埋地油氣管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)探究

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摘要：對埋地油氣管道建立安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)連續(xù)分布式的在線監(jiān)測，為埋地管線工程安全性評價和災(zāi)害預(yù)警提供基礎(chǔ)性資料。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和分析，驗證埋地油氣管道的設(shè)計理論與方法，提高油氣管道的施工水平和安全可靠度，保障油氣管道的使用安全，并為相關(guān)的科學(xué)研究提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：油氣管道；地質(zhì)災(zāi)害；在線監(jiān)測；應(yīng)力應(yīng)變

隨著油氣管道的逐步增長，管道沿途面臨的采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害種類越來越多、規(guī)模也越來越大，而由此導(dǎo)致的管道安全事故又極易誘發(fā)嚴重的次生災(zāi)害，其直接和間接的損失往往比其他類別的事故更大，因此有必要針對油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險建立行之有效的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。近年來，在線監(jiān)測技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢，越來越多地出現(xiàn)在各類工程安全監(jiān)測中，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對被測工程體進行連續(xù)分布式監(jiān)測，全面獲取監(jiān)測體變化信息，從而為工程安全性評價和災(zāi)害預(yù)警提供基礎(chǔ)性資料，適合油氣管道、橋梁、隧道等大跨度生命線工程的長期健康監(jiān)測。以日濮洛原油管線穿越濟寧市魯西煤礦段為例，通過進行油氣管道表面應(yīng)力監(jiān)測、地面變形監(jiān)測等，建立起完整的管道健康監(jiān)測系統(tǒng)。對穿越采空區(qū)段油氣管道的安全狀況有一個正確全面的認識，有效保障管道安全。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理評估油氣管道“病害”，優(yōu)化維護方案。同時，可將監(jiān)測所得的應(yīng)力、變形等實測數(shù)據(jù)，作為科學(xué)研究和分析的資料，優(yōu)化和推進油氣管道設(shè)計和施工工藝的發(fā)展和完善，進一步確保油氣管道在施工和運行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步有重要意義。

1監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點布置

1.1監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)油氣管道的特點，考慮油氣管道的工作環(huán)境經(jīng)濟性、實用性等，主要選取以下項目進行在線監(jiān)測：（1）管道的表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；（2）管道周邊的地面變形監(jiān)測。

1.2監(jiān)測點布置

本次臨測點布置的原則是：根據(jù)本項目的特點，在采礦證允許的范圍兩側(cè)設(shè)置2個監(jiān)測斷面，靠近采掘面設(shè)置6個監(jiān)測斷面，共計8處監(jiān)測斷面（如圖1所示），包括油氣管道的表面應(yīng)變力監(jiān)測8處、油氣管道周邊的地表變形監(jiān)測8處。

2油氣管道的表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

2.1設(shè)計內(nèi)容

本工程在魯西煤礦采空區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測共選取8個監(jiān)測截面。每一個監(jiān)測截面均設(shè)置應(yīng)變傳感器和主控制器，自動完成監(jiān)測信號的采集并經(jīng)由GPRS系統(tǒng)上傳調(diào)控中心，實現(xiàn)對各監(jiān)測點24小時動態(tài)監(jiān)控，對自然災(zāi)害和人為破壞進行極早期預(yù)警和報警。

2.2監(jiān)測儀器

該工程的傳感器采用振弦式應(yīng)變計，并通過應(yīng)變評價結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)置的熱敏電阻溫度傳感器可以提供測量點的溫度，用來進行溫度補償。采用多通道振弦采集儀進行數(shù)據(jù)采集。振弦式應(yīng)變計主要由夾弦器、鋼弦、線圈以及安裝頭組成。當被測結(jié)構(gòu)物由于外力作用產(chǎn)生形變，并通過應(yīng)變計兩端安裝頭傳遞至鋼弦使其應(yīng)變量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鋼弦固有頻率亦隨之改變。通過測量鋼弦頻率的變化，即可得知被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變變化量。如圖2所示。

