滕建强 钦沛

中国石油化工股份有限公司西北油田分公司

 

摘要：沙漠腹地流动沙丘地段，管道悬空的可能性非常高，目前缺乏管道悬空风险的实时监测技术。根据管—土相互作用机理，提出了一种基于分布式光纤监测管道悬空状态的方法，并通过模型试验对其有效性进行验证。结果表明：该方法能够实时监测管道任意位置的纵向应变，并根据应变数据的分布特征准确识别管道悬空的发展变化情况，为实时监测和科学预警提供了有效手段。

关键词：沙漠地区管道；悬空；分布式光纤传感器；实时监测

 

沙漠地区管道悬空很难被及时发现。近年来，分布式光纤传感技术因具有实时监测、远程传感、分布式测量的优势，逐渐应用于埋地和海底管道，可以在线获得管道任意位置应变和泄漏等在位状态[1-5]。本文基于悬空管道的力学响应机理，提出一种监测沙漠管道悬空风险的分布式光纤监测方法，并通过模型试验研究方法的有效性。

1  监测方法

1.1  沙漠管道悬空监测原理

沙漠管道在自重、覆土荷载、交通荷载等作用下，与地基土体之间将发生复杂的相互作用。为了描述管—土相互作用，最常用Winkler模型[6]。

管道一旦形成悬空（图 1（a）），则难以利用Winkler模型获得管道力学响应的分析解答，但是仍然可以根据管—土相互作用的基本原理，考察悬空管道的力学行为。假设管道非悬空部分仍为弹性地基上的无限长梁，在悬空段由于土体支撑作用的丧失，管道在自重作用下发生向下的挠曲变形，挠度在悬空段中点达到最大。随着位置向两侧土体趋近，管道挠曲变形逐渐减小。当管道由悬空段进入两侧土体后，土体仍然向管道提供约束作用，挠曲变形进一步减小，但是由于变形协调，其变形的方向将发生变化，并且随着位置逐渐远离悬空段，反方向的挠曲变形先增加后减小，直至消失，在变形消失处形成了两个“锚固点”，我们将悬空段两侧坡肩至锚固点的范围定义为“转换段”。在转换段内，土体仍可被视作Winkler模型的土弹簧，若将该段土体约束作用离散为等间距的土弹簧，则管道悬空段和转换段的力学模型如图 1（b）所示，于是这三段管道便成为一个具有弹性支撑的连续梁，其边界条件（锚固点）为简支。根据结构力学原理可知，悬空导致的附加弯矩分布如图 1（c）。其中，锚固点以外的管道不会因悬空而产生附加弯矩；悬空段会在跨中形成最大正弯矩，然后向两侧逐渐减小，并且在靠近转换段处形成负弯矩区；在转换段的起点即坡肩处，负弯矩达到最大值，形成反弯点，然后负弯矩逐渐减小，至锚固点处则完全消失。图 1（c）所示的附加弯矩分布给出了悬空导致的管道应变/应力变化曲线，如果通过监测获得两个相继状态的管道应变分布曲线具有图 1（c）的形状，就可以判断管道出现了悬空，并且可以判断管道悬空段和转换段的位置和长度。

（a）埋地管道悬空变形示意图

（b）悬空段和转换段的力学模型示意图

（c）埋地管道悬空附加弯矩分布示意图
图 1 埋地管道悬空变形与附加弯矩分布示意图

1.2  分布式光纤监测方法

为了验证基于分布式应变监测数据的管道整体屈曲识别技术的可行性，进行管道整体屈曲监测试验，利用分布式应变传感器获得管道前―后―屈曲过程的弯曲应变响应，基于监测数据重构管道的挠曲线，并与激光全站仪监测结果进行对比，验证数据的可靠性。

利用大型试验土箱进行原型管道的弯曲应变监测试验，进一步探讨利用分布式光纤传感器监测管道结构响应的可行性。针对流动沙丘引起的管道整体屈曲问题，提出基于分布式应变数据的管道屈曲评价技术。

为了完整获得管道的空间变形和应变分布，采用平行布设方式，即在截面的12点钟、3点钟和9点钟位置分别沿管道纵向布设3条Brillouin光纤应变传感器，如图 2所示。

图 2 埋地管道分布式光纤监测方案示意图

沿管道纵向布设的分布式光纤传感器并不能直接得到管道的弯曲应变，测量结果是弯曲应变和轴向应变叠加的结果，并且由于施工以及管道空间变形等原因，传感器与管道中心平面之间也可能存在一定角度。针对上述问题，笔者建立了根据分布式光纤应变监测数据提取管道弯曲和轴向应变的方法[7-11]，具体计算公式如下：

