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跨斷層埋地管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

文檔作者：侯王剛張文濤王蘊(yùn)玉葉富艷文檔來(lái)源：西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月16日
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2015 年
第6 期Pipeline Technique and Equipment
2015
No． 6
基金項(xiàng)目:四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013JY0098) 收稿日期:2015-09-14 收修改稿日期:2015-09-25
跨斷層埋地管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)
侯王剛,張文濤,王蘊(yùn)玉,葉富艷
(西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院,四川成都 610500)
摘要:穿越斷裂帶長(zhǎng)輸埋地管道易發(fā)生拉裂、錯(cuò)斷及屈曲破壞,實(shí)施管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警,可以進(jìn)行
震后速報(bào),為管道安全運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、危險(xiǎn)管段應(yīng)急搶險(xiǎn)提供依據(jù)。利用傳感器對(duì)斷層致災(zāi)體、管道承
災(zāi)體以及土體對(duì)管道作用力進(jìn)行監(jiān)測(cè),形成地震動(dòng)加速度預(yù)警、斷層位移預(yù)警、管道應(yīng)變預(yù)警、管道泄
漏預(yù)警、管道檢修定位、管道變形及受力狀況顯示,管土相對(duì)位移和相互作用力動(dòng)態(tài)變化功能的監(jiān)測(cè)預(yù)
警系統(tǒng),有效減少突發(fā)性災(zāi)害導(dǎo)致的管道受損破壞及次生危害的發(fā)生。
關(guān)鍵詞:斷層;埋地管道;監(jiān)測(cè);預(yù)警;系統(tǒng);安全
中圖分類號(hào):TE83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-9614(2015)06-0009-04
Safety Monitoring and Early Warning System
for Buried Pipeline Crossing Fault
HOU Wang-gang,ZHANG Wen-tao,WANG Yun-yu,YE Fu-yan
(Petroleum &amp;amp; Natural Gas Engineering Institute,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)
Abstract:Long-distance buried pipeline crossing fault is prone to crack, dislocate and buckle, so the implementation of
pipeline security monitoring and early warning can not only offer the earthquake quick report, but also provide basis for the safe
operation of the pipeline condition assessment and risk tube section of the emergency rescue. Through monitoring of the force of
fault hazard-affected body,pipeline of hazard-affected body and soil mass on pipeline,thus forming the function of ground acceleration
early warning, fault displacement early warning, pipeline strain early warning, pipeline leakage warning, location of pipeline
inspection, real time display of deformation and stress of pipe, the dynamic change of the relative displacement and the interaction
force of the pipe soil. It can effectively reduce the damage caused by the sudden disasters and the occurrence of secondary
damage.
Key words:fault; buried pipeline; monitor; early warning; system; safety
0 引言
長(zhǎng)距離油氣管道會(huì)受到各種地質(zhì)災(zāi)害的影響,多
次地震經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)埋地管道影響最大的地震災(zāi)害是
斷層引起的地表破裂[1] 。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就斷層錯(cuò)動(dòng)作用下埋地管道的
反應(yīng)行為進(jìn)行深入研究,并提出相應(yīng)的抗震措施,但對(duì)穿
越斷層管道進(jìn)行長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的力學(xué)監(jiān)測(cè)研究較少[2] 。因
此,開展管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)提高管道的安全級(jí)別,避免
油氣管道泄漏導(dǎo)致的次生災(zāi)害具有重要意義。
1 管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用狀況
