滕建強 欽沛

中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

 

摘要：沙漠腹地流動沙丘地段，管道懸空的可能性非常高，目前缺乏管道懸空風險的實時監測技術。根據管—土相互作用機理，提出了一種基于分布式光纖監測管道懸空狀態的方法，并通過模型試驗對其有效性進行驗證。結果表明：該方法能夠實時監測管道任意位置的縱向應變，并根據應變數據的分布特征準確識別管道懸空的發展變化情況，為實時監測和科學預警提供了有效手段。

關鍵詞：沙漠地區管道；懸空；分布式光纖傳感器；實時監測

 

沙漠地區管道懸空很難被及時發現。近年來，分布式光纖傳感技術因具有實時監測、遠程傳感、分布式測量的優勢，逐漸應用于埋地和海底管道，可以在線獲得管道任意位置應變和泄漏等在位狀態[1-5]。本文基于懸空管道的力學響應機理，提出一種監測沙漠管道懸空風險的分布式光纖監測方法，并通過模型試驗研究方法的有效性。

1  監測方法

1.1  沙漠管道懸空監測原理

沙漠管道在自重、覆土荷載、交通荷載等作用下，與地基土體之間將發生復雜的相互作用。為了描述管—土相互作用，最常用Winkler模型[6]。

管道一旦形成懸空（圖 1（a）），則難以利用Winkler模型獲得管道力學響應的分析解答，但是仍然可以根據管—土相互作用的基本原理，考察懸空管道的力學行為。假設管道非懸空部分仍為彈性地基上的無限長梁，在懸空段由于土體支撐作用的喪失，管道在自重作用下發生向下的撓曲變形，撓度在懸空段中點達到最大。隨著位置向兩側土體趨近，管道撓曲變形逐漸減小。當管道由懸空段進入兩側土體后，土體仍然向管道提供約束作用，撓曲變形進一步減小，但是由于變形協調，其變形的方向將發生變化，并且隨著位置逐漸遠離懸空段，反方向的撓曲變形先增加后減小，直至消失，在變形消失處形成了兩個“錨固點”，我們將懸空段兩側坡肩至錨固點的范圍定義為“轉換段”。在轉換段內，土體仍可被視作Winkler模型的土彈簧，若將該段土體約束作用離散為等間距的土彈簧，則管道懸空段和轉換段的力學模型如圖 1（b）所示，于是這三段管道便成為一個具有彈性支撐的連續梁，其邊界條件（錨固點）為簡支。根據結構力學原理可知，懸空導致的附加彎矩分布如圖 1（c）。其中，錨固點以外的管道不會因懸空而產生附加彎矩；懸空段會在跨中形成最大正彎矩，然后向兩側逐漸減小，并且在靠近轉換段處形成負彎矩區；在轉換段的起點即坡肩處，負彎矩達到最大值，形成反彎點，然后負彎矩逐漸減小，至錨固點處則完全消失。圖 1（c）所示的附加彎矩分布給出了懸空導致的管道應變/應力變化曲線，如果通過監測獲得兩個相繼狀態的管道應變分布曲線具有圖 1（c）的形狀，就可以判斷管道出現了懸空，并且可以判斷管道懸空段和轉換段的位置和長度。

（a）埋地管道懸空變形示意圖

（b）懸空段和轉換段的力學模型示意圖

（c）埋地管道懸空附加彎矩分布示意圖
圖 1 埋地管道懸空變形與附加彎矩分布示意圖

1.2  分布式光纖監測方法

為了驗證基于分布式應變監測數據的管道整體屈曲識別技術的可行性，進行管道整體屈曲監測試驗，利用分布式應變傳感器獲得管道前―后―屈曲過程的彎曲應變響應，基于監測數據重構管道的撓曲線，并與激光全站儀監測結果進行對比，驗證數據的可靠性。

