管道懸空災(zāi)害的分布式光纖實時監(jiān)測方法研究

趙 毅，滕建強，2，楊耀輝，馮 新

(1.中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司， 新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830011；3.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連 116024)

根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，預(yù)計到2020年，全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到16.9萬km，其中原油、成品油、天然氣管道里程分別為3.2萬km、3.3萬km、10.4萬km；到2025年，全國油氣管網(wǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴大到24萬km。因此，我國油氣管網(wǎng)還將處于一個較長的發(fā)展時期。我國幅員遼闊，油氣藏的分布極不均勻，油氣管道面臨復(fù)雜的地質(zhì)和自然災(zāi)害情況。國際上的經(jīng)驗表明，雖然第三方破壞、腐蝕、誤操作等因素是導(dǎo)致管網(wǎng)失效的主要原因，但是對于存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的區(qū)域，因滑坡、侵蝕、沉降、流動沙丘以及洪水等地質(zhì)或自然災(zāi)害造成的管道斷裂卻頻繁發(fā)生，且后果遠(yuǎn)較一般地區(qū)更為嚴(yán)重[1]。例如，發(fā)生于1987年的厄瓜多爾管線斷裂事件，因強降雨及地震引發(fā)滑坡，導(dǎo)致Trans-Ecuadorian管線系統(tǒng)的70 km管道遭受破壞，造成了歷史上單一管線的最大事故，僅修復(fù)就花費了6個月的時間，直接、間接經(jīng)濟損失巨大[2]。

滑坡、侵蝕、流動沙丘等地質(zhì)災(zāi)害通常導(dǎo)致管道發(fā)生懸空，引起管壁出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，嚴(yán)重時造成管道斷裂事故。但是對于沙漠或山區(qū)等野外條件，管道懸空的及時發(fā)現(xiàn)卻極其困難。盡管激光雷達(dá)(LiDAR)和無人機(UAV)等新技術(shù)已經(jīng)在管道完整性檢測中得到應(yīng)用[3-4]，但是這些技術(shù)存在無法實時監(jiān)測、成本高、數(shù)據(jù)解釋困難的問題，還不能滿足長輸油氣管道懸空監(jiān)測和預(yù)警的要求。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)逐漸應(yīng)用于埋地和海底管道，它具有實時監(jiān)測、遠(yuǎn)程傳感、分布式測量的優(yōu)勢，可以在線獲得管道任意位置應(yīng)變和泄漏等在位狀態(tài)[5-9]。管道懸空將引起復(fù)雜的管-土相互作用，如何根據(jù)管道的應(yīng)變分布評價管道懸空狀態(tài)，目前仍是一個挑戰(zhàn)性的問題。筆者基于懸空管道的力學(xué)響應(yīng)機理，提出一種監(jiān)測管道懸空災(zāi)害的分布式光纖監(jiān)測方法，并通過一系列的模型試驗研究方法的有效性。

1 監(jiān)測方法

1.1 埋地管道懸空監(jiān)測原理

埋地管道在自重、覆土荷載、交通荷載等作用下，與地基土體之間將發(fā)生復(fù)雜的相互作用。為了描述管-土相互作用，通常將埋地管道視為受到彈簧約束作用的無限地基梁，其中最為常用的是Winkler模型[10]。在Winkler模型中，地基土體的約束作用由一系列等間距排列、相互獨立的彈簧所代替，每一個彈簧向管道提供法向或切向的抵抗作用，其作用可用單參數(shù)、雙參數(shù)或三參數(shù)來描述。若只考慮豎直面內(nèi)的管-土相互作用，則系統(tǒng)的控制方程可寫為：

(1)

