管道监测技术在河谷段管道沉降中的应用

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管道监测技术在河谷段管道沉降中的应用

孙健，马廷霞

（西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室， 四川 成都 610500）

[摘 要] 漂管造成管段裸露和局部管道变形，严重威胁管道安全运行。本文以忠武线河谷段沉管为实例，对漂管段管道的力学状态进行分析，提出利用三通道应变采集系统来监测管道，该技术通过数据的采集与转换，实时监测管道应力变化，对沉管过程提出科学的施工指导。该技术还可为其它地质条件下的管道监测维护提供参考。[关键词] 长输管道；三通道应变采集系统；沉管；管道监测；应用

长输油气管道承担着我国油气能源的运输任务，被誉为国民经济的动脉。近年来，随着油气储运技术的持续发展，管道已在各种地质地貌复杂地区和各种特殊地理环境中进行了铺设。不良地质现象（包括滑坡、崩塌、泥石流、冲沟发育地段、铁路穿越等）对管道的影响可归结为管道在相应条件下的受力状态和抵抗破坏、变形和维持稳定性的能力与原设计工况给定的相关条件发生了变化，这就容易造成管道整体位移、悬空，导致局部变形、应力集中，甚至屈曲或蠕变，严重时导致管道断裂破坏，给运营管理造成巨大的安全隐患。此外，河流的改道、地震等自然灾害、管道自身的腐蚀以及石油在管道中高速流动发生材料疲劳等都将引起穿越管道失效[1]。因此，对管道运行的监测与维护十分重要。石油管道监测技术在国内的研究始于上世纪90年代，但近些年才取得突破性进展，并在生产中发挥作用[2]。河谷段管道大多埋设于河床稳定层，很难掌握穿越的工作状态和运行变化规律[3]。漂管沉降施工技术[4]

在穿越河流管道中应用时，具有一定危险性，管道监测技术可为此提供相关技术指导。

电测传感器。传感器的作用是感受各种物理量，如压力、线位移、角位移、应变和温度等，并把这些物理量转变为电信号。数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描，把扫描得到的电信号进行数字转换，转换成数字量，再根据传感器特性对数据进行传感器系数换算（如把电压数换算成应变或温度等），然后将数据传送给计算机或将这些数据打印输出、存入磁盘。计算机是整个数据采集系统的控制器，控制整个数据采集过程。线路布置和引出接线如图1、图2所示。

2 实例分析

忠县—武汉输气管道工程是国家“西气东输”系统工程的重要组成部分。其途径地段地质结构复杂，地质灾害多发，途径湖北省宜昌市长阳县榔坪镇沿榔坪河谷。榔坪河属于季节性河流，丰水期水量较大，因宜万铁路、沪蓉西高速公路施工弃渣堆积导致河道变窄，局部管段受河水冲刷严重，管道埋深严重不足。其中K306+060段管道受特大暴雨冲刷影响，发生漂管150m，造成管段裸露和局部管道变形，严重威胁管道运行安全。该段管道两侧5-10m外为公路挡渣墙，管沟开挖深度受限，管道只能沉降到一定深度，沉管管段现场情况如图3。

根据《忠县—武汉输气管道长阳县段线路工程地质勘察报告》，该段管道主要在河床内敷设，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。

作者简介：孙健( 1985—)，男，硕士研究生，现就读于西南石油

大学化工过程机械专业，研究方向为压力容器及管道的可靠性及安全工程。

1 监测方法

利用三通道应变采集系统，实时监测沉管过程中的参数变化，判断管道在外载荷作用下可能发生的失效形式，实时判断管道安全状态，并针对被管道受外载荷影响可能产生的危险，实现预警预报。由此对沉管操作过程进行科学指导，从而达到安全和科学施工的目的。

三通道应变采集系统的硬件部分由传感器、数据采集仪和计算机组成。传感器部分包括各种

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第5期 孙健等 管道监测技术在河谷段管道沉降中的应用

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图1 线路布置图

图2 引出接线图

图3 K306+060沉管管段现场情况

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故障诊断

石油和化工设备2012年第15卷

2.1 数据分析与计算

表1 管道参数

管道直径(mm)

711

钢管壁厚(mm)

8.7mm

钢管材质X65

钢管类型螺旋缝埋弧焊钢管

表2 管材参数

X65

母材母材技术规格书要求

纵向横向母材

屈服强度(MPa)

590540450～600

抗拉强度(MPa)

700655535～760

屈强比0.840.82≤0.93

延伸率(%)32.532.0≥21

运行压力(MPa)

6.4

安装温度(℃)

27

运行温度(℃)

13

使管道中产生应力的因素有多种，最主要的两个因素是存在重力、压力等外力载荷和热胀冷缩位移载荷[5]。其中：

内压产生的轴向应力：s 78.46MPa；q 温度变化产生的轴向应力：

sT Ea(T1 T2) 30.43MPa；

m2；μ为泊松比；α0为主应力角度；ε0°为0°方

向的应变；ε45°为45°方向的应变；ε90°为90°方向的应变；[σ]为许用应力，Mpa。

pDm2t

2.2 弯管监测

弯管改变了管道的轴线方向，增加了管线的柔性，使管线易于变形，有利于减小管道的温度应力。另一方面，由于弯管是一双重曲率面所限制的壳体，弯曲管段的应力分布是不均匀的，其在内压作用下的应力状态与直管有本质的不同[6]。沉管管段有一处弯管，将一监测点布在弯管处，监测处理结果如图4、图5