利用大型試驗土箱進行原型管道的彎曲應變監測試驗，進一步探討利用分布式光纖傳感器監測管道結構響應的可行性。針對流動沙丘引起的管道整體屈曲問題，提出基于分布式應變數據的管道屈曲評價技術。

為了完整獲得管道的空間變形和應變分布，采用平行布設方式，即在截面的12點鐘、3點鐘和9點鐘位置分別沿管道縱向布設3條Brillouin光纖應變傳感器，如圖 2所示。

圖 2 埋地管道分布式光纖監測方案示意圖

沿管道縱向布設的分布式光纖傳感器并不能直接得到管道的彎曲應變，測量結果是彎曲應變和軸向應變疊加的結果，并且由于施工以及管道空間變形等原因，傳感器與管道中心平面之間也可能存在一定角度。針對上述問題，筆者建立了根據分布式光纖應變監測數據提取管道彎曲和軸向應變的方法[7-11]，具體計算公式如下：

其中，χ為管道縱向的任意位置，εt(χ)、εL(χ) 和εR(χ) 分別為管道縱向χ處截面上12點鐘、9點鐘和3點鐘位置的傳感器所獲得的應變觀測值，θ為管道中心平面與水平面的夾角，εb(χ) 和εα(χ) 分別為χ處管道的彎曲和軸向應變。當Brillouin光纖應變傳感器獲得管道縱向應變數據后，即可根據式（1）完整獲得管道的彎曲應變和軸向應變，進而將彎曲應變數據根據圖 1（c）特征進行管道懸空狀態判別。

2  模型試驗

2.1  試驗過程

為了驗證監測方法的有效性，進行了埋地管道分布式光纖監測模型試驗。該試驗可看作是一個流動沙丘作用下管道懸空監測的小比例原型模擬，不考慮嚴格的物理相似，僅考慮管道與土體的幾何相似，著重研究懸空形成及發展過程中管道應變曲線的變化規律，重點考察分布式光纖傳感器是否可以監測管道的懸空狀態。

試驗管道采用PPR管，長度為12 m，外徑為110 mm，壁厚為15.1 mm。PPR管材的彈性模量為808 MPa，密度為910 kg/m3。在幾何相似方面，以某Φ426 mm 鋼管為目標，管長和徑向幾何比尺分別設計為12和3.87。并且為了模擬管道和內部流體的重力效應，也對管道進行了配重。

試驗在圖 3所示的大型管道試驗箱（長12 m×寬1 m×高1.7 m）內進行，首先在試驗箱內鋪設厚度為1 m的碎石和土體并夯實，然后鋪設30 cm厚的細沙，接著將管道平鋪在沙床上，完成傳感器布設后在試驗箱內填埋細沙。考慮流動沙丘的情況，管道上部覆沙可能已經減薄，因此埋深約為10 cm（表面至管頂），根據幾何比尺換算后的實際覆沙厚度約為38.7 cm。試驗中，懸空模擬是沿管道中心開挖，然后逐漸向兩側擴大，但懸跨內懸空高度一致，僅設置為3.5 cm，根據幾何相似，實際懸空高度約為14 cm。需要說明，試驗并未考慮懸空長度和高度的極端情況，僅為驗證監測方法的可行性。

圖 3 管道懸空監測試驗裝置

按照圖 2所示的位置將分布式光纖應變傳感器固定在管道上，同時為了進行數據比對，在管道底部增設了1條分布式光纖應變傳感器，共沿管道長度方向平行布設了4條分布式光纖傳感器。同時為了保證光纖監測數據的可靠性，也在模型管道的1/6、1/3、1/2、2/3、5/6長度處，在管頂和管底分別等間距布設電阻應變片。在這些位置上，也布置了輕質剛性立桿，作為管道關鍵斷面的變形監測靶點，通過激光全站儀觀測不同試驗工況下管道的變形狀態。