而管道一旦因引言所述的各種原因形成懸空(如圖1(a)所示)，則難以利用Winkler模型獲得管道力學(xué)響應(yīng)的分析解答， 但是我們?nèi)匀豢梢愿鶕?jù)管-土相互作用的基本原理，考察懸空管道的力學(xué)行為。假設(shè)管道非懸空部分仍為彈性地基上的無限長梁，在懸空段由于土體支撐作用的喪失，管道在自重作用下發(fā)生向下的撓曲變形，撓度在懸空段中點達(dá)到最大。隨著位置向兩側(cè)土體趨近，管道撓曲變形逐漸減小。當(dāng)管道由懸空段進(jìn)入兩側(cè)土體后，土體仍然向管道提供約束作用，撓曲變形進(jìn)一步減小，但是由于變形協(xié)調(diào)，其變形的方向?qū)l(fā)生變化，并且隨著位置逐漸遠(yuǎn)離懸空段，反方向的撓曲變形先增加后減小，直至消失，在變形消失處形成了兩個“錨固點”，我們將懸空段兩側(cè)坡肩至錨固點的范圍定義為“轉(zhuǎn)換段”。在轉(zhuǎn)換段內(nèi)，土體仍可被視作Winkler模型的土彈簧，若將該段土體約束作用離散為等間距的土彈簧，則管道懸空段和轉(zhuǎn)換段的力學(xué)模型如圖1(b)所示，于是這三段管道便成為一個具有彈性支撐的連續(xù)梁，其邊界條件(錨固點)為簡支。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理可知，懸空導(dǎo)致的附加彎矩分布如圖1(c)。其中，錨固點以外的管道不會因懸空而產(chǎn)生附加彎矩；懸空段會在跨中形成最大正彎矩，然后向兩側(cè)逐漸減小，并且在靠近轉(zhuǎn)換段處形成負(fù)彎矩區(qū)；在轉(zhuǎn)換段的起點即坡肩處，負(fù)彎矩達(dá)到最大值，形成反彎點，然后負(fù)彎矩逐漸減小，至錨固點處則完全消失。圖1(c)所示的附加彎矩分布給出了懸空導(dǎo)致的管道應(yīng)變/應(yīng)力變化曲線，如果通過監(jiān)測獲得兩個相繼狀態(tài)的管道應(yīng)變分布曲線具有圖1(c)的形狀，就可以判斷管道出現(xiàn)了懸空，并且可以判斷管道懸空段和轉(zhuǎn)換段的位置和長度。

圖1 埋地管道懸空變形與附加彎矩分布式示意圖然

1.2 埋地管道懸空分布式光纖監(jiān)測方法

上節(jié)給出了一種根據(jù)彎曲應(yīng)變變化曲線識別管道懸空狀態(tài)的基本原理，但是如果只對特定截面的管道進(jìn)行離散式的應(yīng)變監(jiān)測，顯然無法得到圖1(c)所示的附加彎矩曲線，因此埋地管道懸空災(zāi)害監(jiān)測的關(guān)鍵問題是獲得管道的彎曲應(yīng)變分布。目前，國內(nèi)外較為成熟的分布式應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)是基于Brillouin散射原理的分布式光纖應(yīng)變傳感方法，實現(xiàn)了埋地管道彎曲應(yīng)力、整體屈曲和局部屈曲的精準(zhǔn)識別與定量評價。

雖然管-土相互作用可以簡化為Winkler地基梁模型，但是管道的變形卻具有典型的三維空間特性，而Brillouin光纖傳感器卻只能獲得一維的應(yīng)變分布。為了完整獲得管道的空間變形和應(yīng)變分布，可采用螺旋布設(shè)和平行布設(shè)兩種方式安裝分布式光纖傳感器，然而前者對傳感器的安裝位置要求極其嚴(yán)苛，并且布設(shè)困難、施工效率低下，后者雖然需要平行布設(shè)3條分布式光纖傳感器，但是傳感器均沿管道縱向布設(shè)，比較便于施工，因此本文采用這種傳感器布設(shè)方式，其具體布設(shè)位置如圖2所示，即在截面的12點鐘、3點鐘和9點鐘位置分別沿管道縱向布設(shè)3條Brillouin光纖應(yīng)變傳感器。

(a) 縱向 (b) 橫向

沿管道縱向布設(shè)的分布式光纖傳感器并不能直接得到管道的彎曲應(yīng)變，測量結(jié)果是彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變疊加的結(jié)果，并且由于施工以及管道空間變形等原因，傳感器與管道中性平面之間也可能存在一定角度。針對上述問題，筆者已經(jīng)建立了根據(jù)分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)提取管道彎曲和軸向應(yīng)變的方法[11-15]，具體計算公式如下：

