魯佳琪 張興龍 陳新文 李林 趙雄 付立成

中國石油西南管道公司德宏輸油氣分公司

 

 

摘 要： 瀾滄江跨越是中緬油氣管道工程最重要的控制性工程之一，位于1 200 m大落差U型管段底部。為了監測跨越管道本體健康而探索建立基于光纖光柵傳感器的管道應力監測系統，通過(guò)4個(gè)光纖光柵傳感器所測應變值求得管道截面實(shí)時(shí)最大當量應力，實(shí)現實(shí)時(shí)驗算管道強度。該監測系統可監測外界風(fēng)力、溫度變化、桁架結構變形、跨越端地基位移等因素對管道產(chǎn)生的額外附加應力。結合中緬原油管道投產(chǎn)和中緬天然氣管道清管作業(yè)，掌握了清管器下坡通過(guò)1 200 ｍ大落差管道彎頭時(shí)管道應力變化，對比分析了清管器對天然氣管道和原油管道的沖擊作用。

關(guān)鍵詞： 跨越管道；應力監測；光纖光柵傳感器

 

中緬油氣管道瀾滄江跨越采用懸索方式，跨越長(cháng)度320 m，天然氣管道設計壓力為10 MPa，跨越管段采用D 1 016×22.9 mm、 X80直縫埋弧焊鋼管；原油管道設計壓力為15 MPa，跨越管段采用D 813×28.6 mm、 X70直縫埋弧焊鋼管。中緬油氣管道瀾滄江跨越見(jiàn)圖 1，兩岸山體高聳挺拔，地勢險峻，河谷深切，交通不便，跨越橋址處最大風(fēng)速可達30.7 m/s。瀾滄江屬于國際性河流，該處一旦發(fā)生油品泄漏造成環(huán)境污染，將引發(fā)國際河流污染糾紛。因此，為監控跨越本體安全建立管道應力監測系統顯得尤為重要[1-3]。本文重點(diǎn)從以下三方面闡述：①管道應力計算。②傳感器布設。③監測成果分析。

1 管道應力計算

基于彈性力學(xué)理論，管道變形后管道橫截面仍處于一個(gè)平面的基本假設，以管道橫截面中心為圓心，以橫截面水平方向為x軸，垂直方向為y軸，管道橫截面坐標系見(jiàn)圖 2， L、 U、 R分別表示管道橫截面左側、頂部、右側三點(diǎn)，圖中灰色長(cháng)方形表示光纖光柵傳感器。

                

若已知管道橫截面外徑，以及截面圓周上三個(gè)位置的軸向應變，就可以計算出圓周上任何一點(diǎn)的軸向應變，所有繞圓周的軸向應變均位于通過(guò)管道的一個(gè)平面[4-6]，即：

 

式中a 、 b 、 c 為待求未知數； (x， y)為圓周任意一點(diǎn)坐標； ε為點(diǎn)(x， y)的軸向應變值。

L點(diǎn)的邊界條件： x = ﹣r； y = 0； ε=εL。

U點(diǎn)的邊界條件： x = 0； y = r； ε=εU。

R點(diǎn)的邊界條件： x = r； y = 0； ε=εR。

r =（x2+y2）﹣2

其中 r 為管道外徑， m； εL、 εU、 εR為L(cháng)點(diǎn)、 U點(diǎn)、 R點(diǎn)應變值。

將上述邊界條件代入公式（1）計算得：

 

管道圓周的曲線(xiàn)方程為：

 

 

代入式（2）可得環(huán)向360°的應變分布為：

 

根據胡克定律，應力應變關(guān)系滿(mǎn)足線(xiàn)彈性關(guān)系，即軸向應力為

 

式中， E為管線(xiàn)鋼彈性模量， MPa； σL為管道截面任一點(diǎn)處的軸向應力， MPa�？赏ㄟ^(guò)現場(chǎng)傳感器測量L、 U、 R三點(diǎn)應變值， 依據式（4）求得監測截面環(huán)向360°任一點(diǎn)處的軸向應力值。

