高后果区防护技术在油气管道中的应用探讨

吴洪伟

(中国石化石油工程设计有限公司自控通信设计所，山东东营 257026)

长输油气管道沿线地质地貌错综复杂，自然条件恶劣, 管道经常遭受山体滑坡、水灾、穿越、占压等高风险环境的影响，极易造成整体移位、局部变形或应力集中，从而导致管道的位移、蠕变或屈曲，严重时甚至导致管道断裂。管道破裂不仅会导致爆炸，还会对环境产生长期的影响，因此管道地质灾害，特别是地表移动类型的管道地质灾害一直是长输油气管道设计和运行管理亟待解决的问题。

管道应力应变监测技术是针对地质不稳定区域的管道，通过在管道本体上安装应力应变传感器，获取管道真实的应力应变变化数据；基于应力判据，对管道的安全状态进行定量分析，进而实现对地质不稳定区域管道的安全预警。

1 管道高后果区防护系统

管道高后果区防护系统由应力应变监测系统和视频监控系统组成，其中应力应变监测系统由应变传感器、智能数据采集终端和预警软件3大部分组成[1]，系统结构见图1。应力应变监测系统采用分布式采集方式，将主控制器和传感器一起分散地就近布置在整个监测区段上。在可能的受力集中点或敏感点处设监测截面，每个截面上设置5只应变传感器。数据采集终端对该监测区段的传感器进行数据采集、信号处理、与上位机通信。这样避免传感器经过很长的距离向数据采集系统发送信号，减少了模拟量的传输距离，提高整个系统的抗干扰能力。数据采集终端通过通信链路与布置在中心的应力分析预警软件通信，实现对整条管道的应力变化及早期预报警。为了便于伪装、防止破坏，现场安装的数据采集终端采用仿线路桩设计。管道应力应变监测技术与成熟视频监控技术的结合，实现了对高后果区地下管道本体和周围环境的24 h动态监控。

图1 管道高后果区防护系统架构

1.1 应变传感器

应变传感器采用振弦式传感器，具有结构简单、检测准确、长期稳定性高等特点。在每个管道截面上布置5只应变传感器，见图2。其中只需3只传感器就可以完成应力计算，另2只作为冗余，保证长期监测的可靠性。

图2 应力应变传感器安装位置示意

1.2 智能数据采集终端

智能数据采集终端采用模块化设计，由主控制器、仪表箱箱和仿线路桩外壳组成。采集终端可采集一个管道截面的数据，通过RS485总线与串口通信服务器进行通信，将所采集的数据上传至监控中心。

1.3 应力分析预警软件

应力分析预警软件布置在远端(一般在监控中心)，可运行在普通台式机上，通过通信链路与管道沿线的主控制器终端进行通信。该软件可读取采集的应变值，计算出管道实时的最大、最小应力，及受力的类型。根据最大应力进行预警和报警。

1.4 视频监控系统

在高后果区应力监测点附近选取地势较高处设置视频监控前端，摄像机采用2台1080P网络高清架构的高速球型摄像机(每处2台互为备用)，具备自动跟踪及智能分析功能[2]，支持高清画面输出。为便于复杂网络环境的信号传输，采用高效压缩算法和双码流上传，通过租用公网通道将数据传输至管道公司，利用一台专用的网络硬盘录像机实现集中存储和统一控制管理。视频监控前端与监控中心的通信借助公网完成。

2 方案实施

2.1 应力应变监测点与视频监控点的选取

根据现场勘察，利用软件对高后果区管段进行有限元模拟分析，大致确定在此高后果区管段的2个应力集中点。将应力集中点坐标定为实施管道应力应变监测的监测截面。每个监测截面布设5只振弦式应变传感器。通过这些应变传感设备, 不仅能够掌握各个监测截面的最大应力应变, 还可以判断应变发生的方向[3]。

视频监控系统在高后果区应用能够起到安全监测、巡查治理等重要作用。根据管道的走向及地势情况，在应力监测点附近选取地势较高、地质稳定的地方安装摄像机，摄像机采用立杆安装。

2.2 应变传感器安装

应变传感器安装前需要先定位各安装截面，然后进行局部开挖。本工程管径为1 016 mm，考虑到传感器焊接及防腐层恢复所需要的操作空间，开挖操作坑底部面积不小于2 m×2 m，开挖深度不小于管底下方0.3 m。管沟开挖采用人工开挖的方式，避免机械开挖对防腐层和管道造成损伤，且根据开挖点的土壤类型选取合适的放坡比，对于地下水位较高的地段采取抽排水措施。管沟挖出的上层耕植土、中间回填土和下层细土分开堆放，尽量减少对农田土质的影响。

在管道安装截面上半圆每个45°定位一传感器位置后，先用打磨机去掉管道局部的3PE保护层，然后对管道进行仔细打磨，打磨面积应大于保护罩，方便传感器焊接。应变传感器安装完成后，应用主控制器进行测试，成功后再进行防腐层恢复。

2.3 设备供电

在高后果区管段处随通信视频装置设置一个高频开关通信电源设备。外电引自附件村庄，通过架空电缆将电引到配电箱中。高频开关通信电源输出24 V DC，给视频及应力应变监测设备供电，不间断供电时间不小于24 h。应力应变监测设备和视频监控设备进行防雷防静电接地设计。

3 结语

管道地质灾害是威胁长输油气管道安全运行的重大风险之一。在油气管道高后果地区设置视频监控点，配合管道应力应变在线监测系统，解决了以往只监视管道周围环境，无法了解地下管道受力情况的缺陷，实现了对高后果区管道地上和地下的全方位监控，对自然灾害、人为破坏等事故起到一定预警作用。