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跨斷層埋地管道安全監測預警系統

文檔作者：侯王剛張文濤王蘊玉葉富艷文檔來源：西南石油大學石油與天然氣工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年07月16日
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2015 年
第6 期Pipeline Technique and Equipment
2015
No． 6
基金項目:四川省應用基礎研究計劃項目(2013JY0098) 收稿日期:2015-09-14 收修改稿日期:2015-09-25
跨斷層埋地管道安全監測預警系統
侯王剛,張文濤,王蘊玉,葉富艷
(西南石油大學石油與天然氣工程學院,四川成都 610500)
摘要:穿越斷裂帶長輸埋地管道易發生拉裂、錯斷及屈曲破壞,實施管道安全監測預警,可以進行
震后速報,為管道安全運行狀態評估、危險管段應急搶險提供依據。利用傳感器對斷層致災體、管道承
災體以及土體對管道作用力進行監測,形成地震動加速度預警、斷層位移預警、管道應變預警、管道泄
漏預警、管道檢修定位、管道變形及受力狀況顯示,管土相對位移和相互作用力動態變化功能的監測預
警系統,有效減少突發性災害導致的管道受損破壞及次生危害的發生。
關鍵詞:斷層;埋地管道;監測;預警;系統;安全
中圖分類號:TE83 文獻標識碼:A 文章編號:1004-9614(2015)06-0009-04
Safety Monitoring and Early Warning System
for Buried Pipeline Crossing Fault
HOU Wang-gang,ZHANG Wen-tao,WANG Yun-yu,YE Fu-yan
(Petroleum &amp;amp; Natural Gas Engineering Institute,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China)
Abstract:Long-distance buried pipeline crossing fault is prone to crack, dislocate and buckle, so the implementation of
pipeline security monitoring and early warning can not only offer the earthquake quick report, but also provide basis for the safe
operation of the pipeline condition assessment and risk tube section of the emergency rescue. Through monitoring of the force of
fault hazard-affected body,pipeline of hazard-affected body and soil mass on pipeline,thus forming the function of ground acceleration
early warning, fault displacement early warning, pipeline strain early warning, pipeline leakage warning, location of pipeline
inspection, real time display of deformation and stress of pipe, the dynamic change of the relative displacement and the interaction
force of the pipe soil. It can effectively reduce the damage caused by the sudden disasters and the occurrence of secondary
damage.
Key words:fault; buried pipeline; monitor; early warning; system; safety
0 引言
長距離油氣管道會受到各種地質災害的影響,多
次地震經驗表明,對埋地管道影響最大的地震災害是
斷層引起的地表破裂[1] 。
目前,國內外學者已就斷層錯動作用下埋地管道的