油氣管道地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于阿拉斯加管道、東
京煤氣管網(wǎng)等[3] 。阿拉斯加管道地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由11
座數(shù)字式地震加速度記錄儀組成,主要監(jiān)測(cè)地震動(dòng)強(qiáng)
烈程度,判斷管道的安全狀態(tài)[4] 。東京煤氣管網(wǎng)地震
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感震自動(dòng)隔斷系統(tǒng)和管道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)
組成[5] ,地震發(fā)生時(shí),監(jiān)測(cè)到的地震加速度與設(shè)定閾
值進(jìn)行比較,確定是否自動(dòng)隔斷下游煤氣供給;同時(shí)
管道地震預(yù)報(bào)系統(tǒng)分析管道沿線地震烈度,計(jì)算出各
個(gè)地域的損害程度。
油氣管道地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)還應(yīng)用在西氣東輸
二線冀寧段[6] 和中緬油氣管道。中緬油氣管道地震
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、GPS 形變量監(jiān)測(cè)子系
統(tǒng)、管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)以
及預(yù)警子系統(tǒng)組成,形成基于強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)、GPS 形變
測(cè)量以及管道應(yīng)變測(cè)量的地震緊急報(bào)警系統(tǒng)[7] 。
地震斷層管道的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從最初的只監(jiān)測(cè)地震
動(dòng)強(qiáng)烈程度,發(fā)展為監(jiān)測(cè)斷層兩盤位移和管道應(yīng)變,
系統(tǒng)功能得到改進(jìn)。然而,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更多關(guān)注地震斷
10 Pipeline Technique and Equipment Nov． 2015
裂帶的監(jiān)測(cè),對(duì)管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)位置的選取不夠合理;
不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地顯示管道沿線任一點(diǎn)的變形受力狀
況;缺乏土體與管道相互作用的監(jiān)測(cè),當(dāng)管道發(fā)生泄
漏時(shí),不能進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位。為此,進(jìn)一步開展跨地
震斷層管道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究十分必要。
2 管道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)
穿越斷裂帶管道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分別對(duì)斷層致災(zāi)
體、管道承災(zāi)體以及土體對(duì)管道的作用進(jìn)行監(jiān)測(cè),全
面、準(zhǔn)確、快速地評(píng)估管道沿線的安全狀態(tài),并進(jìn)行預(yù)
警。該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)傳感子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸子系
統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析與處理子系統(tǒng)以及預(yù)警子系統(tǒng)組成。通
過(guò)對(duì)地震動(dòng)峰值加速度、斷層位移、管道應(yīng)變、管道位
移、管道運(yùn)行溫度以及土體對(duì)管道作用力的監(jiān)測(cè),進(jìn)
行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,經(jīng)無(wú)線4G 和北斗衛(wèi)星雙信道傳輸
至遠(yuǎn)程控制中心,在監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及
發(fā)布預(yù)警信息。
圖1 為管道斷層災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖1 管道斷層災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 監(jiān)測(cè)傳感子系統(tǒng)
監(jiān)測(cè)傳感系統(tǒng)由強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)單元、GPS 斷層位移
監(jiān)測(cè)單元、管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元、管道位移監(jiān)測(cè)單元、管
道運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)單元以及管土相互作用監(jiān)測(cè)單元組
成,通過(guò)安裝在管道或斷層上的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)
行斷層和管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2． 1． 1 強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)單元
在近斷層區(qū)域(距離斷層破裂面20 km)內(nèi)的泵
站、閥室或監(jiān)測(cè)站安裝數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)儀進(jìn)行地震動(dòng)峰值
加速度監(jiān)測(cè)。
