应力应变监控技术在某水毁治理工程中的应用

陈红霞，马廷霞，朱亚明，谢娜娜，张 瑜

西南石油大学机电工程学院 （四川 成都 610500）

管道作为流体物料输送的一种特种设备，在现代工农业生产和人民生活中起着重要的作用，成为现代国民经济发展和城乡人民生活的大动脉[1]。除公路、铁路、水运和航空以外,它是现代生产的第五大运输方式,在国家经济建设中占据着重要的地位[2]。我国地域辽阔，地貌形势多样，长输管道不可避免地要穿越河流、湖泊等水文活动地域。在长期服役过程中，若河床变化较为剧烈或遇大型洪水，水流冲刷可能造成管道裸露和漂浮[3]。本例为敷设在河漫滩土体下的管道，受水流冲刷易造成覆盖层减薄、裸露甚至悬空，从而出现较大的位移应力、屈曲或蠕变，甚至发生管道断裂破坏[4]。因此，对潜在危险段管道进行监测与维护十分重要。漂管沉降技术以其施工简单、造价低、工期短、经济效益显著、不破坏农田的优点适用于南方及沿海地区大中型河流的管道穿越[5]。但管道沉降技术的实施过程会使管道处于复杂的受力以及变形情况之中，具有一定的危险性。由马廷霞教授发明的应力应变远程监控仪[6]是一种对管道进行实时应力应变监控的装置，将其应用于管道沉降过程中，可以为管道沉降技术提供技术指导，为保证管道的安全起到重要作用[7]。

1 应力应变监控系统

1.1 应力应变监控技术

应力应变监控系统通过将被测构件表面视为二向应力状态，采用由3个应变片组成的应变花 （图1），分别测得3个方向的线应变。在弹性范围内，由广义胡克定律确定3个方向主应力为[8]：

图1 应变花方位图

式中：E为弹性模量（杨式模量），MPa；μ为泊松比，无量纲；ε0°、ε45°、ε90°为 0°、45°、90°方向应变，无量纲；σ0°为轴向应力，MPa；σ90°为环向应力，MPa；σ1，σ2为各主应力值，MPa；θp为主应力方向角度，°。

1.2 应力应变远程监控仪

应力应变远程监控仪主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统包括应变采集器、数据处理转换器、无线GPRS模块、供电装置；软件系统包括数据采集及分析、数据库维护、数据处理及曲线表达、自动报警、网络控制、防雷装置。监控系统原理如图2所示，应变采集器可以实时采集构件轴向、环向、45°方向应力-应变，通过数据处理转换器输出结构主应力值及主应力方位角，绘制结构环向、轴向、45°方向、主应力应变-时间曲线；完成监测报告。系统的远程监控是基于GPRS模块实现的，其数据采集流程如图3所示。

图2 监控系统原理图

2 实例分析

2.1 工程背景

某长输管道受特大暴雨冲刷影响，发生90m漂管险情，造成管段裸露和局部管道变形，现场照片如图4所示。该段管道主要在河漫滩敷设，主要地层岩性为卵石，成分以灰岩为主，厚度大于5m，地下水位深度0～1.5m，水质较好，对管道弱腐蚀。该段河道最大冲刷深度为1.93m。管道参数见表1和表2。

图3 数据采集流程图

图4 沉管管段现场照片

2.2 危险截面的确定

根据工况用有限元软件ABAQUS建立如图5(a)所示的模型[9]，通过ABAQUS/Standard求解器得出如图5(b)的结果[10]。结果表明管道最大应力值在管道与土壤的结合处为378.8MPa，超过了许用应力，严重威胁管道运行安全[11]。通过对该管段的具体情况进行分析，采用沉管[12]方案对其治理，并对沉管过程管道危险截面的应力-应变进行实时监测。

2.3 危险截面受力分析

根据《现役管道的不停输移动推荐作法》，

轴向初始应力：

式中：SP为由内压产生的轴向拉伸应力，MPa；ST为由于温度变化产生的管道轴向拉伸应力，MPa；p为管道最大内工作压力，MPa；D为管外径，mm；μ为钢材泊松比，0.3；t为管子公称壁厚，mm；E为弹性模量 （杨式模量），MPa；a为钢材线性热膨胀系数，mm/（mm·℃）；T1为管道安装时的温度，℃；T2为管道移动时的工作温度，℃。