3油氣管道周邊的地面變形監(jiān)測

3.1設(shè)計內(nèi)容

受煤礦采空區(qū)影響，地表土體在水平和豎直方向均有可能發(fā)生不均勻變形，因此有必要利用靜力水準儀對油氣管道周邊地表進行分布式變形監(jiān)測。工程擬采用掩埋靜力水準儀，根據(jù)周邊土體的變形特征對管線的安全進行提前預(yù)警和定位。地面變形監(jiān)測沿管線布置監(jiān)測斷面，每一個監(jiān)測斷面設(shè)置6個靜力水準儀，設(shè)置在管線的兩側(cè)，監(jiān)測斷面的長度為管線兩側(cè)各15m。自動化監(jiān)測設(shè)備的安裝布點設(shè)計，是在這一重要監(jiān)測區(qū)域挑選出8個監(jiān)測斷面，每一個監(jiān)測斷面布設(shè)6個傳感器，其中一個傳感器作為監(jiān)測基點，另外5個按照一定距離布設(shè)安裝，如圖3所示。

3.2監(jiān)測儀器

靜力水準儀安裝時，基準樁和測試樁應(yīng)安置在監(jiān)測點處近似高度的不同位置，其中基準樁必須放置在穩(wěn)定性高的水平基點處，當測試樁和基準樁發(fā)生相對位移時，水準儀內(nèi)的液面會上下移動?？梢酝ㄟ^觀測液面的位置變化，確定測試點對于基準點的相對位移。適用于油氣管道等需要監(jiān)測撓度、沉降及垂直變形的場合。靜力水準儀通過一根充滿液體的PU管連接在一起組成一個完整的靜力水準儀系統(tǒng)，并與儲液罐進行連接，相比于儲液罐的液體儲存量，管道內(nèi)部的液體容量可以忽略不計，以此消除因溫度變化等因素引起的PU管內(nèi)液面的變化所帶來的影響?；c需設(shè)置在沉降穩(wěn)定或方便進行測量定位的地方，一般將儲液罐和臨近的靜力水準儀設(shè)為基點。通過靜力水準儀的讀數(shù)，即可準確測得點位的相對位移。靜力水準儀變量計算公式：△h=（hi-h0）-（Hi-H0）。

4監(jiān)測預(yù)警

4.1管道應(yīng)變預(yù)警量值

管道軸向應(yīng)變值根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，計算管道鋼管容許應(yīng)變?nèi)绫?所示：計算得到管道軸向容許拉伸應(yīng)變?yōu)?.3%即13000，按0.3倍安全系數(shù)考慮，取3900為拉伸應(yīng)變?nèi)夘A(yù)警閾值（藍色預(yù)警），取0.5倍安全系數(shù)即6500為拉伸應(yīng)變二級預(yù)警閾值（黃色預(yù)警），取0.6倍安全系數(shù)即7800為拉伸應(yīng)變一級預(yù)警閾值（紅色預(yù)警），如表2所示。

4.2地表沉降預(yù)警量值

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》三下開采規(guī)范2017版，油氣管道某線穿越魯西煤礦區(qū)域，魯西煤礦開采區(qū)屬于初始期的特征，從煤礦地表沉降角度來說，設(shè)定10mm為一般預(yù)警值，6個月連續(xù)下沉值不超過30mm，屬于穩(wěn)定期，由此確定預(yù)警級值如表2所示。

5在線監(jiān)測系統(tǒng)

5.1監(jiān)測系統(tǒng)介紹

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全預(yù)警和評估決策系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)等，大體可劃分為感知層、傳輸層和運用層，各個層級相互配合，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。