分布式光纖傳感器采用NBX-6050A光納儀采集數據，空間分辨率設置為10 cm，距離分辨率為5 cm，形成分布式的應變測量。電阻應變片采用cDAQ多通道數據采集系統測量，應變片為1/4橋連接。管道變形采用RTS11R6 激光全站儀測量。

試驗工況共包括8種，即以管道中點為對稱中心向兩側等長度開挖，形成管道懸空。8種工況對應的懸空長度分別為1.00 m、1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m和4.75 m。

2.2  試驗結果分析

根據5處全站儀監測數據，將8種工況下管道的變形情況繪于圖 4。可以發現，在前4種工況下，管道在懸空段及其附近區域出現了向下的撓曲變形，每種工況均為跨中撓度最大，并且隨著懸空段長度增加，撓度也呈現遞增趨勢，但是變形數值均較小。

圖 4 不同懸空長度下管道撓曲變形監測數據

在第8種工況時，懸空長度達到4.75 m，跨中撓度達到3.5 cm，已經觀察到管道觸底現象（表 1）。

表 1 懸空長度與跨中撓度關系

在每種工況下，都分別利用分布式光纖應變傳感器和電阻應變片，監測懸空導致的管道應變變化情況。試驗中，位于管道截面3點鐘和9點鐘的分布式應變數據分布趨勢基本一致，并且數值都在±50 με范圍內波動，因此認為管道軸向應變較小，數據僅與測量誤差和試驗擾動有關，限于篇幅不再列出，重點討論與彎曲應變主導的管頂和管底的分布式應變數據（圖 5）。同時，為了檢驗分布式應變數據的可靠性，圖 5中也分別繪制了電阻應變片的測量結果。

圖 5 不同懸空長度下管道分布式應變監測數據

圖 5顯示，在前4種工況中，無論是管頂管底的分布式應變數據均非常小，無法明顯觀測到圖 1中的懸空特征，結合圖 4撓曲變形曲線進行分析，當懸空長度不超過2.50 m時，管道的變形較小，相對應的，管道的應變響應也應較小，因此還無法利用分布式應變數據判別管道懸空的出現。

當懸空長度增加至3.00 m時（工況5），圖 5顯示管頂和管底的分布式應變數據都出現了明顯的懸空特征，管底應變峰值與兩側錨固點如表 2所示。

表 2 懸空管道管底應變峰值與兩側錨固點位置

隨著懸空長度的增加，分布式應變數據的形狀都具有清晰的懸空特征，并且懸空段的峰值應變也明顯增加，工況8的試驗結果表明，所建立的懸空監測方法，不但可以準確識別管道懸空的發展，而且可以有效判斷管道的觸底行為。

3  結論

根據懸空管道響應機理，提出了一種利用分布式光纖應變傳感器監測懸空附加彎矩曲線的方法，建立了管道懸空的識別技術。該方法的特點是可以對管道任意位置的縱向應變進行實時監測，通過數據分析獲得管道懸空的發展變化情況。模型試驗結果表明：分布式光纖應變傳感器與電阻應變片在控制斷面的監測數據基本吻合，說明該方法對于管道縱向應變的監測具有較高的可靠性，但是卻可以有效避免應變片和光纖光柵（FBG）等點式測量技術無法對管道全長任意位置進行監測的局限性；當懸空導致管道產生一定的撓曲變形后（≥6 mm），分布式光纖監測數據呈現典型的懸空特征，可以準確判斷管道懸空的出現，并且根據負彎矩峰值及其消失點的位置，可以定量識別懸空長度及其影響范圍（轉換段）。分布式光纖傳感器提供了管道全長的應變分布情況，可以實時評估管道的彎曲應力狀態，為懸空風險導致的管道失效提供預警數據。

 

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作者簡介：滕建強， 1985年生，工程師，就職于中石化西北油田分公司工程技術研究院，現從事油田地面自動化方面研究工作。聯系方式：0991-3161530，505375146@qq.com。