張瑩 杜蕭強

北京天然氣管道有限公司內蒙古輸氣管理處

摘要：介紹了陜京管道途經區域特殊的地質環境，以及運用無人機技術、地質災害監測與預警系統在預防地質災害方面發揮的重要作用。

關鍵詞：陜京管道；無人機；地質災害；監測；預警

陜京管道總里程5 387公里，途經陜西、內蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。管道干線包括陜京一線、二線、三線、四線和永唐秦、唐山LNG外輸管線、大唐煤制氣北京段等。

1 管道途經地質環境

陜京管道大部分管段處于黃土高原半濕潤、半干旱和干旱區的過渡帶，是我國水土流失最嚴重、土壤侵蝕規律最復雜的地區之一；部分管段穿越黃河徑流，區域內黃河支流交錯，溝壑縱橫，地形破碎；年均降雨量為400～776 mm、其中60%～70%集中在6～9 月；土地類型以黃綿土為主，土質疏松，易于侵蝕。陜京四線管道途經內蒙古風沙草灘、丘陵溝壑區域，前者土壤侵蝕嚴重，土壤沙化，植被覆蓋嚴重不足；而丘陵溝壑段土薄石厚，保水能力差，土壤侵蝕嚴重，管道上方沖溝、塌陷頻繁發生。

2 無人機技術應用

2.1 巡檢方式

無人機周期性巡檢按照固定頻次、固定飛行高度、固定監測內容進行。針對管道沿線的地形地貌、地質環境、水土保持工程等目標進行圖像收集，工作人員通過實時查看巡檢圖像信息，監測管道沿線情況。定期開展無人機巡檢，對比甄別前一期與本期巡檢記錄，篩選出管道周邊地質環境變化較大點，進行現場踏勘，制定防控方案，據此納入秋季水害調查立項工程統一治理，確保管道周邊各類地質風險受控。

2.2 應用案例

鄂爾多斯作業區管轄陜京四線管道逾370公里，穿越庫布其、毛烏素沙漠段180余公里，途經丘陵、溝壑105公里，穿越大型河流、鐵路、公路62處，管道沿線水工640余處，具有沿線地貌差異大、線路長、巡線難度大等特點。以智能巡檢系統管理平臺、采用縱橫TX-20和TX-10垂直起降固定翼無人機對該段管道進行巡檢，累計飛行時間8.3小時，總覆蓋面積97平方公里，處理航拍圖片6 666 張。通過圖像識別發現多處隱患，結果統計如表 1所示。

2.3 應急巡檢

近期因新冠病毒疫情導致部分管道巡檢路線封閉，作業區無法開展日常巡護工作。鄂爾多斯作業區啟用大疆御二警用版無人機實施巡檢及監測。大疆御二警用版無人機搭載4 K高清視頻成像與1 200像素可見光傳感器，長達30 min超長續航能力，7 km連續高清視頻遠傳，最大時速72 km/h，人工遠程控制、低 空飛行、不同角度近距離拍攝等功能實現遠程監測。如遇發生洪水、地震、山體滑坡等威脅管道安全的緊急情況，可執行應急巡檢，為應急搶險提供第一手信息，利于做好前期應急搶險準備。

3 應力應變監測與預警系統應用

3.1 系統概述

管道應力應變監測與預警系統利用無線通信網絡，通過在地質災害頻發區域的管道本體上安裝應變計以及在管道周邊埋設傳感器（土壓計、測斜儀等），監測應力數據變化，使管理人員在遠端及時掌握管道及周邊情況變化，對管道實施監測及預警。該系統結構簡單、安裝簡便；不破壞管道受力、防腐結構；低功耗、數據傳輸可靠；可根據需求調整報警閾值，可根據數據變化自動調整監測策略。

3.2 報警閾值設置

參考中石油企業標準，三級預警閾值設置原則如下：管體附加應力超過允許附加應力 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發布三級預警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的60％，發布二級預警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的90%，發布一級預警。

如無法提供管道的彈性敷設應力、管道安裝和運行時溫差造成的溫差應力、安裝傳感器時管道原有應力，建議二級預警增加安全系數0.9，一級預警增加安全系數0.8，三個級別報警閾值設置如下：

①超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發布三級預警，標為藍色。此時管道出現較小變形，需要密切關注。

②超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的54％，發布二級預警，標為黃色。此時管道出現較大的變形，需要進行警示，并且根據實際情況進一步綜合判斷是否需要采取措施。

③超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的72%，發布一級預警，標為紅色。此時管道出現嚴重變形并且極易發生事故，需要立即采取措施。

以陜京四線管道為例，鋼管外徑1 219 mm,設計壓力12 MPa，鋼材材質X80，最小屈服強度555 MPa，由表 2管道參數計算得出報警閾值。

3.3 應用現狀

目前陜京管道共安裝監測點100多處，覆蓋陜京一線、二線、三線、四線和大唐煤制氣管線、永唐秦管線等（圖 1）。陜京四線內蒙古輸氣管理處已安裝16處，系統運行良好。由圖 2烏審旗監測點28個月監測數據可知，管道所受最大附加應力均在60 MPa以下，遠不及三級應力報警閾值126 MPa。該監測點監測期間無地質災害發生。

2014年11月底至2015年2月初，陜京管道某壓氣站下游的兩個監測點S1a-1330和S1a-1333-7應力數據變化較大，局部數據達到了三級報警閾值，從圖 3可 以明顯看出數據成間歇波峰狀，表明管道在特定時間段受到較大附加應力。

通過對壓氣站的日常運行數據進行分析，發現應力變化與壓縮機組啟機時間段重合，壓氣站的出站溫度與燃壓機組的出口溫度呈正相關（圖 4），表明溫度是導致管道附加應力上升的主要因素。本次預警直觀、真實反映了管道的應力狀態。

4 結語

利用無人機技術、管道應力應變監測與預警系統，可有效監控災變體的穩定狀態及變化趨勢。結合洪水預警系統提前掌握復雜、特殊天氣預警信息，為預防地質災害做好防護措施，做到未雨綢繆。

作者：張瑩， 1987年生，管道保護工程師。聯系方式： 15561124591，395137802@qq.com。