反應行為進行深入研究,并提出相應的抗震措施,但對穿
越斷層管道進行長期、動態的力學監測研究較少[2] 。因
此,開展管道安全監測預警對提高管道的安全級別,避免
油氣管道泄漏導致的次生災害具有重要意義。
1 管道監測系統應用狀況
油氣管道地震監測系統應用于阿拉斯加管道、東
京煤氣管網等[3] 。阿拉斯加管道地震監測系統由11
座數字式地震加速度記錄儀組成,主要監測地震動強
烈程度,判斷管道的安全狀態[4] 。東京煤氣管網地震
監測系統由感震自動隔斷系統和管道地震預報系統
組成[5] ,地震發生時,監測到的地震加速度與設定閾
值進行比較,確定是否自動隔斷下游煤氣供給;同時
管道地震預報系統分析管道沿線地震烈度,計算出各
個地域的損害程度。
油氣管道地震監測預警系統還應用在西氣東輸
二線冀寧段[6] 和中緬油氣管道。中緬油氣管道地震
監測系統由強震動監測子系統、GPS 形變量監測子系
統、管道應變監測子系統、數據采集與處理子系統以
及預警子系統組成,形成基于強震動觀測、GPS 形變
測量以及管道應變測量的地震緊急報警系統[7] 。
地震斷層管道的監測系統從最初的只監測地震
動強烈程度,發展為監測斷層兩盤位移和管道應變,
系統功能得到改進。然而,監測系統更多關注地震斷
10 Pipeline Technique and Equipment Nov． 2015
裂帶的監測,對管道應變監測位置的選取不夠合理;
不能實時、準確地顯示管道沿線任一點的變形受力狀
況;缺乏土體與管道相互作用的監測,當管道發生泄
漏時,不能進行泄漏點定位。為此,進一步開展跨地
震斷層管道監測預警系統研究十分必要。
2 管道監測預警系統設計
穿越斷裂帶管道監測預警系統分別對斷層致災
體、管道承災體以及土體對管道的作用進行監測,全
面、準確、快速地評估管道沿線的安全狀態,并進行預
警。該系統由監測傳感子系統、數據采集與傳輸子系
統、數據分析與處理子系統以及預警子系統組成。通
過對地震動峰值加速度、斷層位移、管道應變、管道位
移、管道運行溫度以及土體對管道作用力的監測,進
行現場數據采集,經無線4G 和北斗衛星雙信道傳輸
至遠程控制中心,在監控中心進行數據分析、處理及
發布預警信息。
圖1 為管道斷層災害監測預警系統結構圖。
圖1 管道斷層災害監測預警系統結構圖
2.1 監測傳感子系統
監測傳感系統由強震動監測單元、GPS 斷層位移
監測單元、管道應變監測單元、管道位移監測單元、管
道運行溫度監測單元以及管土相互作用監測單元組
成,通過安裝在管道或斷層上的傳感器和監測設備進
行斷層和管道的實時監測。
2． 1． 1 強震動監測單元
在近斷層區域(距離斷層破裂面20 km)內的泵
站、閥室或監測站安裝數字強震動儀進行地震動峰值
加速度監測。
根據《油氣輸送管道線路工程抗震設計規范》[8] ,
確定地震峰值加速度等于或大于0.2g 但小于0.3g
時,進行一級預警;當峰值加速度等于或大于0.3g 時,
進行二級預警。
2． 1． 2 管道應變監測單元
管道的應力應變能夠直觀反映地震對管道安全
狀況的影響。采用應力分析儀監測管道應力時,需開
挖管道,清除管道防腐層,成本較高,維護復雜[9] 。因
此,采用光柵光纖應變計進行管道應變的監測。
2． 1． 2． 1 管道應變閾值的確定
通過理論計算或試驗研究,確定管道的容許拉壓
應變ε′(管道發生屈服時容許應變)和極限拉壓應變
ε″(管道發生失效時的應變)。當監測應變小于容許
拉壓應變時,管道處于安全狀態;當監測應變等于或
大于容許拉壓應變但小于極限拉壓應變時,管道處于
不安全狀態,進行一級預警;當監測應變達到極限壓
第6 期侯王剛等:跨斷層埋地管道安全監測預警系統 11
力應變時,管道處于失效狀態,進行二級預警。
2． 1． 2． 2 管道沿線應變計安裝位置
根據現場調研資料,對跨斷層管道進行有限元數
值分析,確定斷層附近管道的應力應變集中點,在這
些點所在截面安置應變計。圖2 為走滑斷層作用下管
道應變監測點的選取說明。
圖2 走滑斷裂帶管道沿線應變監測點位置
圖2 中,A、B、C、D 為斷層一側管道應變監測點,
B1、C1、D1 為斷層錯動后管道上B、C、D 點的變形位
置。通過理論分析,確定斷層錯動后A 點軸向拉伸應
力應變最大,C1 點為管道軸向總應力(包括軸向應力
應變和彎曲應力應變)最大點,因此選擇A 點和C 點
進行監測。為了避免斷層錯動距離的變化導致軸向
總應力位置點發生移動,在C1 點兩側一定距離(B1 和
D1點)進行監測。因此,將A、B、C、D 作為斷層一側管
道應變監測點,對于兩側場地土一致的走滑斷層,管
道變形呈反對稱,E、F、G 點進行同樣選擇。
2． 1． 2． 3 管道截面應變計安裝位置
