鲁佳琪 张兴龙 陈新文 李林 赵雄 付立成

中国石油西南管道公司德宏输油气分公司

 

 

摘 要： 澜沧江跨越是中缅油气管道工程最重要的控制性工程之一，位于1 200 m大落差U型管段底部。为了监测跨越管道本体健康而探索建立基于光纤光栅传感器的管道应力监测系统，通过4个光纤光栅传感器所测应变值求得管道截面实时最大当量应力，实现实时验算管道强度。该监测系统可监测外界风力、温度变化、桁架结构变形、跨越端地基位移等因素对管道产生的额外附加应力。结合中缅原油管道投产和中缅天然气管道清管作业，掌握了清管器下坡通过1 200 ｍ大落差管道弯头时管道应力变化，对比分析了清管器对天然气管道和原油管道的冲击作用。

关键词： 跨越管道；应力监测；光纤光栅传感器

 

中缅油气管道澜沧江跨越采用悬索方式，跨越长度320 m，天然气管道设计压力为10 MPa，跨越管段采用D 1 016×22.9 mm、 X80直缝埋弧焊钢管；原油管道设计压力为15 MPa，跨越管段采用D 813×28.6 mm、 X70直缝埋弧焊钢管。中缅油气管道澜沧江跨越见图 1，两岸山体高耸挺拔，地势险峻，河谷深切，交通不便，跨越桥址处最大风速可达30.7 m/s。澜沧江属于国际性河流，该处一旦发生油品泄漏造成环境污染，将引发国际河流污染纠纷。因此，为监控跨越本体安全建立管道应力监测系统显得尤为重要[1-3]。本文重点从以下三方面阐述：①管道应力计算。②传感器布设。③监测成果分析。

1 管道应力计算

基于弹性力学理论，管道变形后管道横截面仍处于一个平面的基本假设，以管道横截面中心为圆心，以横截面水平方向为x轴，垂直方向为y轴，管道横截面坐标系见图 2， L、 U、 R分别表示管道横截面左侧、顶部、右侧三点，图中灰色长方形表示光纤光栅传感器。

                

若已知管道横截面外径，以及截面圆周上三个位置的轴向应变，就可以计算出圆周上任何一点的轴向应变，所有绕圆周的轴向应变均位于通过管道的一个平面[4-6]，即：

 

式中a 、 b 、 c 为待求未知数； (x， y)为圆周任意一点坐标； ε为点(x， y)的轴向应变值。

L点的边界条件： x = ﹣r； y = 0； ε=εL。

U点的边界条件： x = 0； y = r； ε=εU。

R点的边界条件： x = r； y = 0； ε=εR。

r =（x2+y2）﹣2

其中 r 为管道外径， m； εL、 εU、 εR为L点、 U点、 R点应变值。

将上述边界条件代入公式（1）计算得：

 

管道圆周的曲线方程为：

 

 

代入式（2）可得环向360°的应变分布为：

 

根据胡克定律，应力应变关系满足线弹性关系，即轴向应力为

 

式中， E为管线钢弹性模量， MPa； σL为管道截面任一点处的轴向应力， MPa。可通过现场传感器测量L、 U、 R三点应变值， 依据式（4）求得监测截面环向360°任一点处的轴向应力值。

由GB/T 50459―2017《油气输送管道跨越工程设计规范》可知，通过管道最大轴向应力和泊松比可计算出管道最大当量应力：

 

式中σh为管道环向应力， MPa； p为管道内压，MPa； D为管道内径， mm； t 为管道壁厚， mm。

依据公式（5）计算得到管道截面最大当量应力后，即可依据式（7）对管道进行强度验算：

 

式中σ 为管道当量应力， MPa； F为管道强度设计系数； σ S为钢管的屈服强度， MPa。

2 传感器布设

根据管道应力计算分析以及光纤光栅传感器的特点和适用条件，需要在管道每个截面上同时安装3支应变传感器和1支温度传感器。每组监测截面在管道顶端安装1支温度传感器和1支应变传感器，与之垂直的管道两侧各安装1支应变传感器。根据2015年12月西南管道公司与中国石油大学桥弯头位置、桥梁桁架中部管道位置、东岸（江顶寺隧道侧）下桥弯头位置为可能的应力应变最大区域，因此选择这三处作为传感器安装位置。

同时为了了解桁架两端应力的传导方向，弯头两侧需要安装2组应力应变监测截面。在每条管道的中部安装1组应力应变监测截面，桁架西岸上桥弯头安装2组应力应变监测截面，桁架东岸下桥弯头安装2组应力应变监测截面。因此，天然气和原油2条管道共计安装10组监测截面，天然气管道监测截面布局见图 3（原油管道布局相同），图中灰色圆点位置表示传感器安装截面。每组监测截面上安装4支光纤光栅传感器（含3支应变传感器和1支温度传感器），共计使用40支传感器。传感器现场安装见图 4，图中含1支应变传感器和1支温度传感器。传感器安装部位需采用工具打磨去掉管道外表面防腐层与防腐漆，随后对管道表面抛光处理并达到Sa1等级，将传感器安装于抛光后的管道钢体表面，使用点熔机进行熔接，传 感器熔接见图 5。安装完成后，底层防腐使用黏弹体防腐膏，在防腐膏之上满缠黏弹体防腐带，对已涂敷防腐膏的位置再次覆盖，最后使用压敏带外防护。

