应力应变监测系统在输气管道工程中的应用

刘伟

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257000)

输气管道具有压力高、距离长、沿线地形复杂、线路多埋地敷设等特点，运行中存在很多安全隐患，尤其在易发生地质灾害、水灾、穿越、占压等高风险区，管道局部形变及位移应力随时间累积且不易被发现，严重时将导致管道断裂、天然气泄漏事故，会造成非常严重的人员伤亡及经济损失[1-2]。某管道公司所辖管线在雨季由于山体滑坡导致管道局部断裂并引发爆燃，产生了恶劣影响。

目前，智能化管理技术研究是工程热点，输气管道全数据采集是管道智能化的基本需求，管道应力能直接反映管道受力情况，应力应变监测系统通过实时监测管道应力应变的变化，基于应力判据定量分析高风险地区管道的安全状态，对由应力变化可能引发的安全事故提前预警，使管道的安全管理更加主动。因此，该系统是管道受地质灾害破坏预警的直接手段，是构建输气管道防灾网络的主要组成部分，能够有效保障管道的安全可靠运行。

1 管道地质灾害演变过程

地质灾害主要包括： 崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、黄土失陷、土地冻融以及地震等，地质灾害易发地区管道的安全运行存在安全隐患。以山体滑坡为例，分析管道地质灾害演变过程。

1.1 坡体蠕变

坡体抗剪强度小于剪切应力，形成断续拉张裂缝，滑坡面没有形成贯通形态。坡体载荷对管道加载使其产生纵向应变，且随着时间推进应变持续增大，但未对管道形成实质性伤害。

1.2 坡体失稳

坡体滑坡面贯通且整体向下滑动，后缘裂缝逐渐加宽，两侧羽状裂缝贯通，前缘出现鼓胀。坡体荷载使管道应力集中，致使管道防护体损伤乃至管道弯曲变形，管道应变快速逼近甚至超越允许范围。

1.3 坡体滑动

坡体滑坡面加速向下延伸，后缘迅速下陷露出滑壁，滑坡舌向前扩展，破面形成阶梯状地形。管道应变使其出现局部屈曲破裂或拉裂，最终导致管道失效。

尽管在输气管道选线选址阶段时已对管道采取了优化措施，但漫长的输气管道经过地质灾害高风险地区在所难免，通过实时监测高风险地区管道应力应变情况，设置管道应变报警值，制定应急预案，比如，局部开挖释放应力等，在坡体蠕动阶段对事故预警，避免事故发生。

2 应力应变监测系统

应力应变监测系统主要由应变传感器、数据采集终端、通信系统及监控主机组成。该系统采用分布式采集系统，将监控主机安装于控制中心，在管道各个需监控的高风险区设置应变传感器和数据采集终端，将监测数据通过网络上传至监控主机。通常情况下，为了保证该系统的可靠性，会根据每个高风险区的具体情况选定几个管道截面进行监测，应力应变监测系统结构如图1所示。

图1 应力应变监测系统结构示意

2.1 应变传感器

目前，常用的应变传感器主要有电阻式、振弦式和光纤式三种。电阻式应变传感器输出信号弱、抗干扰能力差、极端环境下寿命短；光纤式应变传感器需要光纤保持连续性，抗破坏能力较差，且造价高；振弦式应变传感器具有结构简单、准确性高、可靠性高、稳定性高等优势，更适用于应力应变监测系统。

2.2 振弦式传感器工作原理

振弦式传感器结构如图2所示。根据动力学原理，给金属弦施加一定张力后，其固有振动频率与张力之间存在的定量关系如式(1)所示：

图2 振弦式传感器结构示意

(1)

式中：f——金属弦的振动频率，Hz；k——0， 1， 2， …，n；l——金属弦长度，m；σ——金属弦的内部张力，N；ρ——金属弦密度，kg/m3。

由式(1)可知，f与张力开平方成正比，与l成反比。假设金属弦两固定端产生Δε的微应变，张力变化为Δσ=EΔε，其中E为金属弦的弹性模量，m2/N;此时金属弦产生长度变化Δl，公式(1)修正为

(2)

式中：σ0——金属弦原始张力，金属弦产生微应变时，可以忽略其长度变化的影响，因此式(2)可简化为

(3)

由式(3)可得结论，金属弦的自振频率主要取决于其张力，k=1时基频平方与张力关系为

σ=Kf2

(4)

其中，K=l2ρ，可以通过检测频率的变化确定张力，振弦式传感器即是基于该原理设计，固定金属弦两端，外部利用金属管支撑保护，金属管中间位置安装激励线圈和测温电阻，用脉冲电压信号激励线圈使其产生变化磁场，金属弦在磁力作用下衰减振动，振动频率随金属弦所受张力改变而变化，通过热敏电阻测试环境温度进行温度修正，金属弦热膨胀系数为α，对式(4)经过温度修正后，可得金属弦应变ε与频率f的关系，即振弦式应变传感器基本原理如式(5)所示：

ε=k1f2+αΔT

(5)

式中：k1=K/E。

该监测系统中，应变传感器采用振弦式，实际应用中，通过调节金属弦上的调节螺丝设定初始频率。根据弹性原理，通过获取每个监测管道截面上3个不同角度处的单轴纵向应变，便可计算该截面任一点的纵向应变，因此每个监控点只需安装3只传感器就能满足要求。