表1 管道基本参数

表2 管道计算参数

图5 管道模拟计算

环向初始应力

式中：σφ为管道环向初始应力，MPa。

管道设计许用应力

式中：[σS]为管道设计许用应力，MPa；FD为设计系数，无量纲；SMYS为管道规定最小屈服强度，MPa。

根据式（5）～（7）算出应力值见表 3。

表3 管道计算应力

管道监测过程运行应力增量

式中：[σj]为管道监测过程运行许用应力增量,MPa。

在沉管过程中，管道内外压不发生变化，环向应力变化很小，所以应采用轴向应力小于许用应力作为安全评定准则[13]。

3 监测过程

3.1 沉管监测位置布置

根据风险载荷作用情况，选择危险点，包括：①风险载荷直接作用区域；②风险载荷作用后对弯管的影响区；③焊缝区、接管区；④管子横截面直径、壁厚、温度、压力突变区[14]。

危险截面共计9个，监测点位置如图6所示。其中：过渡段与沉管段连接处，为折角最大处，属危险截面，需要在两处连接点各装设2个应变传感器，设置4个监测点；挠度最大处，属危险截面，需要在此处装设1个应变传感器，设置2个监测点。中间段附近管道弯曲，在弯管处设置监测点，设置了3个监测点。每个监测点需要设置1个温度补偿传感器，共设置9个温度补偿传感器。

图6 监测点位置示意图

3.2 设计参数

根据《现役管道的不停输移动推荐作法》附录B计算，在钢管轴向应力不超过应力极限下，管段沉降至预定深度时过渡段最小长度Lmin=208m。

参照类似工程实例并考虑管道服役年限、确保沉管施工过程安全等综合因素，确定上述值按照300m选取。则沉管的开挖管沟最小长度为390m。

3.3 沉管段的分布

通过计算，过渡段长度为300m，单侧长度取150m。施工前在对管道纵断面标高和平面位置进行复测及对管位、弯管等进行准确定位后，应根据现场实际情况适当调整分配两侧过渡段的长度以满足实际沉管的需要。具体沉管示意图如图7所示。

图7 管段沉管示意图

3.4 监测结果

选用陕西汉中中原电测仪器厂生产的水下电阻应变传感器，共64个，应用3.1所述监测方案，一次测量0°、45°、90°方向应力应变值。针对上述危险段，每段选取一个点列出其最大主应力绝对值，见表 4。可以看出监测点3的应力值最高，点3为弯管段，在沉管过程中弯管曲率发生变化，造成应力集中。

表4 监测过程中主应力最大值数据表

4 结论

沉管过程中采用实时监控的方式，对于沉降过程中局部应力增大予以及时调整，减小其应力值，使得管道各个危险截面的主应力都保持在许用应力范围内，最后成功完成了沉管。应力应变监控技术的应用，提高了管道治理的安全性、节省了费用，有效地避免了一些事故的发生，保障了人民群众的生命安全以及环境安全。同时，管道监测技术还可以扩展应用于类似的工程中。

[1]陈国华，胡章文，李其朋.地基差异沉降下埋地管道的有限元分析与试验研究[J].安全与环境学报，2010,10（3）：175-179.

[2]王直民.交通荷载作用下埋地管道的力学性状研究[D].杭州：浙江大学,2006.

[3]O’Donnell H W.Investigation of flood induced pipeline failures on lower San Jacinto River [C].Proceedings of the Pipeline Division Specialty Conference.New York,United States,ASME,2005.

[4]王晓霖，帅健.洪水中漂浮管道的应力分析[J].工程力学，2011,28（2）：212-216.

[5]魏广起，张吉坤，宗照峰.应用漂管沉降施工工艺穿越河流[J].石油工程建设，2001,27（3）：48-49.

[6]马廷霞.应力应变远程监控仪:中国,200910224630[P].2010-06-02.

[7]朱学科.应用沉管技术解决长输管道河谷内敷设难题[J].油气田地面工程，2007，26（3）：45-46.

[8]徐芝纶.弹性力学[M].北京:高等教育出版社，2006.

[9]刘全林.地埋管道与土相互作用平面分析与计算方法[J].岩土力学，2007，28（1）：83-88.

[10]Hsu T W,Chen Y J,Wu Chun.Soil friction restraint of oblique pipelines in loose sand[J].Journal of Transportation Engineering,2001,127(1):82-87.

[11]Yimsiri S,Soga K,Yoshizaki,et al.Lateral and upward soilpipeline interactions in sand for deep embedment conditions[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(8):830-842.

[12]周广合，肖胜军，陈晓霞.沉管法在大口径长输管道工程中的应用[J].石油工程建设，2009，35（6）：45-47.

[13]任朝军，吕黄，苏林王,等.沉管隧道管节沉放实时定位测量技术现状分析[J].现代隧道技术，2012,49(1):44-49.

[14]康万平，王宇，李战宏.沉管技术在长输管道河谷段的施工应用[J].油气储运，2010，29（7）：550-552.