基于多元数据融合的漠大一线高风险融沉管段安全状态分析

孙晁,黄微,燕冰川,陈健,庄楠

(1.国家石油天然气管网集团有限公司,北京 100000;2.中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程研究中心 石油工程教育部重点实验室 城市油气输配技术北京市重点实验室,北京 102200)

随着我国能源需求不断攀升,为保障国家能源安全,国内相关部门与俄方筹划建设了中俄原油管道,对优化我国能源整体布局意义重大[1-3]。管道穿越多年冻土441 km,最低气温-52.3 ℃,全年冰雪覆盖长达7个月,极易产生差异性冻胀、融沉、热融滑塌等冻土灾害[4-8]。至今,漠大一线已经运行十余年,其建设和运行面临高寒地区不稳定冻土及环境保护等重大挑战[9-11]。

由于漠大线的投产运行及其特殊性,国内外学者对融沉灾害条件下埋地管道的力学响应开展了研究。王健等人[12]利用Abaqus软件建立了三维管土耦合模型,考虑管线钢材料非线性特性,并基于应变设计准则研究分析管道穿越冻土融化区域时管道的应变变化规律。王丽[13]基于弹性力学能量方法构建了管道屈曲力学模型,探析了冻土管道屈曲机理,研究了屈曲临界温差的影响因素及影响规律。Xu等人[14]通过试验方法对永久性以及季节性冻土地区埋地管道的管周土壤应力、应变开展了研究,探明了环境温度对冻土融沉和管道变形的影响。

综上可知,以往学者对冻土区管道的力学响应进行了较多的研究分析,具有较深理论基础,但参数多为假设,缺乏实际工程数据。漠大线投产以来,开展了多类型的管道与环境监测与检测[15],形成了国际上难得的冻土区管道长周期运行检测数据。因此,本文基于多元监测数据对漠大一线融沉风险段展开分析,综合评估管道的安全状态,为管道的运维管理提出参考建议,对实际工程运行具有重要意义。

1 漠大一线多元数据监测

1.1 漠大一线多元监测数据情况

国家管网北方管道公司根据管道惯性测绘内检测数据得到了全线融沉风险段,并在全线优选了21个管道端面进行了多元监测,监测数据实时远传至管道本体及地灾监测预警平台。目前已有16个监测端面具有较全的监测数据,其中2个监测端面从2010年开始监测,2个监测端面从2015年开始监测,4个监测端面从2016年开始监测,其余监测端面从2019年开始监测。

1.2 多元监测方案介绍

通过长周期监测站对漠大一线各监测端面的轴向应力、附加应力、应变和管周4条测线温度进行监测。各监测端面采用测温传感器对管周土壤温度进行监测,采用应变片对管道应变进行监测,数据通过GPRS无线传输回控制中心。管道本体与管周土壤温度采用分布式传感器监测,确定温度传感器数据传输方案与温度场传感器空间布置后(图1),通过分布式温度传感器实现管周温度场的实时监测。管道应力响应状态可通过实时应变片进行监测。一般每个管段端面需要布置3个应变片,相邻监测管段之间的纵向距离约为12 m(图2)。在管道本体及地灾监测预警系统上,可实时查看各监测端面运行周期内所有的监测数据,并对管道安全状态进行安全等级划分。

图1 管道温度监测方案示意图

2 漠大一线多元监测数据分析

2.1 报警阈值的设置

在管道本体及地灾监测预警系统中,通过对监测应力数据设置三个等级的应力报警阈值进行实时报警,当监测端面应力超过设定阈值,监测系统便会发出报警。因管道内一般存在环向应力和轴向应力,需要采用组合应力的评价准则。记单元体三个主应力为σ1≥σ2≥σ3,Tresca屈服条件假设最大剪应力达到极值时发生屈服,此时的屈服条件为:

σTresca=σ1-σ3=σy

式中:σy代表单向拉伸或压缩时的屈服强度。

管道工程基于应力评价准则中会根据不同的工况设置相应的设计系数对式(1)中σy进行修正得到许用应力[σ][16]。工程中常用的应力等级划分标准为屈服应力的30%,60%,90%。漠大一线为X65钢级管道,由于安装监测设备时无法了解管道的敷设应力和经过多年运行后的基础应力,导致监测到的应力小于管道实际应力,因此根据漠大二线超声应力检测结果对常规报警阈值的设置进行修正,修正后监测系统中报警阈值等级分别为许用附加应力的30%, 54%, 72%(表1)。

