振弦式應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在采空區(qū)燃?xì)夤艿郎系膽?yīng)用

霍小亮

（山西燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在油氣長輸管道建設(shè)過程中時常遇到埋地管道下方存在各種類型的采空區(qū)的情況，特別是在我國山西境內(nèi)遍布著國有、集體煤礦，使得通過該地區(qū)的管道面臨著采空區(qū)隱患［1］。采空塌陷導(dǎo)致管道受到拉、壓、剪、扭、彎等荷載作用彎曲下沉或懸空，管道一些部位應(yīng)力集中后強(qiáng)度到達(dá)極限后就會發(fā)生破裂，加之采空區(qū)還可能導(dǎo)致地裂縫和滑坡等災(zāi)害，都對管道安全形成威脅［2］。

山西某煤層氣輸氣管線所經(jīng)過地段多處于煤礦采空區(qū)域，煤礦開采引發(fā)的地面沉陷嚴(yán)重影響并威脅管道運(yùn)營安全。為此，以穿越同富新煤礦采空區(qū)的該煤層氣輸氣管道（圖1）為研究對象，采用振弦式應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場管線進(jìn)行監(jiān)測與分析，從而為油氣管道行業(yè)的安全運(yùn)行管理提供借鑒。

1 監(jiān)測方法介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)架

管道應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可以對處于采空區(qū)管道的受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、采集儀以及服務(wù)器終端（上位機(jī)）。

監(jiān)測系統(tǒng)通過采集儀將傳感器的信號進(jìn)行采集，然后將信號通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，再通過計(jì)算機(jī)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀察和分析。除此之外，監(jiān)測系統(tǒng)還具有報(bào)警功能，可通過計(jì)算機(jī)、郵件、短信等方式進(jìn)行預(yù)警，圖1是監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

1.2 傳感器的選擇

根據(jù)各種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇最適合管道應(yīng)變監(jiān)測的應(yīng)變計(jì)。目前市場上的應(yīng)變計(jì)主要有電阻應(yīng)變片、振弦式應(yīng)變計(jì)和光纖應(yīng)變計(jì)［3］。

電阻應(yīng)變片利用的是金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，將應(yīng)變片貼在待測物體表面上，當(dāng)物體形變傳到應(yīng)變片上時，應(yīng)變片的電阻值也會隨之變化。但是應(yīng)變片輸出信號微弱，抗干擾能力差，受溫度變化影響很大，并且極端環(huán)境下壽命較短，因此無法適應(yīng)長期的在線監(jiān)測。

光纖傳感技術(shù)是通過對光纖內(nèi)傳輸光某些參數(shù)（如強(qiáng)度、頻率、相位、偏振態(tài)等）變化的測量，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的測量。光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，靈敏度高，不受電磁干擾，便于長距離、不間斷的監(jiān)測，體積小，可以多通道采用同一根光纖進(jìn)行測量。缺點(diǎn)是光纖傳感器比較脆弱，壽命較短，不能適應(yīng)長時間的現(xiàn)場工作，并且光柵解調(diào)儀的成本昂貴。

振弦式應(yīng)變計(jì)以張緊的振弦作為敏感元件，其弦振動的固有頻率與張緊力有關(guān)。當(dāng)振弦長度確定后，弦的振動頻率變化量即可表示張緊力的大小，其輸入量為力，輸出量為頻率信號［4］。振弦傳感器由振弦、磁鐵、振弦夾緊裝置組成，圖2是振弦式傳感器的原理圖，敏感元件振弦是一根張緊的金屬絲，置于直流磁場中，其中一端固定在夾塊上另一端和感壓膜片或者運(yùn)動部分相連，張力T作用于感壓膜片上，使弦張緊［5］。

圖2 振弦傳感器原理圖

振弦的固有頻率可由式（1）確定：

式中，f0為振弦的固有頻率，Hz；l為振弦的有效長度，m；ρ為振弦的線密度，kg／m；T為張力，N。

弦的應(yīng)變與張力的關(guān)系為：

式中，ε為弦的應(yīng)變，με；S為弦的截面積，m2；E為弦的彈性模量，m2／N。

將兩個式子合并可得：

用F代替f20，K代替式（3）簡寫為：

式中，F(xiàn)稱為頻率模數(shù)；K為標(biāo)定系數(shù)。

振弦式應(yīng)變計(jì)具有的優(yōu)點(diǎn)為：輸出距離長，適用于野外使用；分辨率高，可以精密測定微應(yīng)變增量；傳感器的零點(diǎn)漂移小，具有高穩(wěn)定性和重復(fù)性；性能穩(wěn)定、精度高，一般能達(dá)到±0.2%～±0.05%。

通過對以上3種傳感器的綜合分析，振弦式應(yīng)變計(jì)更適合應(yīng)用于野外環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)中。

1.3 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)的功能是對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器上。采集儀需要具有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，擁有多個振弦式應(yīng)變計(jì)采集通道；并且能夠按上位機(jī)采集策略自動采集數(shù)據(jù)，將結(jié)果通過無線模塊發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對被監(jiān)測對象的遠(yuǎn)程監(jiān)測［6］。

1.4 通訊系統(tǒng)

為將采集儀采集的信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，需要采用數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transmit Unit，DTU）進(jìn)行傳輸。DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備，其硬件組成部分主要包括CPU控制模塊、無線通訊模塊以及電源模塊。通過DTU不但可以將數(shù)據(jù)上傳，還可以使上位機(jī)對采集儀的采集策略進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。由于DTU是使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)?，因此使用地區(qū)一定要具有GPRS網(wǎng)絡(luò)信號才可以。

