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管道研究

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陕京管道地质灾害监测与预警的应用

来源:《管道保护》杂志 作者:张莹;杜萧强 时间:2020-5-18 阅读:

张莹 杜萧强

北京天然气管道有限公司内蒙古输气管理处

 

 

摘要:介绍了陕京管道途经区域特殊的地质环境,以及运用无人机技术、地质灾害监测与预警系统在预防地质灾害方面发挥的重要作用。

关键词:陕京管道;无人机;地质灾害;监测;预警

 

 

 

陕京管道总里程5 387公里,途经陕西、内蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。管道干线包括陕京一线、二线、三线、四线和永唐秦、唐山LNG外输管线、大唐煤制气北京段等。

1 管道途经地质环境

陕京管道大部分管段处于黄土高原半湿润、半干旱和干旱区的过渡带,是我国水土流失最严重、土壤侵蚀规律最复杂的地区之一;部分管段穿越黄河径流,区域内黄河支流交错,沟壑纵横,地形破碎;年均降雨量为400~776 mm、其中60%~70%集中在6~9 月;土地类型以黄绵土为主,土质疏松,易于侵蚀。陕京四线管道途经内蒙古风沙草滩、丘陵沟壑区域,前者土壤侵蚀严重,土壤沙化,植被覆盖严重不足;而丘陵沟壑段土薄石厚,保水能力差,土壤侵蚀严重,管道上方冲沟、塌陷频繁发生。

2 无人机技术应用

2.1 巡检方式

无人机周期性巡检按照固定频次、固定飞行高度、固定监测内容进行。针对管道沿线的地形地貌、地质环境、水土保持工程等目标进行图像收集,工作人员通过实时查看巡检图像信息,监测管道沿线情况。定期开展无人机巡检,对比甄别前一期与本期巡检记录,筛选出管道周边地质环境变化较大点,进行现场踏勘,制定防控方案,据此纳入秋季水害调查立项工程统一治理,确保管道周边各类地质风险受控。

2.2 应用案例

鄂尔多斯作业区管辖陕京四线管道逾370公里,穿越库布其、毛乌素沙漠段180余公里,途经丘陵、沟壑105公里,穿越大型河流、铁路、公路62处,管道沿线水工640余处,具有沿线地貌差异大、线路长、巡线难度大等特点。以智能巡检系统管理平台、采用纵横TX-20和TX-10垂直起降固定翼无人机对该段管道进行巡检,累计飞行时间8.3小时,总覆盖面积97平方公里,处理航拍图片6 666 张。通过图像识别发现多处隐患,结果统计如表 1所示。

2.3 应急巡检

近期因新冠病毒疫情导致部分管道巡检路线封闭,作业区无法开展日常巡护工作。鄂尔多斯作业区启用大疆御二警用版无人机实施巡检及监测。大疆御二警用版无人机搭载4 K高清视频成像与1 200像素可见光传感器,长达30 min超长续航能力,7 km连续高清视频远传,最大时速72 km/h,人工远程控制、低 空飞行、不同角度近距离拍摄等功能实现远程监测。如遇发生洪水、地震、山体滑坡等威胁管道安全的紧急情况,可执行应急巡检,为应急抢险提供第一手信息,利于做好前期应急抢险准备。

3 应力应变监测与预警系统应用

3.1 系统概述

管道应力应变监测与预警系统利用无线通信网络,通过在地质灾害频发区域的管道本体上安装应变计以及在管道周边埋设传感器(土压计、测斜仪等),监测应力数据变化,使管理人员在远端及时掌握管道及周边情况变化,对管道实施监测及预警。该系统结构简单、安装简便;不破坏管道受力、防腐结构;低功耗、数据传输可靠;可根据需求调整报警阈值,可根据数据变化自动调整监测策略。

3.2 报警阈值设置

参考中石油企业标准,三级预警阈值设置原则如下:管体附加应力超过允许附加应力 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30%,发布三级预警;超过 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的60%,发布二级预警;超过 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的90%,发布一级预警。

如无法提供管道的弹性敷设应力、管道安装和运行时温差造成的温差应力、安装传感器时管道原有应力,建议二级预警增加安全系数0.9,一级预警增加安全系数0.8,三个级别报警阈值设置如下:

①超过 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30%,发布三级预警,标为蓝色。此时管道出现较小变形,需要密切关注。

②超过 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的54%,发布二级预警,标为黄色。此时管道出现较大的变形,需要进行警示,并且根据实际情况进一步综合判断是否需要采取措施。

③超过 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的72%,发布一级预警,标为红色。此时管道出现严重变形并且极易发生事故,需要立即采取措施。

以陕京四线管道为例,钢管外径1 219 mm,设计压力12 MPa,钢材材质X80,最小屈服强度555 MPa,由表 2管道参数计算得出报警阈值。

3.3 应用现状

目前陕京管道共安装监测点100多处,覆盖陕京一线、二线、三线、四线和大唐煤制气管线、永唐秦管线等(图 1)。陕京四线内蒙古输气管理处已安装16处,系统运行良好。由图 2乌审旗监测点28个月监测数据可知,管道所受最大附加应力均在60 MPa以下,远不及三级应力报警阈值126 MPa。该监测点监测期间无地质灾害发生。

                        

2014年11月底至2015年2月初,陕京管道某压气站下游的两个监测点S1a-1330和S1a-1333-7应力数据变化较大,局部数据达到了三级报警阈值,从图 3可 以明显看出数据成间歇波峰状,表明管道在特定时间段受到较大附加应力。

通过对压气站的日常运行数据进行分析,发现应力变化与压缩机组启机时间段重合,压气站的出站温度与燃压机组的出口温度呈正相关(图 4),表明温度是导致管道附加应力上升的主要因素。本次预警直观、真实反映了管道的应力状态。

4 结语

利用无人机技术、管道应力应变监测与预警系统,可有效监控灾变体的稳定状态及变化趋势。结合洪水预警系统提前掌握复杂、特殊天气预警信息,为预防地质灾害做好防护措施,做到未雨绸缪。

 



作者:张莹, 1987年生,管道保护工程师。联系方式: 15561124591,395137802@qq.com。

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