其中，χ为管道纵向的任意位置，εt(χ)、εL(χ) 和εR(χ) 分别为管道纵向χ处截面上12点钟、9点钟和3点钟位置的传感器所获得的应变观测值，θ为管道中心平面与水平面的夹角，εb(χ) 和εα(χ) 分别为χ处管道的弯曲和轴向应变。当Brillouin光纤应变传感器获得管道纵向应变数据后，即可根据式（1）完整获得管道的弯曲应变和轴向应变，进而将弯曲应变数据根据图 1（c）特征进行管道悬空状态判别。

2  模型试验

2.1  试验过程

为了验证监测方法的有效性，进行了埋地管道分布式光纤监测模型试验。该试验可看作是一个流动沙丘作用下管道悬空监测的小比例原型模拟，不考虑严格的物理相似，仅考虑管道与土体的几何相似，着重研究悬空形成及发展过程中管道应变曲线的变化规律，重点考察分布式光纤传感器是否可以监测管道的悬空状态。

试验管道采用PPR管，长度为12 m，外径为110 mm，壁厚为15.1 mm。PPR管材的弹性模量为808 MPa，密度为910 kg/m3。在几何相似方面，以某Φ426 mm 钢管为目标，管长和径向几何比尺分别设计为12和3.87。并且为了模拟管道和内部流体的重力效应，也对管道进行了配重。

试验在图 3所示的大型管道试验箱（长12 m×宽1 m×高1.7 m）内进行，首先在试验箱内铺设厚度为1 m的碎石和土体并夯实，然后铺设30 cm厚的细沙，接着将管道平铺在沙床上，完成传感器布设后在试验箱内填埋细沙。考虑流动沙丘的情况，管道上部覆沙可能已经减薄，因此埋深约为10 cm（表面至管顶），根据几何比尺换算后的实际覆沙厚度约为38.7 cm。试验中，悬空模拟是沿管道中心开挖，然后逐渐向两侧扩大，但悬跨内悬空高度一致，仅设置为3.5 cm，根据几何相似，实际悬空高度约为14 cm。需要说明，试验并未考虑悬空长度和高度的极端情况，仅为验证监测方法的可行性。

图 3 管道悬空监测试验装置

按照图 2所示的位置将分布式光纤应变传感器固定在管道上，同时为了进行数据比对，在管道底部增设了1条分布式光纤应变传感器，共沿管道长度方向平行布设了4条分布式光纤传感器。同时为了保证光纤监测数据的可靠性，也在模型管道的1/6、1/3、1/2、2/3、5/6长度处，在管顶和管底分别等间距布设电阻应变片。在这些位置上，也布置了轻质刚性立杆，作为管道关键断面的变形监测靶点，通过激光全站仪观测不同试验工况下管道的变形状态。

分布式光纤传感器采用NBX-6050A光纳仪采集数据，空间分辨率设置为10 cm，距离分辨率为5 cm，形成分布式的应变测量。电阻应变片采用cDAQ多通道数据采集系统测量，应变片为1/4桥连接。管道变形采用RTS11R6 激光全站仪测量。

试验工况共包括8种，即以管道中点为对称中心向两侧等长度开挖，形成管道悬空。8种工况对应的悬空长度分别为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  试验结果分析

根据5处全站仪监测数据，将8种工况下管道的变形情况绘于图 4。可以发现，在前4种工况下，管道在悬空段及其附近区域出现了向下的挠曲变形，每种工况均为跨中挠度最大，并且随着悬空段长度增加，挠度也呈现递增趋势，但是变形数值均较小。

图 4 不同悬空长度下管道挠曲变形监测数据

在第8种工况时，悬空长度达到4.75 m，跨中挠度达到3.5 cm，已经观察到管道触底现象（表 1）。

表 1 悬空长度与跨中挠度关系

在每种工况下，都分别利用分布式光纤应变传感器和电阻应变片，监测悬空导致的管道应变变化情况。试验中，位于管道截面3点钟和9点钟的分布式应变数据分布趋势基本一致，并且数值都在±50 με范围内波动，因此认为管道轴向应变较小，数据仅与测量误差和试验扰动有关，限于篇幅不再列出，重点讨论与弯曲应变主导的管顶和管底的分布式应变数据（图 5）。同时，为了检验分布式应变数据的可靠性，图 5中也分别绘制了电阻应变片的测量结果。

