埋地油氣管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李 平

（國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運(yùn)有限公司，江蘇 徐州221000）

隨著油氣管道的逐步增長，管道沿途面臨的采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害種類越來越多、規(guī)模也越來越大，而由此導(dǎo)致的管道安全事故又極易誘發(fā)嚴(yán)重的次生災(zāi)害，其直接和間接的損失往往比其他類別的事故更大，因此有必要針對油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)建立行之有效的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。近年來，在線監(jiān)測技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，越來越多地出現(xiàn)在各類工程安全監(jiān)測中，在線監(jiān)測系統(tǒng)可以對被測工程體進(jìn)行連續(xù)分布式監(jiān)測，全面獲取監(jiān)測體變化信息，從而為工程安全性評價(jià)和災(zāi)害預(yù)警提供基礎(chǔ)性資料，適合油氣管道、橋梁、隧道等大跨度生命線工程的長期健康監(jiān)測。

以日濮洛原油管線穿越濟(jì)寧市魯西煤礦段為例，通過進(jìn)行油氣管道表面應(yīng)力監(jiān)測、地面變形監(jiān)測等，建立起完整的管道健康監(jiān)測系統(tǒng)。對穿越采空區(qū)段油氣管道的安全狀況有一個(gè)正確全面的認(rèn)識，有效保障管道安全。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理評估油氣管道“病害”，優(yōu)化維護(hù)方案。同時(shí)，可將監(jiān)測所得的應(yīng)力、變形等實(shí)測數(shù)據(jù)，作為科學(xué)研究和分析的資料，優(yōu)化和推進(jìn)油氣管道設(shè)計(jì)和施工工藝的發(fā)展和完善，進(jìn)一步確保油氣管道在施工和運(yùn)行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步有重要意義。

1 監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)布置

1.1 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)油氣管道的特點(diǎn)，考慮油氣管道的工作環(huán)境經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等，主要選取以下項(xiàng)目進(jìn)行在線監(jiān)測：（1）管道的表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；（2）管道周邊的地面變形監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

本次臨測點(diǎn)布置的原則是：根據(jù)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，在采礦證允許的范圍兩側(cè)設(shè)置2 個(gè)監(jiān)測斷面，靠近采掘面設(shè)置6個(gè)監(jiān)測斷面，共計(jì)8 處監(jiān)測斷面（如圖1 所示），包括油氣管道的表面應(yīng)變力監(jiān)測8處、油氣管道周邊的地表變形監(jiān)測8處。

圖1 監(jiān)測斷面布置圖

2 油氣管道的表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本工程在魯西煤礦采空區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測共選取8個(gè)監(jiān)測截面。每一個(gè)監(jiān)測截面均設(shè)置應(yīng)變傳感器和主控制器，自動完成監(jiān)測信號的采集并經(jīng)由GPRS 系統(tǒng)上傳調(diào)控中心，實(shí)現(xiàn)對各監(jiān)測點(diǎn)24 小時(shí)動態(tài)監(jiān)控，對自然災(zāi)害和人為破壞進(jìn)行極早期預(yù)警和報(bào)警。

2.2 監(jiān)測儀器

該工程的傳感器采用振弦式應(yīng)變計(jì)，并通過應(yīng)變評價(jià)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)置的熱敏電阻溫度傳感器可以提供測量點(diǎn)的溫度，用來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用多通道振弦采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。振弦式應(yīng)變計(jì)主要由夾弦器、鋼弦、線圈以及安裝頭組成。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物由于外力作用產(chǎn)生形變，并通過應(yīng)變計(jì)兩端安裝頭傳遞至鋼弦使其應(yīng)變量發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鋼弦固有頻率亦隨之改變。通過測量鋼弦頻率的變化，即可得知被測結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變變化量。如圖2 所示。

圖2 應(yīng)變計(jì)安裝示意圖

3 油氣管道周邊的地面變形監(jiān)測

3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

受煤礦采空區(qū)影響，地表土體在水平和豎直方向均有可能發(fā)生不均勻變形，因此有必要利用靜力水準(zhǔn)儀對油氣管道周邊地表進(jìn)行分布式變形監(jiān)測。工程擬采用掩埋靜力水準(zhǔn)儀，根據(jù)周邊土體的變形特征對管線的安全進(jìn)行提前預(yù)警和定位。地面變形監(jiān)測沿管線布置監(jiān)測斷面，每一個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)置6 個(gè)靜力水準(zhǔn)儀，設(shè)置在管線的兩側(cè)，監(jiān)測斷面的長度為管線兩側(cè)各15m。