。从沉管过程中该监测点的应力和应变变化曲线可见，沉管过程中应力和

应变呈逐渐增大趋势，沉管过程中采用边下沉边监测的方式，对于下沉过程中局部应力增大给予了及时消除，保证了管道应力在许用应力范围内。

轴向初始应力： s 0 sq sT 108.89MPa；pDm 环向初始应力：s 156.91MPa；f

t

设计许用应力:

s FD SMYS 0.72 450 324MPa。

式中：p -沉管压力，MPa；D -管道外径，mm；μ-钢材泊松比，取0.3；t -管道厚度，mm；E-材料的弹性模量，N/m2；α-钢材线性热膨胀系数，mm/(mm ℃)；T1-安装温度，℃；T2-运行温度，℃；FD -设计系数，取0.72；SMYS-屈服强度，MPa。

被测管道表面视为二向应力状态，用应变花（由三个应变片组成）分别测量0°、45°、90°方向应力应变值，再由广义胡克定律确定主应力，计算公式如下：

s

EE

(e0 e90 ) (e0 e90 )2 (e45 e90 )2

s2,3 2(1 μ)2(1 μ)

1

图4 应变变化曲线

(e e) (e0 e45 )tg2a0 45 90

(e45 e90 ) (e0 e45 )

（1）（2）

采用第四强度理论进行强度校核：

1

2

[(s1 s2)2 (s2 s3)2 (s3 s1)2] s （3）

式中：σ1为第一主应力，MPa；σ2,3为第

二、三主应力，MPa；E为材料的弹性模量，N/

图5 应力变化曲线

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孙健等 管道监测技术在河谷段管道沉降中的应用第5期

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3 结束语

应用管道监测技术，使沉管施工过程中管道

应力和应变变化值处于允许范围内，并稳定增加和递减，确保长输管道的连续作业，使管道安全运营。既提高了管道维修的安全性，还节省了大量费用，有效地避免了各种事故发生，保障了人民群众的生命安全。同时，管道监测技术还可为滑坡、悬空等地质灾害条件下的管道维护提供可靠依据。

◆参考文献

[1] 余建星，詹强，吴海欣. 穿越管道的疲劳失稳风险评估 方法的研究[J].地震工程与工程震动，2001，21(2)： 58-63.

[2] 卓飞. 石油管道监测系统的研究与设计[J].电子设计工 程，2010，18（9）：141-143.

[3] Williams B E.The Probability of Failure for Piping Systems[C]//Francis T.C. Loo.Failure Prevention and Reliability. New York:ASME,1981:147-150.

[4] 赵展锋. 漂管沉降施工技术在穿越河流管道工程中的应 用[J].水利水电技术，2004，35（7）：59-60.

[5] 唐永进. 压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版 社，2003，77-92.

[6] 帅健，于桂杰. 管道及储罐强度设计[M].北京：石油工 业出版社，2006，19-25.

项目来源：中国石油天然气集团公司管道公司

收稿日期：2012-01-05；修回日期：2012-03-01

（上接32页）

强度的1.7%，其值在板材与焊材抗拉强度范围13%以内，说明焊材基本等强于板材，符合强度要求。

6.3 通过弯曲试验，发现试样焊缝、融合线无裂纹，无起皱现象，表明焊接接头塑性及钢板表面质量均合格。

6.4 此次试验结果说明，Q550D板材采用气体保护焊ER69-1Ф1.2，保护气体为CO2，可以满足相关要求。7 结束语

按本文介绍的焊接方法操作，对焊接接头

进行了无损检测，一次合格，无任何返修，焊接接头力学性能完全满足设备要求，表明制定的焊接工艺、选择的焊接材料以及热处理方法是可行的。

◆参考文献

[1] JB 4744-2000，钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检 验[S].

[2] 陈伯蠡. 焊接冶金原理[M].北京：清华大学出版社，1991.[3] 赵熹华. 焊接检验[M].北京：机械工业出版社，1997. 收稿日期：2012-02-16；修回日期：2012-03-22

（上接34页）

2.3.6 增压

在排液过程中，要提高或稳定罐内的压力，可利用增压器增压。增压压力的高低视实际需要而定。

关键项目、施工技术要点进行了分析，并在实际运用的检验项目中取得了较好效果。

◆参考文献

[1] TSGR7001-2004，压力容器定期检验规则[S].[2] GB18442-2001，低温绝热压力容器[S].[3] GB 50028-2006，城镇燃气设计规范[S].

[4] CJJ51-2006，城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规 程[S].

收稿日期：2012-02-10-；修回日期：2012-03-21

3 结束语

绝热低温天然气储罐的结构特点和技术特性与传统的液化石油气储罐相比，安装难度大，安装质量关系到储罐的安全运行，因此安装质量监督检验至关重要。本文对安装监督检验过程中的

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pp51.html