5.2監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

在線監(jiān)測系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，具有明顯的優(yōu)勢：能夠提供更加詳實連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)有更全面的分析；當監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)異常時，可以第一時間將警告信息和分析結(jié)果發(fā)送給相關(guān)人員，靈活性極高，時效性更強。其具體優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）精度高：連通器裝置和傳感器。傳感器對各容器的水位移動進行監(jiān)測，得到位移變化的數(shù)據(jù)，并傳送到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。傳感器可測最小精度為0.1mm。（2）無線實時傳輸：采用GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)了異地遠程控制，可將監(jiān)測信息自動發(fā)送到異地接收機上。且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)自動傳送時間間隔，數(shù)據(jù)傳送準確可靠。（3）工作環(huán)境廣：本監(jiān)測系統(tǒng)采用點對點的工作方法完全擺脫了水準儀受大氣及天空遮擋物影響大的缺點，在任何環(huán)境下都可實現(xiàn)全天候不間斷工作，為特殊情況下把握監(jiān)測現(xiàn)場情況提供有力保障。（4）造價低：目前水準儀和全站儀價格比較高。本監(jiān)測系統(tǒng)很大程度上降低了監(jiān)測成本。（5）智能預(yù)警系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)集成專家預(yù)警系統(tǒng)，可對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)進行整體全面的監(jiān)測和評估，相關(guān)人員可及時根據(jù)分析結(jié)果，在一定程度上預(yù)測可能發(fā)生的災(zāi)害后果，并及時采取相應(yīng)的應(yīng)對和補救措施。

6監(jiān)測成果及數(shù)據(jù)分析

6.1監(jiān)測成果

（1）建立了8個管道監(jiān)測斷面，實現(xiàn)了應(yīng)力和沉降量數(shù)據(jù)自動獲取和遠程傳輸，通過GPRS分組無線服務(wù)技術(shù)，遠程采集數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)獲取的便捷性和數(shù)據(jù)內(nèi)容的豐富性。（2）建立了油氣管道經(jīng)過采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測閥值等級和應(yīng)急響應(yīng)工作流程。不同地質(zhì)條件、不同結(jié)構(gòu)、不同測試部位的閥值均不一樣，因此需要對此進行有針對性地分析確定閥值的大小。根據(jù)系統(tǒng)權(quán)限的不同，系統(tǒng)會根據(jù)不同的預(yù)警級別自動發(fā)送預(yù)警信息（短信、微信形式），觸發(fā)不同等級的預(yù)警預(yù)案。（3）驗證了油氣管道經(jīng)過采空區(qū)的設(shè)計理論和施工方法，進一步確保油氣管道在施工和運行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經(jīng)濟發(fā)展和技術(shù)進步有重要意義。

6.2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測共選取8個典型斷面進行油氣管道表面應(yīng)變力監(jiān)測和周邊地表變形監(jiān)測，共收集到沉降監(jiān)測數(shù)值67127個，其中有效數(shù)據(jù)63500個；應(yīng)力變化數(shù)值28512個，其中有效數(shù)據(jù)27340個。6.2.1管道應(yīng)力監(jiān)測曲線圖及數(shù)據(jù)分析（圖4）6.2.2管道周邊沉降監(jiān)測曲線圖及數(shù)據(jù)分析（圖5）

7結(jié)論與建議

采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和治理是一項需要長期觀察和研究的課題，有很多方面需要進一步研究和探索。建議后期可以在以下幾個方面深入研究及推廣：加強對油氣管道穿越采空區(qū)項目數(shù)據(jù)的研究，分析采礦工程對油氣管道應(yīng)力和地面沉降的變化；在線采集系統(tǒng)每隔15min采集一次數(shù)據(jù)，隨著時間的推移，數(shù)據(jù)量非常豐富，這就為油氣管線穿越采空區(qū)的數(shù)據(jù)和模型研究提供了可能，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，根據(jù)管道所在采礦管段的計劃和部署，分析油氣管道應(yīng)力和地面沉降的變化，提前預(yù)警，防患于未然；建議將采空區(qū)在線監(jiān)測方法在重點地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進行推廣，開展管道全線路油氣管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報，為風(fēng)險管控提供有效的技術(shù)手段。

作者:李平 單位:國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司