自動化監(jiān)測設(shè)備的安裝布點(diǎn)設(shè)計(jì)，是在這一重要監(jiān)測區(qū)域挑選出8 個(gè)監(jiān)測斷面，每一個(gè)監(jiān)測斷面布設(shè)6 個(gè)傳感器，其中一個(gè)傳感器作為監(jiān)測基點(diǎn)，另外5 個(gè)按照一定距離布設(shè)安裝，如圖3 所示。

圖3 傳感器布設(shè)示意圖

3.2 監(jiān)測儀器

靜力水準(zhǔn)儀安裝時(shí)，基準(zhǔn)樁和測試樁應(yīng)安置在監(jiān)測點(diǎn)處近似高度的不同位置，其中基準(zhǔn)樁必須放置在穩(wěn)定性高的水平基點(diǎn)處，當(dāng)測試樁和基準(zhǔn)樁發(fā)生相對位移時(shí)，水準(zhǔn)儀內(nèi)的液面會上下移動?？梢酝ㄟ^觀測液面的位置變化，確定測試點(diǎn)對于基準(zhǔn)點(diǎn)的相對位移。適用于油氣管道等需要監(jiān)測撓度、沉降及垂直變形的場合。

靜力水準(zhǔn)儀通過一根充滿液體的PU 管連接在一起組成一個(gè)完整的靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)，并與儲液罐進(jìn)行連接，相比于儲液罐的液體儲存量，管道內(nèi)部的液體容量可以忽略不計(jì)，以此消除因溫度變化等因素引起的PU 管內(nèi)液面的變化所帶來的影響?；c(diǎn)需設(shè)置在沉降穩(wěn)定或方便進(jìn)行測量定位的地方，一般將儲液罐和臨近的靜力水準(zhǔn)儀設(shè)為基點(diǎn)。通過靜力水準(zhǔn)儀的讀數(shù)，即可準(zhǔn)確測得點(diǎn)位的相對位移。

靜力水準(zhǔn)儀變量計(jì)算公式：△h=（hi-h0）-（Hi-H0）。

4 監(jiān)測預(yù)警

4.1 管道應(yīng)變預(yù)警量值

管道軸向應(yīng)變值根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，計(jì)算管道鋼管容許應(yīng)變?nèi)绫? 所示：

表1 管道容許應(yīng)變表

計(jì)算得到管道軸向容許拉伸應(yīng)變?yōu)?.3%即13000，按0.3 倍安全系數(shù)考慮，取3900 為拉伸應(yīng)變?nèi)夘A(yù)警閾值（藍(lán)色預(yù)警），取0.5 倍安全系數(shù)即6500 為拉伸應(yīng)變二級預(yù)警閾值（黃色預(yù)警），取0.6 倍安全系數(shù)即7800 為拉伸應(yīng)變一級預(yù)警閾值（紅色預(yù)警），如表2 所示。

4.2 地表沉降預(yù)警量值

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》三下開采規(guī)范2017 版，油氣管道某線穿越魯西煤礦區(qū)域，魯西煤礦開采區(qū)屬于初始期的特征，從煤礦地表沉降角度來說，設(shè)定10mm 為一般預(yù)警值，6 個(gè)月連續(xù)下沉值不超過30mm，屬于穩(wěn)定期，由此確定預(yù)警級值如表2 所示。

表2 應(yīng)變和沉降預(yù)警閾值表

5 在線監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 監(jiān)測系統(tǒng)介紹

監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全預(yù)警和評估決策系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)等，大體可劃分為感知層、傳輸層和運(yùn)用層，各個(gè)層級相互配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

5.2 監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

在線監(jiān)測系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測，具有明顯的優(yōu)勢：能夠提供更加詳實(shí)連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)有更全面的分析；當(dāng)監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)異常時(shí)，可以第一時(shí)間將警告信息和分析結(jié)果發(fā)送給相關(guān)人員，靈活性極高，時(shí)效性更強(qiáng)。