表1 报警阈值表

2.2 基于多元监测数据的管道安全状态分析

2.2.1 漠大一线全线不同位置监测数据对比分析

目前漠大一线优选的21个监测端面中有16个端面有较全数据,由于夏季冻土融化较大,管道受到的应力大,因此对这些监测端面不同年份管道夏季监测得到的应力进行对比,以确定各监测端面中最危险的端面。管道在1(265#+712 m)、2(113#+690 m)、4(173#+667 m)、6(116#+171 m)端面附加应力变化明显,4端面变化最为显著,且有随时间逐年增大的趋势(图3)。其余监测端面的附加应力随着时间变化趋势比较平稳。

图3 各监测端面夏季附加应力随时间变化曲线

通过上述分析,选取这4个应力较大的端面进行应变与土壤温度场的分析,以综合判断漠大一线的最危险端面。

首先对4个监测端面的应变变化趋势进行分析,管道应变在0～0.1%之间变化(图4);除173#+667 m监测端面外,其他三个监测端面附近管道的应变呈现周期性负增长的趋势,且增长趋势较小;173#+667 m监测端面管道应变呈现周期性正增大的趋势且应变最大,由于应变片在管顶位置,即管顶为拉应力,因此,该监测端面应变片位置可能位于融沉区边缘。173#+667 m监测端面作为危险端面,需密切关注其应力应变的变化且预先制定好减缓措施及方案,以便应对突发情况。

图4 173#+667 m、113#+690 m、116#+171 m和265#+712 m监测端面管道应变变化对比图

其次对4个监测端面的管底土壤温度场变化趋势进行分析(图5),4个监测端面中173#+667 m监测端面的土壤温度最高,其他三个监测端面土壤温度相对较低,这是由于173#+667 m监测端面管底土壤含水率较大,土壤导热性高,吸收了较多管道散失的热量;其他三个监测端面管底土壤含水量较少,导热性较差,管道散失的热量较少,管底土壤温度相对较低。

综上所述,在所分析的16个监测端面中,173#+667 m监测端面处含冰(水)量较多,融沉量较大,导致应力较大,同时应变呈现持续增长趋势,因此,这个监测端面附近管段最为危险。

2.2.2 管道危险端面监测数据变化趋势分析

针对上述173#+667 m监测端面,对监测得到的应力变化趋势进行详细分析以明确监测点管道的安全状态。管道轴向应力每年呈周期性变化且逐年增大(图6),这是由于管道的温度和大气温度呈现周期性变化且沉降量也在不断增加,从而致使管道轴向应力也出现周期性变化,其平均应力呈现逐年增大的趋势。管道最大弯曲应力较大且呈持续增长趋势,增长幅度较大,出现这种趋势的原因是土壤融沉导致的管道位移在不断增大。截至2022年10月23日,管道最大弯曲拉应力为229.71 MPa,最大弯曲压应力为-229.71 MPa,弯曲应力是导致管道应力持续增加的主要原因,管道最大附加应力从监测开始至今一直呈现持续增长的趋势,但其大小仍然小于许用应力(图7、图8)。

图6 173#+667 m监测端面管道轴向应力变化趋势图

图7 173#+667 m监测端面管道最大弯曲应力变化趋势图

图8 173#+667 m监测端面管道最大附加应力变化趋势图

综上分析可知,目前漠大一线管道全线最危险端面173#+667 m轴向应力与应变有逐年增加的趋势,但整体变化范围较小。目前该监测端面管道最大应力为266.34 MPa,占管道许用应力的74.9%,不考虑安装时的基础应力,还有较大的裕量,表明漠大一线最危险管道端面处于安全状态。

3 结论

针对国内冻土区埋地管道最完整长周期多元监测数据即漠大一线投产以来全线应力应变监测点监测数据开展了空间和时间两个尺度的横纵向对比,采用基于应力的评价准则,判断了当前管道的安全状态,探明了管道应力、应变与土壤温度的内在发展规律,得到以下结论与建议:

1)根据监测数据对管道进行安全评价能够更为真实、全面地评价管道安全状态,弥补了以假设参数的数值模拟法和试验法研究对冻土区管道力学响应分析及安全评价的不足。

2)油温、大气温度的周期性变化和土壤含冰量综合影响了管道沉降量,进而影响管道的应力;在管周土壤含冰量较多管段,土壤融沉位移会导致管道发生较大变形。

3)目前漠大一线全线均处于安全状态,但是由于管底冻土融沉量不断增大,管道附加应力持续增加,需要密切关注管道状态的变化,进行长期跟踪监测。同时在数据监测的基础上,应进一步开展基于数值仿真的管周土壤融沉和管道应力状态预防方法研究。