(2)

式中：x為管道縱向的任意位置;εt(x)、εL(x)和εR(x)分別為管道縱向x處截面上12點鐘、9點鐘和3點鐘位置的傳感器所獲得的應(yīng)變觀測值;θ為管道中性平面與水平面的夾角;εb(x)和εa(x)分別為x處管道的彎曲和軸向應(yīng)變。當(dāng)利用圖2中所示的Brillouin光纖應(yīng)變傳感器獲得管道縱向應(yīng)變數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)式(2)完整獲得管道的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變，進(jìn)而將彎曲應(yīng)變數(shù)據(jù)根據(jù)圖1(c)的特征進(jìn)行管道懸空狀態(tài)判別。

2 模型試驗

2.1 試驗裝置

為了驗證第2部分所提方法對管道懸空災(zāi)害監(jiān)測的有效性，進(jìn)行了埋地管道分布式光纖監(jiān)測的模型試驗研究。該試驗可看作是一個流動沙丘作用下管道懸空監(jiān)測的小原型模擬，并不考慮嚴(yán)格的物理相似，僅考慮管道與土體的幾何相似，著重研究懸空形成及發(fā)展過程中管道應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，重點考察分布式光纖傳感器是否可以監(jiān)測管道的懸空狀態(tài)。

試驗管道采用PPR管，長度為12 m，外徑為110 mm，壁厚為15.1 mm。PPR管材的彈性模量為808 MPa，密度為910 kg/m3。在幾何相似方面，以某Φ426鋼管為目標(biāo)，管長和徑向的幾何比尺分別設(shè)計為12和3.87。并且為了模擬管道和內(nèi)部流體的重力效應(yīng)，也對管道進(jìn)行了配重。

試驗在圖3所示的大型管道試驗箱(長12 m×寬1 m×高1.7 m)內(nèi)進(jìn)行，首先在試驗箱內(nèi)鋪設(shè)厚度為1 m的碎石和土體并進(jìn)行夯實，然后鋪設(shè)30 cm厚的細(xì)沙，接著將管道平鋪在沙床上，當(dāng)完成傳感器布設(shè)后在試驗箱內(nèi)填埋細(xì)沙?？紤]流動沙丘的情況，管道上部覆沙可能已經(jīng)減薄，因此埋深約為10 cm(表面至管頂)，根據(jù)幾何比尺換算后的實際覆沙厚度約為38.7 cm。試驗中，懸空的模擬是由管道中心開挖，然后逐漸向兩側(cè)擴大，但懸跨內(nèi)懸空高度一致，僅設(shè)置為3.5 cm，根據(jù)幾何相似，實際懸空高度約為14 cm。需要說明，試驗并未考慮懸空長度和高度的極端情況，僅為驗證監(jiān)測方法的可行性。

圖3 管道懸空監(jiān)測試驗裝置

按照圖2所示的位置將分布式光纖應(yīng)變傳感器固定在管道上，同時為了進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，在管道底部增設(shè)了一條分布式光纖應(yīng)變傳感器，共沿管道長度方向平行布設(shè)了4條分布式光纖傳感器。同時為了保證光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，也在模型管道的1/6、1/3、1/2、2/3、5/6長度處，在管頂和管底分別等間距布設(shè)電阻應(yīng)變片。在這些位置上，也布置了輕質(zhì)剛性立桿，作為管道關(guān)鍵斷面的變形監(jiān)測靶點，通過激光全站儀觀測不同試驗工況下管道的變形狀態(tài)。

分布式光纖傳感器的數(shù)據(jù)采集采用NBX-6050A光納儀，空間分辨率設(shè)置為10 cm，距離分辨率5 cm，形成分布式的應(yīng)變測量。電阻應(yīng)變片的測量采用cDAQ多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)變片為1/4橋連接。管道變形采用RTS11R6 激光全站儀進(jìn)行測量。

