王玺 申瑞涛 杨青苗

国家管网集团北京管道公司

 

摘要：介绍了应力应变监测设备在陕京管道陕西段的应用，包括ST1型振弦式应变计简介、设备安装及数据分析，监测管道拉应力、压应力相对于往期的变化并依据风险等级预警，对预防地质灾害的发挥辅助分析作用。

关键词：陕京管道；地质灾害；应力应变；数据分析

 

陕京管道陕西段地貌以沙漠段、黄土塬和山地段为主，在汛期短时间内形成的强降雨容易造成水土流失、冲沟发育、山体滑坡等地质灾害，危害极大，往往造成管道局部形变、悬空甚至断裂，影响天然气输送和周边居民安全。本文主要介绍应力应变设备在陕京管道陕西段的应用和数据分析。

1  设备简介

弧焊型振弦应变计包含一个两端带有可焊接锚固件的振弦传感器和一个传感器激励线圈，其特点一是适合人工或自动化读数方式；二是可调整到合适的张拉和压缩量程，以适应现场工程环境；三是包含一个温度传感器能同时监测温度；四是O型圈设计密封防水。

选用英国岩土ST1型振弦式应变计进行应力应变数据传感。其传感器可通过超长电缆准确重复测读，具有长期稳定性及可靠性。传感器和线圈均可回收重复使用。传感器主要技术指标见表 1。

表 1 ST1型振弦式应变计传感器参数表

2  现场安装

（1）管道表面处理。手动剥离对应点位传感器处防腐层，长度1.0 m，宽度0.6 m，清洁管道并去除剥离防腐层时遗留的杂质。

（2）应变计组装。将调节好的ST1型传感器顺着中轴线位置放正，确定安装位置。传感器底座上均匀涂抹耦合剂，放至事先确定的位置上，适当按压传感器，将其黏贴于应变计基座，然后进行传感器熔接、激励线圈及隔力罩安装（图 1）。

图 1 传感器示例

（3）防腐处理。用黏弹体防腐膏按压在开口部分并包裹全部激励线圈（有效附着在金属表面），使用热风枪加热防腐膏直至其软化。顺保护罩周围黏贴防腐膏，直至覆盖全部打磨区域和保护罩，然后均匀加热防腐膏至软塑状，保证其具有圆滑曲面外形且溢出，开口位置不得小于20 mm。

在安装应变计部位的管道（图 2），黏贴2整缠圈黏弹体防腐带（防腐带规格：宽20 cm、厚1.5 mm），加热至有效附着在管道表面，外表面应平整、无褶皱、无气泡，防腐带搭接宽度不小于1/2。管道整圈缠绕热缩压敏胶带1层（压敏带规格：长5 m、宽60 cm、厚2.5 mm）。黏弹体防腐胶带+热缩压敏胶带防腐层用15 kV电火花检漏，以无漏点为合格。测试应变计并记录数据。

图 2 应变计安装示意图

（4）接线盒接续。先将规格为BSIL-CA-14×Φ2 mm的14芯屏蔽线缆做好标记。再将一个监测截面的全部3支传感器所有数据线在接线盒内连接至同一条屏蔽线缆，同时在屏蔽线缆远端标注相应的截面编号。将屏蔽线缆分别置于PE保护管内，就近导出地面并沿线槽引至基站安装位置。回填前最后一次检测应变计。

（5）供电装置安装。采集设备BGK-8001内置50 Ah锂电池，使用24 V多晶电池板供电。将太阳能电池板与采集设备正负极对应连接。调试供电系统。

（6）无线遥测装置安装调试。使用笔记本电脑对采集仪、GPRS模块、电池、SIM卡逐一进行功能测试；接通上述所有设备呼叫后台，完成在线测试并进行设备标定。

（7）工作坑回填。土方回填时应避免在中午太阳直射高温状态下进行，先用细土回填管道以上30 cm，再进行平稳大回填。管道水平中心线以下的回填土不应为湿的松软土壤，并从管道两边将管道底部回填土夯实。 回填后恢复地貌，清理施工用材料、设备，平整施工场地，做到“工完，料净，场地清”。

3  数据分析

以某管道里程54 km+100 m为监测单元，选取在环焊缝及其上、下游截面处均有应力应变预警的应变计安装位置，进行数据分析。

（1）应力应变数据分析 。

依据GB 50251―2015《输气管道工程设计规范》、GB/T 19624―2004《在用含缺陷压力容器安全评定》进行安全评价时，对于无缺陷埋地管道只需考虑温度、内压、外荷载引起的轴向应力；对于焊缝缺陷埋地管道除考虑轴向应力等一次应力外，还需考虑焊接残余应力、内外壁温差应力等二次应力。

监测数据显示：环焊缝监测截面S02轴向附加拉应力最大值为 158.7 MPa、附加压应力最大值为﹣142.6 MPa。下游监测截面X04轴向附加拉应力最大值为165.4 MPa，轴向附加压应力最大值为﹣141.6 MPa。各监测截面当前附加应力值及其相应角度，对应的地质灾害预警等级详见表 2。

表 2 监测数据表

依据本次计算结果，S02/X04 监测截面轴向附加应力值超过相应容许值的 60%，处于黄色预警级别； S01/X01/X03 监测截面轴向附加应力值超过相应容许值的 30%，处于蓝色预警级别。

（2）应力分布与应力时程。通过图 3、图 4曲线变化分析可见，自 2021 年 7 月 6 日起，监测单元因降雨影响应力增长比较明显，进入黄色预警级别。7 月 14 日后监测单元整体应力变化比较平稳，无明显增长趋势。

图 3 54 km+100 m-S01最大轴向拉压应力时程曲线

图 4 54 km+100 m-S01轴向应力分量时程曲线

4  小结

应力应变监测设备在陕京管道陕西段应用效果显著，能够有效预测管道应力变化，做到不同风险等级及时预警。设备需要长期数据积累进行对比分析，不适用于短期监测。未来应力应变监测设备的广泛使用，将有助于预警防治山区段、煤矿采空区段管道地质灾害，避免管道事故发生。

 

作者：王玺，1998年生，2020年毕业于北京工业大学测控技术与仪器专业，国家管网集团北京管道陕西输油气分公司榆林作业区管道保护工，研究方向为管道无损检测。联系方式：13716538990，wangxizsy@163.com。