为了提高该系统的可靠性，便于施工操作，通常在管道上半圆内每隔45°均匀布置5只传感器，能够确保即使2只传感器故障时系统仍能正常运行，保证系统长期监测的可靠性。传感器在管道截面上的布置如图3所示。

图3 应变传感器管道截面布置示意

2.3 数据采集终端

数据采集终端采用模块化设计，主要有数据采集电路、通信电路、时钟电路和电源组成。每个终端采集1个管道截面内5只应变传感器信号，并完成数据的处理、存储和传输，同时对设备的运行状态和电源状态进行监测和报警。通过串口方式与网络设备通信，将数据上传至控制中心的报警主机。

由于管道形变和应力累积是缓慢的过程，为了降低监控系统功耗，管道应力应变数值在允许范围内时，用间歇工作方式，可以根据实际情况设置数据采集终端采集应变传感器数据的频率和上传数据的通信频率；当管道应力应变数值到达设定限值时，数据主动上传。

2.4 通信系统

为便于数据传输，数据采集终端可配备GPRS无线通信模块和北斗卫星通信模块，具备GPRS和北斗卫星两种无线通信方式。随着通信技术发展及网络全覆盖工程推进，实际应用中优先采用GPRS通信，当部分偏远地区不具备条件时，选用北斗卫星通信。

2.5 监控主机

监控主机是该系统的核心设备，与数据采集终端通信，采集各终端监测数据，同时可通过OPC， Modbus TCP/IP等协议提供对外数据接口，将该系统监测数据发布至管道SCADA控制中心及其他管理系统。监控主机采用主流工作站，Windows操作系统，运行预警软件，具备数据通信、数据库管理、远程参数设置、管道应力应变超限报警等功能。

2.6 供电系统

该监测系统中，需要工作电源的设备包括监控主机、应变传感器、数据采集终端与现场网络设备。监控主机安装在控制中心，电源获取比较容易且稳定；应变传感器电源由数据采集终端为其提供；数据采集终端与现场网络设备的供电需要根据具体情况考虑。

输气管道高风险区多数地处偏远位置，部分地区外电接入困难，除常规电源外还应根据监测点的日照、风能等因素考虑其他供电方式，在日照条件满足时，通常采用太阳能发电装置配套蓄电池作为供电电源。

3 工程实施

3.1 监测点选取

根据工程地质灾害报告、地质勘察报告及其他相关评估文件确定管道的高风险区，对选定地区再次勘察现场，对已建且正在运行的管道，利用专业软件对该区域的管道进行有限元模拟分析，确定高风险区管道的应力集中点，将其选为监测管道截面，应力应变监测点选择大体遵循以下三个原则：

1)地质灾害高风险区。根据相关评估报告，在地质灾害频发地区管段选取监测截面，对地质灾害可能造成的伤害进行前期预警。

2)高后果区。GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》定义了高后果区为管道泄漏后可能对公众和环境造成较大不良影响的区域，指油气管道发生泄漏失效后，可能造成严重人员伤亡或者严重环境破坏的区域。由于部分区域输气管道路由存在唯一性，如果存在并被识别为高后果区，应实时监测输气管道运行状态；

3)应力计算高风险区。通过分析输气管道应力计算结果，管道路由优化后的应力值被识别为高风险区时，应实时监测该区域管道运行状态。

实际工程中，一般以输气管道线路桩号为基准点对所选取的应力应变监测点进行定位，应力应变监测点选取见表1所示。

表1 应力应变监测点选取

3.2 设备安装

3.2.1应变传感器安装

在已建管道安装应变传感器需局部开挖埋地管道，为避免机械装置破坏管道及其防腐层，在应急预案完备及做好防护措施的前提下采用人工开挖，工作坑尺寸应满足操作空间需求，根据开挖点地质条件选取最佳放坡比。

根据2.1节所述，每个管道截面需安装5只应变传感器。安装时需去除传感器安装处管道防腐层并打磨管道表面，使得打磨面积和表面条件满足传感器安装要求。为保证管道上施工安全，将应变传感器采用冷焊技术焊接安装在管道表面。安装完成后测试接线、恢复管道防腐层并回填复原现场。

3.2.2现场设备安装

为了更好地伪装和保护数据采集终端、太阳能发电装置及电池等现场设备，满足防护及防盗的需求，将现场设备的安装外壳设计为仿管道线路警示牌的形式。太阳能板可以根据工程现场实际情况，与仿线路警示牌外壳集成安装，或单独立杆安装，但现场设备应在满足安全距离的前提下，安装在通信网络及日照条件较好的位置。

4 结束语

地质灾害对输气管道的危害是应力应变累积的过程，在输气管道地质灾害高风险地区，使用应力应变检测系统监护管道，在坡体蠕变阶段管道失效之前对其应力变化作出早期预报警，同时指导管道抢维修，减轻或延缓各种地质灾害可能带来的严重后果，有效地保障了输气管道的安全运行。因此，应力应变监测系统可以作为输气管道安全防护的重要环节，为管道智能化管理提供重要数据。