1.5 監(jiān)控軟件

上位機(jī)系統(tǒng)通過整個監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)渫ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測裝置、傳感器進(jìn)行通信,定時自動向下發(fā)送各種系統(tǒng)工作命令。該系統(tǒng)具有靈活的采集策略，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)點(diǎn)的重點(diǎn)監(jiān)控，提高監(jiān)測的目的性，同時可以最大限度節(jié)約電能，延長電池使用時間。

另外，采集儀還具有靈活清晰的報(bào)警策略，監(jiān)控端軟件具有邊界分級報(bào)警功能，系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)在超過自身設(shè)置的最大最小值或者采集策略允許的在超過自身設(shè)置的最大最小值或者采集策略允許的采集幅度范圍將進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警的方式通過郵件的方式通知各報(bào)警聯(lián)系人，另外系統(tǒng)還生成報(bào)警日志，為系統(tǒng)用戶提供系統(tǒng)提示，用戶登錄系統(tǒng)后可看見發(fā)生的報(bào)警記錄，通過點(diǎn)擊后面的已讀按鈕標(biāo)記信息狀態(tài)為已讀狀態(tài)。系統(tǒng)提供報(bào)警次數(shù)的圖標(biāo)統(tǒng)計(jì)功能，系統(tǒng)根據(jù)查詢的條件，按照年月或者探頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 監(jiān)測方法應(yīng)用分析

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

山西同富新煤礦位于山西臨汾市鄉(xiāng)寧縣境內(nèi)，整個井田面積11.89 km2，同富新煤礦102工作面直接影響山西燃?xì)飧邏汗艿篱L度約600 m，輸氣管線埋深1.5 m，開采面距離管線約300 m。燃?xì)夤芫€SK006號樁到SK008號樁這一段在兩個工作面的巷道中間，巷道間距30 m，SK008號樁到SK010號樁管道斜穿102工作面，風(fēng)險(xiǎn)程度高。

為了對山西燃?xì)馔恍虏煽諈^(qū)管道進(jìn)行監(jiān)測，通過現(xiàn)場實(shí)地考察，選取了6處管道變形監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，包括煤礦相鄰工作面之間煤柱上方管道監(jiān)測點(diǎn)2處；管道橫穿煤礦102工作面上方監(jiān)測點(diǎn)4處。如圖3所示，黑色箭頭表示現(xiàn)場水泥樁位置，黃色五角星位置代表監(jiān)測點(diǎn)位置，從SK006樁到SK008樁距離大約為300 m，管線位于兩個采空區(qū)之間的煤柱上方，之間布置2個監(jiān)測點(diǎn)，分別為SK007-10和SK008-40。從SK008樁至SK010樁約200 m，管線在此橫穿煤礦102工作面，之間布置4個監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置位置圖

2.2 運(yùn)行情況分析

山西燃?xì)馔恍旅旱V管道變形監(jiān)測點(diǎn)自2016年12月17日開始正式運(yùn)行，已成功預(yù)測管道變形情況。通過對監(jiān)測點(diǎn)位置布置分析，選取風(fēng)險(xiǎn)最大點(diǎn)SK009+45作為分析點(diǎn)，具體分析如下。

2.2.1 應(yīng)變分析

圖4是監(jiān)測點(diǎn)2017年1月1日至2月28日的應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢。從圖4可以看出，從1月1日至1月20日，監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變曲線平緩，管線無明顯受壓；從1月20日至2月10日，測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化趨勢較大，管道呈現(xiàn)受壓狀態(tài)。

圖4 SK009+45測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)圖

2.2.2 應(yīng)力分析

圖5 SK009+45測點(diǎn)應(yīng)力分析圖

從圖5可以看出：從2017年1月1日至1月20日，管線的軸線應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和附加應(yīng)力都沒有較大的變化；從1月20日開始，附加應(yīng)力出現(xiàn)明顯的變化；彎曲應(yīng)力從1月20號開始到2月6號為止，有3 Mpa的應(yīng)力波動，2月6號后趨于穩(wěn)定；軸向應(yīng)力從2月1號開始也有較大的變化，到2月10號為止趨于平穩(wěn)。從以上數(shù)據(jù)可以判斷，管道主要承受軸向應(yīng)力和附加應(yīng)力，說明管道已經(jīng)受到煤層開采的影響，管線附近土體塌陷已經(jīng)逐步開始，需立即對管線進(jìn)行加密巡查和處理。

通過現(xiàn)場實(shí)地查勘，在同富新煤礦采空區(qū)上方發(fā)現(xiàn)地裂縫，地裂縫集中區(qū)域在SK008-40與SK010之間。同時從煤礦方面也了解到，2月10號正趕春節(jié)放假，煤礦處于停產(chǎn)狀態(tài)，所以在圖5應(yīng)力曲線中可以看出管線在2月10號后應(yīng)力變化趨于平緩。同時，為了防止管線進(jìn)一步變形，管線運(yùn)行單位立即對管線變形處采取了應(yīng)急處置，采取管線開挖、應(yīng)力釋放的方式有效避免了管線的加劇形變。

3 結(jié)論

1）處于采空區(qū)位置的管道極易受到采空區(qū)塌陷的影響和破壞，為了避免管道出現(xiàn)更大的損壞，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)損失，需要對管道的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

2）振弦式管線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可以對管道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時在線的監(jiān)測。通過在管道上安裝振弦式應(yīng)變計(jì)，利用采集儀對應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器上，用戶即可通過上位機(jī)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析。

3）該系統(tǒng)在同富新煤礦附近管道安裝后，對管道受煤礦作業(yè)影響的反映靈敏，并成功地進(jìn)行了安全預(yù)警。該系統(tǒng)為長輸管道沿線采空區(qū)的安全維護(hù)提供了經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，并為沿線處于其他地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的管道維護(hù)提供參考。