foreign pipeline construction projectsinpermafrostregions［J］.PetroleumEngineering Construction，2006（6）：1 －4.

［4］吕宏庆，李均峰，苏毅.多年冻土区管道的失效形式及监测技术［J］.天然气工业，2008，28（9）：98 －100.LVHongqing，LIJunfeng，SHUYi.Failuremodesand monitoringtechniquesofpipelinesinpermafrostzone［J］.NaturalGasIndustry，2008，28（9）：98－100.

［5］CanadianStandardsAssociation.Z662 －07，OilandGas PipelineSystems［S］.Canada：Ontario，2007.

［6］李国玉，金会军，陈友昌，等.中国 －俄罗斯原油管道工程（漠河－大庆段）冻土工程地质考察与研究进展［J］.冰川冻土，2008，30（1）：170 －175.LIGuoyu，JINHuijun，CHENYouchang，etal.Recent advancesinfrozengroundengineeringgeologysurveyalong theChina-Russiacrudeoilpipelineroute［J］.Journalof GlociologyandGeocryology，2008，30（1）：170－175.