王璽 申瑞濤 楊青苗

國家管網集團北京管道公司

 

摘要：介紹了應力應變監測設備在陜京管道陜西段的應用，包括ST1型振弦式應變計簡介、設備安裝及數據分析，監測管道拉應力、壓應力相對于往期的變化并依據風險等級預警，對預防地質災害的發揮輔助分析作用。

關鍵詞：陜京管道；地質災害；應力應變；數據分析

 

陜京管道陜西段地貌以沙漠段、黃土塬和山地段為主，在汛期短時間內形成的強降雨容易造成水土流失、沖溝發育、山體滑坡等地質災害，危害極大，往往造成管道局部形變、懸空甚至斷裂，影響天然氣輸送和周邊居民安全。本文主要介紹應力應變設備在陜京管道陜西段的應用和數據分析。

1  設備簡介

弧焊型振弦應變計包含一個兩端帶有可焊接錨固件的振弦傳感器和一個傳感器激勵線圈，其特點一是適合人工或自動化讀數方式；二是可調整到合適的張拉和壓縮量程，以適應現場工程環境；三是包含一個溫度傳感器能同時監測溫度；四是O型圈設計密封防水。

選用英國巖土ST1型振弦式應變計進行應力應變數據傳感。其傳感器可通過超長電纜準確重復測讀，具有長期穩定性及可靠性。傳感器和線圈均可回收重復使用。傳感器主要技術指標見表 1。

表 1 ST1型振弦式應變計傳感器參數表

2  現場安裝

（1）管道表面處理。手動剝離對應點位傳感器處防腐層，長度1.0 m，寬度0.6 m，清潔管道并去除剝離防腐層時遺留的雜質。

（2）應變計組裝。將調節好的ST1型傳感器順著中軸線位置放正，確定安裝位置。傳感器底座上均勻涂抹耦合劑，放至事先確定的位置上，適當按壓傳感器，將其黏貼于應變計基座，然后進行傳感器熔接、激勵線圈及隔力罩安裝（圖 1）。

圖 1 傳感器示例

（3）防腐處理。用黏彈體防腐膏按壓在開口部分并包裹全部激勵線圈（有效附著在金屬表面），使用熱風槍加熱防腐膏直至其軟化。順保護罩周圍黏貼防腐膏，直至覆蓋全部打磨區域和保護罩，然后均勻加熱防腐膏至軟塑狀，保證其具有圓滑曲面外形且溢出，開口位置不得小于20 mm。

在安裝應變計部位的管道（圖 2），黏貼2整纏圈黏彈體防腐帶（防腐帶規格：寬20 cm、厚1.5 mm），加熱至有效附著在管道表面，外表面應平整、無褶皺、無氣泡，防腐帶搭接寬度不小于1/2。管道整圈纏繞熱縮壓敏膠帶1層（壓敏帶規格：長5 m、寬60 cm、厚2.5 mm）。黏彈體防腐膠帶+熱縮壓敏膠帶防腐層用15 kV電火花檢漏，以無漏點為合格。測試應變計并記錄數據。

圖 2 應變計安裝示意圖

（4）接線盒接續。先將規格為BSIL-CA-14×Φ2 mm的14芯屏蔽線纜做好標記。再將一個監測截面的全部3支傳感器所有數據線在接線盒內連接至同一條屏蔽線纜，同時在屏蔽線纜遠端標注相應的截面編號。將屏蔽線纜分別置于PE保護管內，就近導出地面并沿線槽引至基站安裝位置。回填前最后一次檢測應變計。

（5）供電裝置安裝。采集設備BGK-8001內置50 Ah鋰電池，使用24 V多晶電池板供電。將太陽能電池板與采集設備正負極對應連接。調試供電系統。

（6）無線遙測裝置安裝調試。使用筆記本電腦對采集儀、GPRS模塊、電池、SIM卡逐一進行功能測試；接通上述所有設備呼叫后臺，完成在線測試并進行設備標定。

（7）工作坑回填。土方回填時應避免在中午太陽直射高溫狀態下進行，先用細土回填管道以上30 cm，再進行平穩大回填。管道水平中心線以下的回填土不應為濕的松軟土壤，并從管道兩邊將管道底部回填土夯實。 回填后恢復地貌，清理施工用材料、設備，平整施工場地，做到“工完，料凈，場地清”。

3  數據分析

以某管道里程54 km+100 m為監測單元，選取在環焊縫及其上、下游截面處均有應力應變預警的應變計安裝位置，進行數據分析。

（1）應力應變數據分析 。

依據GB 50251―2015《輸氣管道工程設計規范》、GB/T 19624―2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》進行安全評價時，對于無缺陷埋地管道只需考慮溫度、內壓、外荷載引起的軸向應力；對于焊縫缺陷埋地管道除考慮軸向應力等一次應力外，還需考慮焊接殘余應力、內外壁溫差應力等二次應力。

監測數據顯示：環焊縫監測截面S02軸向附加拉應力最大值為 158.7 MPa、附加壓應力最大值為﹣142.6 MPa。下游監測截面X04軸向附加拉應力最大值為165.4 MPa，軸向附加壓應力最大值為﹣141.6 MPa。各監測截面當前附加應力值及其相應角度，對應的地質災害預警等級詳見表 2。

表 2 監測數據表

依據本次計算結果，S02/X04 監測截面軸向附加應力值超過相應容許值的 60%，處于黃色預警級別； S01/X01/X03 監測截面軸向附加應力值超過相應容許值的 30%，處于藍色預警級別。

（2）應力分布與應力時程。通過圖 3、圖 4曲線變化分析可見，自 2021 年 7 月 6 日起，監測單元因降雨影響應力增長比較明顯，進入黃色預警級別。7 月 14 日后監測單元整體應力變化比較平穩，無明顯增長趨勢。

圖 3 54 km+100 m-S01最大軸向拉壓應力時程曲線

圖 4 54 km+100 m-S01軸向應力分量時程曲線

4  小結

應力應變監測設備在陜京管道陜西段應用效果顯著，能夠有效預測管道應力變化，做到不同風險等級及時預警。設備需要長期數據積累進行對比分析，不適用于短期監測。未來應力應變監測設備的廣泛使用，將有助于預警防治山區段、煤礦采空區段管道地質災害，避免管道事故發生。

 

作者：王璽，1998年生，2020年畢業于北京工業大學測控技術與儀器專業，國家管網集團北京管道陜西輸油氣分公司榆林作業區管道保護工，研究方向為管道無損檢測。聯系方式：13716538990，wangxizsy@163.com。