由GB/T 50459―2017《油氣輸送管道跨越工程設計規范》可知，通過(guò)管道最大軸向應力和泊松比可計算出管道最大當量應力：

 

式中σh為管道環(huán)向應力， MPa； p為管道內壓，MPa； D為管道內徑， mm； t 為管道壁厚， mm。

依據公式（5）計算得到管道截面最大當量應力后，即可依據式（7）對管道進(jìn)行強度驗算：

 

式中σ 為管道當量應力， MPa； F為管道強度設計系數； σ S為鋼管的屈服強度， MPa。

2 傳感器布設

根據管道應力計算分析以及光纖光柵傳感器的特點(diǎn)和適用條件，需要在管道每個(gè)截面上同時(shí)安裝3支應變傳感器和1支溫度傳感器。每組監測截面在管道頂端安裝1支溫度傳感器和1支應變傳感器，與之垂直的管道兩側各安裝1支應變傳感器。根據2015年12月西南管道公司與中國石油大學(xué)橋彎頭位置、橋梁桁架中部管道位置、東岸（江頂寺隧道側）下橋彎頭位置為可能的應力應變最大區域，因此選擇這三處作為傳感器安裝位置。

同時(shí)為了了解桁架兩端應力的傳導方向，彎頭兩側需要安裝2組應力應變監測截面。在每條管道的中部安裝1組應力應變監測截面，桁架西岸上橋彎頭安裝2組應力應變監測截面，桁架東岸下橋彎頭安裝2組應力應變監測截面。因此，天然氣和原油2條管道共計安裝10組監測截面，天然氣管道監測截面布局見(jiàn)圖 3（原油管道布局相同），圖中灰色圓點(diǎn)位置表示傳感器安裝截面。每組監測截面上安裝4支光纖光柵傳感器（含3支應變傳感器和1支溫度傳感器），共計使用40支傳感器。傳感器現場(chǎng)安裝見(jiàn)圖 4，圖中含1支應變傳感器和1支溫度傳感器。傳感器安裝部位需采用工具打磨去掉管道外表面防腐層與防腐漆，隨后對管道表面拋光處理并達到Sa1等級，將傳感器安裝于拋光后的管道鋼體表面，使用點(diǎn)熔機進(jìn)行熔接，傳 感器熔接見(jiàn)圖 5。安裝完成后，底層防腐使用黏彈體防腐膏，在防腐膏之上滿(mǎn)纏黏彈體防腐帶，對已涂敷防腐膏的位置再次覆蓋，最后使用壓敏帶外防護。

                                

3 監測成果分析

3.1 管道清管作業(yè)

2016年9月中緬天然氣管道進(jìn)行清管作業(yè)，清管器質(zhì)量為300 kg（圖 6）。相對于管道內徑，碟形皮碗外徑的過(guò)盈量約為3.5%。清管器內部安裝低頻信號發(fā)射機，清管器跟蹤人員用接收機在地面接收信號，以判斷清管器通過(guò)位置。 2017年5月中緬原油管道投產(chǎn)時(shí)運行清管器，當通過(guò)瀾滄江跨越彎頭時(shí)，清管器對彎頭產(chǎn)生沖擊作用并導致管體應力發(fā)生變化，其應力監測數據后文詳述。

3.2 清管器通過(guò)天然氣管道監測分析

2016年9月27日19:19，清管器跟蹤人員接收到信號顯示清管器進(jìn)入瀾滄江跨越段， 19:24通過(guò)跨越段。天然氣管道各截面軸向應力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖 7所示： 19:20:54至19:23:30清管器依次通過(guò)天然氣管道G1至G5共5個(gè)截面，與現場(chǎng)跟蹤人員監聽(tīng)時(shí)間基本一致。