根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8] ,
確定地震峰值加速度等于或大于0.2g 但小于0.3g
時(shí),進(jìn)行一級(jí)預(yù)警;當(dāng)峰值加速度等于或大于0.3g 時(shí),
進(jìn)行二級(jí)預(yù)警。
2． 1． 2 管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)單元
管道的應(yīng)力應(yīng)變能夠直觀反映地震對(duì)管道安全
狀況的影響。采用應(yīng)力分析儀監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力時(shí),需開
挖管道,清除管道防腐層,成本較高,維護(hù)復(fù)雜[9] 。因
此,采用光柵光纖應(yīng)變計(jì)進(jìn)行管道應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。
2． 1． 2． 1 管道應(yīng)變閾值的確定
通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)研究,確定管道的容許拉壓
應(yīng)變?chǔ)拧?管道發(fā)生屈服時(shí)容許應(yīng)變)和極限拉壓應(yīng)變
ε″(管道發(fā)生失效時(shí)的應(yīng)變)。當(dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變小于容許
拉壓應(yīng)變時(shí),管道處于安全狀態(tài);當(dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變等于或
大于容許拉壓應(yīng)變但小于極限拉壓應(yīng)變時(shí),管道處于
不安全狀態(tài),進(jìn)行一級(jí)預(yù)警;當(dāng)監(jiān)測(cè)應(yīng)變達(dá)到極限壓
第6 期侯王剛等:跨斷層埋地管道安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng) 11
力應(yīng)變時(shí),管道處于失效狀態(tài),進(jìn)行二級(jí)預(yù)警。
2． 1． 2． 2 管道沿線應(yīng)變計(jì)安裝位置
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料,對(duì)跨斷層管道進(jìn)行有限元數(shù)
值分析,確定斷層附近管道的應(yīng)力應(yīng)變集中點(diǎn),在這
些點(diǎn)所在截面安置應(yīng)變計(jì)。圖2 為走滑斷層作用下管
道應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取說(shuō)明。
圖2 走滑斷裂帶管道沿線應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置
圖2 中,A、B、C、D 為斷層一側(cè)管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn),
B1、C1、D1 為斷層錯(cuò)動(dòng)后管道上B、C、D 點(diǎn)的變形位
置。通過(guò)理論分析,確定斷層錯(cuò)動(dòng)后A 點(diǎn)軸向拉伸應(yīng)
力應(yīng)變最大,C1 點(diǎn)為管道軸向總應(yīng)力(包括軸向應(yīng)力
應(yīng)變和彎曲應(yīng)力應(yīng)變)最大點(diǎn),因此選擇A 點(diǎn)和C 點(diǎn)
進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了避免斷層錯(cuò)動(dòng)距離的變化導(dǎo)致軸向
總應(yīng)力位置點(diǎn)發(fā)生移動(dòng),在C1 點(diǎn)兩側(cè)一定距離(B1 和
D1點(diǎn))進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此,將A、B、C、D 作為斷層一側(cè)管
道應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)于兩側(cè)場(chǎng)地土一致的走滑斷層,管
道變形呈反對(duì)稱,E、F、G 點(diǎn)進(jìn)行同樣選擇。
2． 1． 2． 3 管道截面應(yīng)變計(jì)安裝位置
地表破裂及錯(cuò)動(dòng)作用下,管道發(fā)生軸向拉壓應(yīng)
變、橫向和垂向彎曲應(yīng)變。為了全面反映管道橫截面
的應(yīng)變狀況,選取截面3 點(diǎn)、9 點(diǎn)以及12 點(diǎn)鐘方向安
置應(yīng)變計(jì),分別監(jiān)測(cè)管道的軸向拉壓應(yīng)變、橫向和垂
向彎曲應(yīng)變。圖3 所示為管道橫截面上的應(yīng)變計(jì)的安
裝點(diǎn)。
圖3 管道橫截面應(yīng)變計(jì)安裝位置側(cè)面圖
2． 1． 3 GPS 斷層位移監(jiān)測(cè)單元
在斷層兩盤各安裝1 臺(tái)高精度GPS 接收機(jī),監(jiān)測(cè)
斷層相對(duì)位移。采用數(shù)值模擬進(jìn)行斷層位移和管道
應(yīng)變關(guān)系研究,建立斷層錯(cuò)距和管道應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)。通
過(guò)不斷改變斷層兩盤相對(duì)位移,確定斷層水平向和垂
直向錯(cuò)距閾值H1、H2、V1、V2。當(dāng)斷層水平向錯(cuò)距為
H1或垂直向錯(cuò)距V1 時(shí),管道達(dá)到容許拉壓應(yīng)變,進(jìn)行
一級(jí)預(yù)警;當(dāng)斷層水平向錯(cuò)距達(dá)到H2 或垂向錯(cuò)距V2
時(shí),進(jìn)行二級(jí)預(yù)警。
2． 1． 4 管道運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)單元
常用埋地管道泄漏監(jiān)測(cè)方法為壓力監(jiān)測(cè),當(dāng)管道
某處發(fā)生泄漏時(shí),根據(jù)壓力波傳播方向和速度,進(jìn)行
泄漏定位。但地震作用下,強(qiáng)大的地震波往往導(dǎo)致泄
漏壓力波難以觀測(cè),因此在管道應(yīng)力應(yīng)變集中點(diǎn)安裝
