王璽 申瑞濤 楊青苗

國家管網(wǎng)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(jiǎn)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(fēng)險等級預警，對預防地質(zhì)災害的發(fā)揮輔助分析作用。

關(guān)鍵詞：陜京管道；地質(zhì)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(shí)間內形成的強降雨容易造成水土流失、沖溝發(fā)育、山體滑坡等地質(zhì)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(jiǎn)介

弧焊型振弦應變計包含一個(gè)兩端帶有可焊接錨固件的振弦傳感器和一個(gè)傳感器激勵線(xiàn)圈，其特點(diǎn)一是適合人工或自動(dòng)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(chǎng)工程環(huán)境；三是包含一個(gè)溫度傳感器能同時(shí)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(jìn)行應力應變數據傳感。其傳感器可通過(guò)超長(cháng)電纜準確重復測讀，具有長(cháng)期穩定性及可靠性。傳感器和線(xiàn)圈均可回收重復使用。傳感器主要技術(shù)指標見(jiàn)表 1。

表 1 ST1型振弦式應變計傳感器參數表

2  現場(chǎng)安裝

（1）管道表面處理。手動(dòng)剝離對應點(diǎn)位傳感器處防腐層，長(cháng)度1.0 m，寬度0.6 m，清潔管道并去除剝離防腐層時(shí)遺留的雜質(zhì)。

（2）應變計組裝。將調節好的ST1型傳感器順著(zhù)中軸線(xiàn)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(jìn)行傳感器熔接、激勵線(xiàn)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(kāi)口部分并包裹全部激勵線(xiàn)圈（有效附著(zhù)在金屬表面），使用熱風(fēng)槍加熱防腐膏直至其軟化。順保護罩周?chē)�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(kāi)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(zhù)在管道表面，外表面應平整、無(wú)褶皺、無(wú)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(cháng)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(wú)漏點(diǎn)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(xiàn)盒接續。先將規格為BSIL-CA-14×Φ2 mm的14芯屏蔽線(xiàn)纜做好標記。再將一個(gè)監測截面的全部3支傳感器所有數據線(xiàn)在接線(xiàn)盒內連接至同一條屏蔽線(xiàn)纜，同時(shí)在屏蔽線(xiàn)纜遠端標注相應的截面編號。將屏蔽線(xiàn)纜分別置于PE保護管內，就近導出地面并沿線(xiàn)槽引至基站安裝位置�；靥钋白詈笠淮螜z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(yáng)能電池板與采集設備正負極對應連接。調試供電系統。

（6）無(wú)線(xiàn)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(jìn)行功能測試；接通上述所有設備呼叫后臺，完成在線(xiàn)測試并進(jìn)行設備標定。

（7）工作坑回填。土方回填時(shí)應避免在中午太陽(yáng)直射高溫狀態(tài)下進(jìn)行，先用細土回填管道以上30 cm，再進(jìn)行平穩大回填。管道水平中心線(xiàn)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(shí)。 回填后恢復地貌，清理施工用材料、設備，平整施工場(chǎng)地，做到“工完，料凈，場(chǎng)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(huán)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(jìn)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(jìn)行安全評價(jià)時(shí)，對于無(wú)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(huán)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(zhì)災害預警等級詳見(jiàn)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(guò)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(guò)相應容許值的 30%，處于藍色預警級別。

（2）應力分布與應力時(shí)程。通過(guò)圖 3、圖 4曲線(xiàn)變化分析可見(jiàn)，自 2021 年 7 月 6 日起，監測單元因降雨影響應力增長(cháng)比較明顯，進(jìn)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(wú)明顯增長(cháng)趨勢。

圖 3 54 km+100 m-S01最大軸向拉壓應力時(shí)程曲線(xiàn)

圖 4 54 km+100 m-S01軸向應力分量時(shí)程曲線(xiàn)

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(zhù)，能夠有效預測管道應力變化，做到不同風(fēng)險等級及時(shí)預警。設備需要長(cháng)期數據積累進(jìn)行對比分析，不適用于短期監測。未來(lái)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(zhì)災害，避免管道事故發(fā)生。

作者：王璽，1998年生，2020年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)，國家管網(wǎng)集團北京管道陜西輸油氣分公司榆林作業(yè)區管道保護工，研究方向為管道無(wú)損檢測。聯(lián)系方式：13716538990，wangxizsy@163.com。