天然氣管道G1至G5監測截面相距約300 m，監測數據反映清管器自通過(guò)G1監測截面至離開(kāi)G5監測截面歷時(shí)156 s，計算得清管器平均運行速度近2 m/s，與實(shí)際清管器跟蹤記錄速度相當。清管器通過(guò)G1和G4截面時(shí)，引起的瞬時(shí)應力最大，軸向應力增量分別為2.51 MPa和2.12 MPa；通過(guò)其他截面時(shí)引起的瞬時(shí)荷載較小。分析清管器引起的瞬時(shí)荷載差異與管道結構及形態(tài)有關(guān)， G1截面和G4截面均位于彎頭之前，受清管荷載影響較大。

3.3 清管器通過(guò)原油管道監測分析

2017年5月13日，中緬原油管道投產(chǎn)時(shí)采用水頭50 km后發(fā)送第一個(gè)清管器。 16:05清管器跟蹤人員接收到信號顯示清管器通過(guò)瀾滄江跨越。

為了更好地反映投產(chǎn)期間管道應力變化，選取第一個(gè)清管器通過(guò)前后一天數據（圖 8）、前后共 30 min數據（圖 9）分析管道應力變化。

                

從圖 8可知，清管器通過(guò)前一天和后一天管道C1截面軸向應力差值在14 MPa以?xún)�，前�? h內的應力變化則未超過(guò)0.5 MPa。

從圖 8和圖 9可知，在液體管道投產(chǎn)過(guò)程中，清管器前端有大量水從高處沖擊跨越處管道（跨越處管道處于U型管段低點(diǎn)，落差約1 200 m）。清管器前端液體對管道造成的沖擊應力遠大于清管器通過(guò)時(shí)的沖擊應力。

3.4 清管器通過(guò)時(shí)管道應力變化對比

原油管道投產(chǎn)期間，清管器通過(guò)前后一天C1截面軸向應力差值在14 MPa內、前后2 h C1截面應力變化未超過(guò)0.5 MPa。清管器通過(guò)天然氣管道G1截面時(shí)，軸向應力增量為2.51 MPa。

天然氣管道與原油管道采用同溝敷設，因此2條管道高程差一致。從原油管道投產(chǎn)過(guò)程可知，液體管道投產(chǎn)過(guò)程中清管器前端有大量水、且水前端為氣體時(shí)，水的重力沖擊管道，管道應力沖擊最大。對比天然氣管道與原油管道清管器通過(guò)前后應力數據可知，當清管器前后管段均充滿(mǎn)液體時(shí)，清管器對管道造成的應力沖擊較小，液體對清管器下落沖擊起到一定緩沖作用，清管器通過(guò)后管道即恢復至原應力水平。

4 結語(yǔ)

（1）針對大型跨越管道，給出了基于光纖光柵傳感器的應力監測系統實(shí)例，通過(guò)4個(gè)光纖光柵傳感器所測應變值求得管道截面實(shí)時(shí)最大軸向應力，實(shí)現實(shí)時(shí)管道強度驗算，為管道安全運行提供保障。

（2）結合中緬原油管道投產(chǎn)和中緬天然氣管道清管作業(yè)，利用瀾滄江跨越管道應力監測系統，摸清了清管器下坡通過(guò)1 200 m大落差管道彎頭時(shí)管道應力變化，對比分析了清管器對氣體管道和液體管道的沖擊。

（3）應變監測數據表明通球穿越瀾滄江跨越段管道時(shí)對管道產(chǎn)生的沖擊應力數值較小，管道受力在合理水平，監測段管道通球作業(yè)安全可控。

（4）該監測系統將持續服役，后續將依據監測數據對外界風(fēng)力、溫度變化、可能的桁架結構變形和跨越端地基位移等因素對管道產(chǎn)生的附加應力做進(jìn)一步分析研究。

 

參考文獻：

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作者：魯佳琪， 1988年生， 2013 年碩士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東），中石油西南管道有限公司工程師，現主要從事油氣管道運行管理工作。