其具體優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）精度高：連通器裝置和傳感器。傳感器對各容器的水位移動進(jìn)行監(jiān)測，得到位移變化的數(shù)據(jù)，并傳送到數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。傳感器可測最小精度為0.1mm。

（2）無線實(shí)時(shí)傳輸：采用GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了異地遠(yuǎn)程控制，可將監(jiān)測信息自動發(fā)送到異地接收機(jī)上。且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)自動傳送時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)傳送準(zhǔn)確可靠。

（3）工作環(huán)境廣：本監(jiān)測系統(tǒng)采用點(diǎn)對點(diǎn)的工作方法完全擺脫了水準(zhǔn)儀受大氣及天空遮擋物影響大的缺點(diǎn)，在任何環(huán)境下都可實(shí)現(xiàn)全天候不間斷工作，為特殊情況下把握監(jiān)測現(xiàn)場情況提供有力保障。

（4）造價(jià)低：目前水準(zhǔn)儀和全站儀價(jià)格比較高。本監(jiān)測系統(tǒng)很大程度上降低了監(jiān)測成本。

（5）智能預(yù)警系統(tǒng)：系統(tǒng)內(nèi)集成專家預(yù)警系統(tǒng)，可對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體全面的監(jiān)測和評估，相關(guān)人員可及時(shí)根據(jù)分析結(jié)果，在一定程度上預(yù)測可能發(fā)生的災(zāi)害后果，并及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對和補(bǔ)救措施。

6 監(jiān)測成果及數(shù)據(jù)分析

6.1 監(jiān)測成果

（1）建立了8 個(gè)管道監(jiān)測斷面，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力和沉降量數(shù)據(jù)自動獲取和遠(yuǎn)程傳輸，通過GPRS 分組無線服務(wù)技術(shù)，遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)獲取的便捷性和數(shù)據(jù)內(nèi)容的豐富性。

（2）建立了油氣管道經(jīng)過采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測閥值等級和應(yīng)急響應(yīng)工作流程。不同地質(zhì)條件、不同結(jié)構(gòu)、不同測試部位的閥值均不一樣，因此需要對此進(jìn)行有針對性地分析確定閥值的大小。根據(jù)系統(tǒng)權(quán)限的不同，系統(tǒng)會根據(jù)不同的預(yù)警級別自動發(fā)送預(yù)警信息（短信、微信形式），觸發(fā)不同等級的預(yù)警預(yù)案。

（3）驗(yàn)證了油氣管道經(jīng)過采空區(qū)的設(shè)計(jì)理論和施工方法，進(jìn)一步確保油氣管道在施工和運(yùn)行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步有重要意義。

6.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測共選取8 個(gè)典型斷面進(jìn)行油氣管道表面應(yīng)變力監(jiān)測和周邊地表變形監(jiān)測，共收集到沉降監(jiān)測數(shù)值67127 個(gè)，其中有效數(shù)據(jù)63500 個(gè)；應(yīng)力變化數(shù)值28512個(gè)，其中有效數(shù)據(jù)27340 個(gè)。

6.2.1 管道應(yīng)力監(jiān)測曲線圖及數(shù)據(jù)分析（圖4）

圖4 應(yīng)力數(shù)值變化曲線圖

6.2.2 管道周邊沉降監(jiān)測曲線圖及數(shù)據(jù)分析（圖5）

圖5 應(yīng)力數(shù)值變化曲線圖

7 結(jié)論與建議

采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和治理是一項(xiàng)需要長期觀察和研究的課題，有很多方面需要進(jìn)一步研究和探索。建議后期可以在以下幾個(gè)方面深入研究及推廣：加強(qiáng)對油氣管道穿越采空區(qū)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的研究，分析采礦工程對油氣管道應(yīng)力和地面沉降的變化；在線采集系統(tǒng)每隔15min 采集一次數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)量非常豐富，這就為油氣管線穿越采空區(qū)的數(shù)據(jù)和模型研究提供了可能，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，根據(jù)管道所在采礦管段的計(jì)劃和部署，分析油氣管道應(yīng)力和地面沉降的變化，提前預(yù)警，防患于未然；建議將采空區(qū)在線監(jiān)測方法在重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行推廣，開展管道全線路油氣管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)，為風(fēng)險(xiǎn)管控提供有效的技術(shù)手段。