光纖光柵溫度傳感器,當(dāng)管道危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生泄漏時(shí),傳
感器根據(jù)泄漏流體熱輻射進(jìn)行泄漏點(diǎn)定位預(yù)警。
2． 1． 5 管土相對(duì)位移、相互作用力監(jiān)測(cè)單元
管土相對(duì)位移和相互作用力的監(jiān)測(cè),可以定量評(píng)
價(jià)管道受土體移動(dòng)的影響程度,為理論上選取合適土
體本構(gòu)關(guān)系模型和管土相互作用力學(xué)模型的發(fā)展提
供直接數(shù)據(jù)。
2.2 數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集及有效傳輸是管道安全監(jiān)
測(cè)的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用多通道數(shù)據(jù)采集器,將各傳感器
信號(hào)通過(guò)光纜傳輸至多通道解調(diào)模塊,進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)
換、數(shù)據(jù)分析,傳輸至遠(yuǎn)程控制模塊。
4G 通信速度快、通信靈活,是很好的無(wú)線傳輸通
道。但這種通信技術(shù)過(guò)于依賴通信基站,易發(fā)生通信
擁堵或癱瘓,建議采用無(wú)線4G 和北斗衛(wèi)星結(jié)合的雙
信道通信。
2.3 數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)處理與管理是整個(gè)系統(tǒng)的核心。將采集到
的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理,實(shí)時(shí)判斷管道的安全狀
態(tài),并進(jìn)行四重預(yù)警,防止單個(gè)預(yù)警功能的失效或滯
后;同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示管道的變形和受力狀況,進(jìn)行管道
危險(xiǎn)點(diǎn)定位;監(jiān)測(cè)到的管土作用力與相對(duì)位移變化數(shù)
據(jù)為理論研究提供依據(jù)。
圖4 為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中管道的安全判斷邏輯圖。
2.4 預(yù)警系統(tǒng)
當(dāng)斷層致災(zāi)體或管道承災(zāi)體相關(guān)參數(shù)達(dá)到設(shè)定
閾值時(shí),進(jìn)行聲光預(yù)警,并通過(guò)手機(jī)短信、電子郵件或
智能手表發(fā)布預(yù)警信息。其中,一級(jí)預(yù)警為響聲和藍(lán)
色閃光;二級(jí)預(yù)警為響聲和黃色閃光;泄漏預(yù)警為響
聲和紅色閃光。
12 Pipeline Technique and Equipment Nov． 2015
3 管道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用
冀寧管道地震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)分別在宿遷、棗莊等
4 個(gè)分輸站設(shè)置數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)儀,在蒼山-尼山和沂沭斷
裂帶兩側(cè)各安裝1 套GPS 監(jiān)測(cè)儀,當(dāng)沂沭斷層兩盤垂
直位移量大于0.4 m 或水平位移量大于2.5 m 時(shí)進(jìn)行
報(bào)警。本監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在地震動(dòng)強(qiáng)烈程度、斷層相對(duì)
位移量監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,增加了管道應(yīng)變、管土相互作
用力的監(jiān)測(cè),系統(tǒng)功能得到完善,對(duì)于以后斷層管道
的監(jiān)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。
圖4 斷層位移和管道應(yīng)變預(yù)警邏輯判斷圖
4 結(jié)束語(yǔ)
跨斷層埋地管道監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì),為傳統(tǒng)管
道抗震方法提供新的思路,不僅在地震過(guò)程中能夠減
小管道損害,而且在震后能夠迅速判斷管道的安全運(yùn)
行狀態(tài),并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息,供決策人員參考。
采用傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備,分別對(duì)斷層致災(zāi)
體、管道承災(zāi)體、管土相互作用力等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)
測(cè),實(shí)時(shí)評(píng)估管道的安全狀況。實(shí)現(xiàn)多級(jí)預(yù)警,提高
管道安全級(jí)別,為理論分析斷層管道反應(yīng)行為提供直
接數(shù)據(jù)。當(dāng)管道處于不安全狀態(tài)時(shí),發(fā)出聲光預(yù)警,
并通過(guò)短信、電子郵件或智能手表發(fā)布預(yù)警信息,為
工作人員提供最佳搶修條件。
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作者簡(jiǎn)介:侯王剛(1990—),碩士研究生,主要從事油氣管道結(jié)
構(gòu)安全研究。E-mail: zj2193160@ 126． com
(上接第6 頁(yè))
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作者簡(jiǎn)介:陳星明(1984—),工程師,從事城市燃?xì)饧夹g(shù)管理及
管道系統(tǒng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)工作。
E-mail:224148815@ qq.com

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