試驗工況共包括8種，即以管道中點為對稱中心向兩側(cè)等長度開挖，形成管道懸空。8種工況對應(yīng)的懸空長度分別為1.00 m、1.50 m、2.00 m、2.50 m、3.00 m、3.50 m、4.00 m和4.75 m。

2.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)5處全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，將8種工況下管道的變形情況繪于圖4?？梢园l(fā)現(xiàn)，在前4種工況下，管道在懸空段及其附近區(qū)域出現(xiàn)了向下的撓曲變形，每種工況均為跨中撓度最大，并且隨著懸空段長度增加，撓度也呈現(xiàn)遞增趨勢，但是變形數(shù)值均較小，即使在懸空長度達(dá)到2.5 m時(工況4)，跨中撓度也未超過0.2 cm；在第5種工況后，跨中撓度增加明顯，并且隨著懸空長度的增加，撓度也不斷增大，并且其影響范圍也逐漸擴大；在第8種工況時，懸空長度達(dá)到4.75 m，跨中撓度達(dá)到3.5 cm，已經(jīng)觀察到管道觸底現(xiàn)象。在圖4中，管道撓曲變形基本以跨中為中心對稱，但是實際中難以保證兩側(cè)土體約束條件完全一致，并且每種工況的開挖擾動客觀存在，因此圖中撓曲線的對稱性也存在一定程度的偏差。

圖4 不同懸空長度下管道撓曲變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

在每種工況下，都分別利用分布式光纖應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片，監(jiān)測懸空導(dǎo)致的管道應(yīng)變變化情況。試驗中，位于管道截面3點鐘和9點鐘的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)分布趨勢基本一致，并且數(shù)值都在±50 με范圍內(nèi)波動，因此認(rèn)為管道軸向應(yīng)變較小，數(shù)據(jù)僅與測量誤差和試驗擾動有關(guān)，本文限于篇幅不再列出，重點討論與彎曲應(yīng)變主導(dǎo)的管頂和管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)(見圖5)。同時，為了檢驗分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠性，在圖5中也分別繪制了電阻應(yīng)變片的測量結(jié)果。對比二者數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，所有工況中控制截面的測量結(jié)果均吻合較好，說明分布式光纖傳感器可以較為精確地測量管道應(yīng)變，但是如圖所示，分布式光纖傳感器可以獲得管道任意位置的縱向應(yīng)變，而電阻應(yīng)變片卻只能得到有限個離散測點的數(shù)據(jù)，顯然無法滿足管道懸空監(jiān)測的需要。

圖5顯示，在前4種工況中，無論是管頂管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)均非常小，無法明顯觀測到圖1中的懸空特征，結(jié)合圖4中的撓曲線進(jìn)行分析，當(dāng)懸空長度不超過2.50 m時，管道的變形較小，相對應(yīng)的，管道的應(yīng)變響應(yīng)也應(yīng)較小，因此還無法利用分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)判別管道懸空的出現(xiàn)。

圖5 不同懸空長度下管道分布式應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

當(dāng)懸空長度增加至3.00 m時(工況5)，圖5顯示管頂和管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了明顯的懸空特征，即在懸空段形成正彎矩(管底最大拉應(yīng)變約為451 με)，在懸空段兩側(cè)出現(xiàn)負(fù)彎矩，負(fù)彎矩逐漸增加然后減小，可判斷該范圍為轉(zhuǎn)換段。轉(zhuǎn)換段的應(yīng)變在約3.00 m和9.00 m處減小為0，然后至管道兩端均無應(yīng)變反應(yīng)，說明3.00 m和9.00 m為錨固點，懸空對其以外的區(qū)域沒有影響。與實際懸空長度相比，工況5的分布式應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，左側(cè)負(fù)彎矩峰值約位于4.00 m處，而左側(cè)坡肩在 4.50 m處，右側(cè)負(fù)彎矩峰值約位于7.50 m處，基本與右側(cè)坡肩重合。除此以外，工況5中管道的應(yīng)變分布也未以管道中點對稱分布。這兩種情況應(yīng)與懸空兩側(cè)土體性質(zhì)的非一致性、開挖擾動以及復(fù)雜的管-土相互作用有關(guān)，但是監(jiān)測數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確判斷懸空的出現(xiàn)，并對懸空導(dǎo)致的管道應(yīng)變(應(yīng)力)分布給出定量結(jié)果，同時對懸空長度也可給出一定精度的估計。