                                

3 监测成果分析

3.1 管道清管作业

2016年9月中缅天然气管道进行清管作业，清管器质量为300 kg（图 6）。相对于管道内径，碟形皮碗外径的过盈量约为3.5%。清管器内部安装低频信号发射机，清管器跟踪人员用接收机在地面接收信号，以判断清管器通过位置。 2017年5月中缅原油管道投产时运行清管器，当通过澜沧江跨越弯头时，清管器对弯头产生冲击作用并导致管体应力发生变化，其应力监测数据后文详述。

3.2 清管器通过天然气管道监测分析

2016年9月27日19:19，清管器跟踪人员接收到信号显示清管器进入澜沧江跨越段， 19:24通过跨越段。天然气管道各截面轴向应力随时间变化曲线如图 7所示： 19:20:54至19:23:30清管器依次通过天然气管道G1至G5共5个截面，与现场跟踪人员监听时间基本一致。

天然气管道G1至G5监测截面相距约300 m，监测数据反映清管器自通过G1监测截面至离开G5监测截面历时156 s，计算得清管器平均运行速度近2 m/s，与实际清管器跟踪记录速度相当。清管器通过G1和G4截面时，引起的瞬时应力最大，轴向应力增量分别为2.51 MPa和2.12 MPa；通过其他截面时引起的瞬时荷载较小。分析清管器引起的瞬时荷载差异与管道结构及形态有关， G1截面和G4截面均位于弯头之前，受清管荷载影响较大。

3.3 清管器通过原油管道监测分析

2017年5月13日，中缅原油管道投产时采用水头50 km后发送第一个清管器。 16:05清管器跟踪人员接收到信号显示清管器通过澜沧江跨越。

为了更好地反映投产期间管道应力变化，选取第一个清管器通过前后一天数据（图 8）、前后共 30 min数据（图 9）分析管道应力变化。

                

从图 8可知，清管器通过前一天和后一天管道C1截面轴向应力差值在14 MPa以内，前后2 h内的应力变化则未超过0.5 MPa。

从图 8和图 9可知，在液体管道投产过程中，清管器前端有大量水从高处冲击跨越处管道（跨越处管道处于U型管段低点，落差约1 200 m）。清管器前端液体对管道造成的冲击应力远大于清管器通过时的冲击应力。

3.4 清管器通过时管道应力变化对比

原油管道投产期间，清管器通过前后一天C1截面轴向应力差值在14 MPa内、前后2 h C1截面应力变化未超过0.5 MPa。清管器通过天然气管道G1截面时，轴向应力增量为2.51 MPa。

天然气管道与原油管道采用同沟敷设，因此2条管道高程差一致。从原油管道投产过程可知，液体管道投产过程中清管器前端有大量水、且水前端为气体时，水的重力冲击管道，管道应力冲击最大。对比天然气管道与原油管道清管器通过前后应力数据可知，当清管器前后管段均充满液体时，清管器对管道造成的应力冲击较小，液体对清管器下落冲击起到一定缓冲作用，清管器通过后管道即恢复至原应力水平。

4 结语

（1）针对大型跨越管道，给出了基于光纤光栅传感器的应力监测系统实例，通过4个光纤光栅传感器所测应变值求得管道截面实时最大轴向应力，实现实时管道强度验算，为管道安全运行提供保障。

（2）结合中缅原油管道投产和中缅天然气管道清管作业，利用澜沧江跨越管道应力监测系统，摸清了清管器下坡通过1 200 m大落差管道弯头时管道应力变化，对比分析了清管器对气体管道和液体管道的冲击。

（3）应变监测数据表明通球穿越澜沧江跨越段管道时对管道产生的冲击应力数值较小，管道受力在合理水平，监测段管道通球作业安全可控。

（4）该监测系统将持续服役，后续将依据监测数据对外界风力、温度变化、可能的桁架结构变形和跨越端地基位移等因素对管道产生的附加应力做进一步分析研究。

 

参考文献：

[1] 胡志新，马云宾，谭东杰.基于光纤光栅传感的管道滑坡监测方法研究[J].光子学报， 2010， 39（1）： 33-36.

[2] 任亮，程祥，姜涛.基于光纤光栅应变箍传感器的管道局部腐蚀监测[J].油气储运， 2017， 36（3）：303-309.

[3] 李苏.油气管道监测技术发展现状[J].油气储运，2014， 33（2）： 129-134.

[4] 冷建成，刘扬，周国强，等.基于光纤光栅传感的管道应力监测方法研究[J].压力容器， 2013，30(1)： 70-74.

[5] FRINGS J, WALK T. Distributed fiber opticsensing enhancespipeline safety and security[J]. OilGasEuropean Magazine， 2011， 37（3）： 132-136.

[6] 贾振安，王虎，乔学光，等.基于分布式光纤布里渊散射的油气管道应力监测研究[J].光电子激光，2012 ， (3)： 534-537.

 

作者：鲁佳琪， 1988年生， 2013 年硕士毕业于中国石油大学（华东），中石油西南管道有限公司工程师，现主要从事油气管道运行管理工作。