图 5 不同悬空长度下管道分布式应变监测数据

图 5显示，在前4种工况中，无论是管顶管底的分布式应变数据均非常小，无法明显观测到图 1中的悬空特征，结合图 4挠曲变形曲线进行分析，当悬空长度不超过2.50 m时，管道的变形较小，相对应的，管道的应变响应也应较小，因此还无法利用分布式应变数据判别管道悬空的出现。

当悬空长度增加至3.00 m时（工况5），图 5显示管顶和管底的分布式应变数据都出现了明显的悬空特征，管底应变峰值与两侧锚固点如表 2所示。

表 2 悬空管道管底应变峰值与两侧锚固点位置

随着悬空长度的增加，分布式应变数据的形状都具有清晰的悬空特征，并且悬空段的峰值应变也明显增加，工况8的试验结果表明，所建立的悬空监测方法，不但可以准确识别管道悬空的发展，而且可以有效判断管道的触底行为。

3  结论

根据悬空管道响应机理，提出了一种利用分布式光纤应变传感器监测悬空附加弯矩曲线的方法，建立了管道悬空的识别技术。该方法的特点是可以对管道任意位置的纵向应变进行实时监测，通过数据分析获得管道悬空的发展变化情况。模型试验结果表明：分布式光纤应变传感器与电阻应变片在控制断面的监测数据基本吻合，说明该方法对于管道纵向应变的监测具有较高的可靠性，但是却可以有效避免应变片和光纤光栅（FBG）等点式测量技术无法对管道全长任意位置进行监测的局限性；当悬空导致管道产生一定的挠曲变形后（≥6 mm），分布式光纤监测数据呈现典型的悬空特征，可以准确判断管道悬空的出现，并且根据负弯矩峰值及其消失点的位置，可以定量识别悬空长度及其影响范围（转换段）。分布式光纤传感器提供了管道全长的应变分布情况，可以实时评估管道的弯曲应力状态，为悬空风险导致的管道失效提供预警数据。

 

参考文献：

[1]INAUDI D，GLISIC B. Long-range pipeline monitoring by distributed fiber optic sensing[J]. Journal of Pressure Vessel Technology，2010，132，011701-9.

[2]冯新，张宇，刘洪飞，等. 基于分布式光纤传感器的埋地管道结构状态监测方法 [J]. 油气储运，2017，36(11)：1251-1257.

[3]刘洪飞，韩阳，冯新，等. 埋地管道微小泄漏与保温层破坏分布式光纤监测试验 [J].油气储运，2018，37(10)：1114-1120.

[4]冯新，王子豪，龚士林，等. 供热管道应力分布式实时监测方法与原型试验 [J]. 煤气与热力，2019，38(2)：A01-A07

[5]FRINGS J，WALK T. Distributed fiber optic sensing enhances pipeline safety and security [J]. Oil Gas European Magazine，2011，37(3)：132-136.

[6]Wang Y., and Moore I. D. Simplified design equations for joints in buried flexible pipes based on Hetenyi Solutions [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2014, 140(4): 04013020-1-14

[7]FENG Xin, WU Wengjing，Li Xingyu, et al. Experimental investigations on detecting lateral buckling for subsea pipelines with distributed fiber optic sensors [J]. Smart Structures and Systems, 2015, 15(2), 235-248

[8]FENG Xin，WU Wengjing，MENG Dewei，et al. Distributed monitoring method for upheaval buckling in subsea pipelines with BOTDA sensors [J]. Advances in Structural Engineering，2017，20(2)：180-190

[9]李兴宇，卢正刚，吴文婧，等. 一种侵蚀坑作用下承插式埋地管道完整性评价方法[J]. 水利与建筑工程学报，2016，14(3)：25-31

[10]张晓威，刘锦昆，陈同彦，等.基于分布式光纤传感器的管道泄漏监测试验研究[J].水利与建筑工程学报，2016，14(3)：1-6.

[11]武扬，吴文静，李敬松，等. 基于分布式光纤传感器的损伤监测研究 [J].水利与建筑工程学报，2014，12(4)：208-212+221.

 

作者简介：滕建强， 1985年生，工程师，就职于中石化西北油田分公司工程技术研究院，现从事油田地面自动化方面研究工作。联系方式：0991-3161530，505375146@qq.com。