地表破裂及錯動作用下,管道發生軸向拉壓應
變、橫向和垂向彎曲應變。為了全面反映管道橫截面
的應變狀況,選取截面3 點、9 點以及12 點鐘方向安
置應變計,分別監測管道的軸向拉壓應變、橫向和垂
向彎曲應變。圖3 所示為管道橫截面上的應變計的安
裝點。
圖3 管道橫截面應變計安裝位置側面圖
2． 1． 3 GPS 斷層位移監測單元
在斷層兩盤各安裝1 臺高精度GPS 接收機,監測
斷層相對位移。采用數值模擬進行斷層位移和管道
應變關系研究,建立斷層錯距和管道應變數據庫。通
過不斷改變斷層兩盤相對位移,確定斷層水平向和垂
直向錯距閾值H1、H2、V1、V2。當斷層水平向錯距為
H1或垂直向錯距V1 時,管道達到容許拉壓應變,進行
一級預警;當斷層水平向錯距達到H2 或垂向錯距V2
時,進行二級預警。
2． 1． 4 管道運行溫度監測單元
常用埋地管道泄漏監測方法為壓力監測,當管道
某處發生泄漏時,根據壓力波傳播方向和速度,進行
泄漏定位。但地震作用下,強大的地震波往往導致泄
漏壓力波難以觀測,因此在管道應力應變集中點安裝
光纖光柵溫度傳感器,當管道危險點發生泄漏時,傳
感器根據泄漏流體熱輻射進行泄漏點定位預警。
2． 1． 5 管土相對位移、相互作用力監測單元
管土相對位移和相互作用力的監測,可以定量評
價管道受土體移動的影響程度,為理論上選取合適土
體本構關系模型和管土相互作用力學模型的發展提
供直接數據。
2.2 數據采集及傳輸系統
監測數據的自動采集及有效傳輸是管道安全監
測的關鍵。系統采用多通道數據采集器,將各傳感器
信號通過光纜傳輸至多通道解調模塊,進行A/ D 轉
換、數據分析,傳輸至遠程控制模塊。
4G 通信速度快、通信靈活,是很好的無線傳輸通
道。但這種通信技術過于依賴通信基站,易發生通信
擁堵或癱瘓,建議采用無線4G 和北斗衛星結合的雙
信道通信。
2.3 數據處理與管理系統
數據處理與管理是整個系統的核心。將采集到
的現場數據進行分析、處理,實時判斷管道的安全狀
態,并進行四重預警,防止單個預警功能的失效或滯
后;同時動態顯示管道的變形和受力狀況,進行管道
危險點定位;監測到的管土作用力與相對位移變化數
據為理論研究提供依據。
圖4 為數據處理系統中管道的安全判斷邏輯圖。
2.4 預警系統
當斷層致災體或管道承災體相關參數達到設定
閾值時,進行聲光預警,并通過手機短信、電子郵件或
智能手表發布預警信息。其中,一級預警為響聲和藍
色閃光;二級預警為響聲和黃色閃光;泄漏預警為響
聲和紅色閃光。
12 Pipeline Technique and Equipment Nov． 2015
3 管道監測預警系統的應用
冀寧管道地震監測預警系統分別在宿遷、棗莊等
4 個分輸站設置數字強震動儀,在蒼山-尼山和沂沭斷
裂帶兩側各安裝1 套GPS 監測儀,當沂沭斷層兩盤垂
直位移量大于0.4 m 或水平位移量大于2.5 m 時進行
報警。本監測預警系統在地震動強烈程度、斷層相對
位移量監測的基礎上,增加了管道應變、管土相互作
用力的監測,系統功能得到完善,對于以后斷層管道
的監測具有重要的參考價值。
圖4 斷層位移和管道應變預警邏輯判斷圖
4 結束語
跨斷層埋地管道監測預警系統的設計,為傳統管
道抗震方法提供新的思路,不僅在地震過程中能夠減
小管道損害,而且在震后能夠迅速判斷管道的安全運
行狀態,并及時發布預警信息,供決策人員參考。
采用傳感器和數據采集設備,分別對斷層致災
體、管道承災體、管土相互作用力等參數進行動態監
測,實時評估管道的安全狀況。實現多級預警,提高
管道安全級別,為理論分析斷層管道反應行為提供直
接數據。當管道處于不安全狀態時,發出聲光預警,
并通過短信、電子郵件或智能手表發布預警信息,為
工作人員提供最佳搶修條件。
參考文獻:
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京:石油工業出版社,2010.
作者簡介:侯王剛(1990—),碩士研究生,主要從事油氣管道結
構安全研究。E-mail: zj2193160@ 126． com
(上接第6 頁)
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工藝中的應用.熱加工工藝,2011,40(3):72-75.
[5] 王旭.受外載作用三通的有限元分析:[學位論文].長春:
吉林大學,2005.
作者簡介:陳星明(1984—),工程師,從事城市燃氣技術管理及
管道系統強度評價工作。
E-mail:224148815@ qq.com

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