隨著懸空長度增加至3.50 m和4.00 m(工況6和工況7)，分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的形狀都具有清晰的懸空特征，并且懸空段的峰值應(yīng)變也明顯增加，工況6和工況7懸空段的峰值應(yīng)變分別達(dá)到716 με和1 075 με。在轉(zhuǎn)換段內(nèi)，負(fù)彎矩峰值對應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值也逐漸增加，同時錨固點位置不斷外擴。在這兩種工況中，負(fù)彎矩峰值點的位置都稍位于坡肩外側(cè)，但是差別均不超過0.50 m，說明監(jiān)測數(shù)據(jù)對懸空長度的識別也基本正確。

懸空長度達(dá)到4.75 m時(工況8)，圖4的跨中撓度監(jiān)測結(jié)果表明，管道底部已經(jīng)部分觸底，因此應(yīng)變分布曲線不再呈現(xiàn)典型的懸空特征。與工況7比較，圖5中懸空段峰值應(yīng)變沒有繼續(xù)增加(1 051 με)，并且在5.00 m至6.00 m范圍內(nèi)，其應(yīng)變數(shù)值反倒明顯降低，雖然6.00 m至8.00 m區(qū)域的應(yīng)變數(shù)值有所增大，但是也較工況7峰值應(yīng)變減小約50%，說明觸底使管道懸空段的應(yīng)變得到了釋放和重新分布。工況8的錨固點約位于2.00 m和10.00 m處，轉(zhuǎn)換段的峰值應(yīng)變較工況7有所增加，對應(yīng)的位置分別為3.20 m和8.60 m處，仍稍稍位于坡肩外側(cè)，但與坡肩的偏差均不超過0.30 m，說明隨著懸空長度的增加，管道下?lián)线M(jìn)一步加劇，轉(zhuǎn)換段對管道提供的豎向反力不斷增加，其負(fù)彎矩峰值的位置更加接近理想情況，其對懸空長度的識別更加精確。工況8的試驗結(jié)果表明，所建立的懸空監(jiān)測方法，不但可以準(zhǔn)確識別管道懸空的發(fā)展，而且可以有效判斷管道的觸底行為。

3 結(jié) 論

流動沙丘、滑坡和侵蝕等地質(zhì)災(zāi)害均可導(dǎo)致埋地管道發(fā)生懸空，威脅管道安全運行。實時監(jiān)測管道懸空的形成與發(fā)展，可以為管道安全預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)懸空管道響應(yīng)機理，提出了一種利用分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測懸空附加彎矩曲線的方法，建立了管道懸空的識別技術(shù)。該方法的特點是可以對管道任意位置的縱向應(yīng)變進(jìn)行實時監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析獲得管道懸空的發(fā)展變化情況。模型試驗結(jié)果表明：分布式光纖應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片在控制斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明該方法對于管道縱向應(yīng)變的監(jiān)測具有較高的可靠性，但是卻可以有效避免應(yīng)變片和光纖光柵(FBG)等點式測量技術(shù)無法對管道全長任意位置進(jìn)行監(jiān)測的局限性；當(dāng)懸空導(dǎo)致管道產(chǎn)生一定的撓曲變形后(≥6 mm)，分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)典型的懸空特征，可以準(zhǔn)確判斷管道懸空的出現(xiàn)，并且根據(jù)負(fù)彎矩峰值及其消失點的位置，可以定量識別懸空長度及其影響范圍(轉(zhuǎn)換段)；分布式光纖傳感器提供了管道全長的應(yīng)變分布情況，可以實時評估管道的彎曲應(yīng)力狀態(tài)，為懸空災(zāi)害導(dǎo)致的管道失效提供預(yù)警數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)實際監(jiān)測評價的需求，未來應(yīng)進(jìn)一步研究基于人工智能的監(jiān)測數(shù)據(jù)懸空特征提取方法，實現(xiàn)管道大范圍懸空災(zāi)害的定量診斷與智能預(yù)警。