吳洪偉

(中國石化石油工程設計有限公司自控通信設計所，山東東營 257026)

長輸油氣管道沿線地質地貌錯綜復雜，自然條件惡劣, 管道經常遭受山體滑坡、水災、穿越、占壓等高風險環(huán)境的影響，極易造成整體移位、局部變形或應力集中，從而導致管道的位移、蠕變或屈曲，嚴重時甚至導致管道斷裂。管道破裂不僅會導致爆炸，還會對環(huán)境產生長期的影響，因此管道地質災害，特別是地表移動類型的管道地質災害一直是長輸油氣管道設計和運行管理亟待解決的問題。

管道應力應變監(jiān)測技術是針對地質不穩(wěn)定區(qū)域的管道，通過在管道本體上安裝應力應變傳感器，獲取管道真實的應力應變變化數據；基于應力判據，對管道的安全狀態(tài)進行定量分析，進而實現(xiàn)對地質不穩(wěn)定區(qū)域管道的安全預警。

1 管道高后果區(qū)防護系統(tǒng)

管道高后果區(qū)防護系統(tǒng)由應力應變監(jiān)測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，其中應力應變監(jiān)測系統(tǒng)由應變傳感器、智能數據采集終端和預警軟件3大部分組成[1]，系統(tǒng)結構見圖1。應力應變監(jiān)測系統(tǒng)采用分布式采集方式，將主控制器和傳感器一起分散地就近布置在整個監(jiān)測區(qū)段上。在可能的受力集中點或敏感點處設監(jiān)測截面，每個截面上設置5只應變傳感器。數據采集終端對該監(jiān)測區(qū)段的傳感器進行數據采集、信號處理、與上位機通信。這樣避免傳感器經過很長的距離向數據采集系統(tǒng)發(fā)送信號，減少了模擬量的傳輸距離，提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力。數據采集終端通過通信鏈路與布置在中心的應力分析預警軟件通信，實現(xiàn)對整條管道的應力變化及早期預報警。為了便于偽裝、防止破壞，現(xiàn)場安裝的數據采集終端采用仿線路樁設計。管道應力應變監(jiān)測技術與成熟視頻監(jiān)控技術的結合，實現(xiàn)了對高后果區(qū)地下管道本體和周圍環(huán)境的24 h動態(tài)監(jiān)控。

圖1 管道高后果區(qū)防護系統(tǒng)架構

1.1 應變傳感器

應變傳感器采用振弦式傳感器，具有結構簡單、檢測準確、長期穩(wěn)定性高等特點。在每個管道截面上布置5只應變傳感器，見圖2。其中只需3只傳感器就可以完成應力計算，另2只作為冗余，保證長期監(jiān)測的可靠性。

圖2 應力應變傳感器安裝位置示意

1.2 智能數據采集終端

智能數據采集終端采用模塊化設計，由主控制器、儀表箱箱和仿線路樁外殼組成。采集終端可采集一個管道截面的數據，通過RS485總線與串口通信服務器進行通信，將所采集的數據上傳至監(jiān)控中心。

1.3 應力分析預警軟件

應力分析預警軟件布置在遠端(一般在監(jiān)控中心)，可運行在普通臺式機上，通過通信鏈路與管道沿線的主控制器終端進行通信。該軟件可讀取采集的應變值，計算出管道實時的最大、最小應力，及受力的類型。根據最大應力進行預警和報警。

1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在高后果區(qū)應力監(jiān)測點附近選取地勢較高處設置視頻監(jiān)控前端，攝像機采用2臺1080P網絡高清架構的高速球型攝像機(每處2臺互為備用)，具備自動跟蹤及智能分析功能[2]，支持高清畫面輸出。為便于復雜網絡環(huán)境的信號傳輸，采用高效壓縮算法和雙碼流上傳，通過租用公網通道將數據傳輸至管道公司，利用一臺專用的網絡硬盤錄像機實現(xiàn)集中存儲和統(tǒng)一控制管理。視頻監(jiān)控前端與監(jiān)控中心的通信借助公網完成。

2 方案實施

2.1 應力應變監(jiān)測點與視頻監(jiān)控點的選取

根據現(xiàn)場勘察，利用軟件對高后果區(qū)管段進行有限元模擬分析，大致確定在此高后果區(qū)管段的2個應力集中點。將應力集中點坐標定為實施管道應力應變監(jiān)測的監(jiān)測截面。每個監(jiān)測截面布設5只振弦式應變傳感器。通過這些應變傳感設備, 不僅能夠掌握各個監(jiān)測截面的最大應力應變, 還可以判斷應變發(fā)生的方向[3]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高后果區(qū)應用能夠起到安全監(jiān)測、巡查治理等重要作用。根據管道的走向及地勢情況，在應力監(jiān)測點附近選取地勢較高、地質穩(wěn)定的地方安裝攝像機，攝像機采用立桿安裝。

2.2 應變傳感器安裝

應變傳感器安裝前需要先定位各安裝截面，然后進行局部開挖。本工程管徑為1 016 mm，考慮到傳感器焊接及防腐層恢復所需要的操作空間，開挖操作坑底部面積不小于2 m×2 m，開挖深度不小于管底下方0.3 m。管溝開挖采用人工開挖的方式，避免機械開挖對防腐層和管道造成損傷，且根據開挖點的土壤類型選取合適的放坡比，對于地下水位較高的地段采取抽排水措施。管溝挖出的上層耕植土、中間回填土和下層細土分開堆放，盡量減少對農田土質的影響。

在管道安裝截面上半圓每個45°定位一傳感器位置后，先用打磨機去掉管道局部的3PE保護層，然后對管道進行仔細打磨，打磨面積應大于保護罩，方便傳感器焊接。應變傳感器安裝完成后，應用主控制器進行測試，成功后再進行防腐層恢復。

2.3 設備供電

在高后果區(qū)管段處隨通信視頻裝置設置一個高頻開關通信電源設備。外電引自附件村莊，通過架空電纜將電引到配電箱中。高頻開關通信電源輸出24 V DC，給視頻及應力應變監(jiān)測設備供電，不間斷供電時間不小于24 h。應力應變監(jiān)測設備和視頻監(jiān)控設備進行防雷防靜電接地設計。

3 結語

管道地質災害是威脅長輸油氣管道安全運行的重大風險之一。在油氣管道高后果地區(qū)設置視頻監(jiān)控點，配合管道應力應變在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了以往只監(jiān)視管道周圍環(huán)境，無法了解地下管道受力情況的缺陷，實現(xiàn)了對高后果區(qū)管道地上和地下的全方位監(jiān)控，對自然災害、人為破壞等事故起到一定預警作用。