魯佳琪 張興龍 陳新文 李林 趙雄 付立成

中國(guó)石油西南管道公司德宏輸油氣分公司

摘 要： 瀾滄江跨越是中緬油氣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。為了監(jiān)測(cè)跨越管道本體健康而探索建立基于光纖光柵傳感器的管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)4個(gè)光纖光柵傳感器所測(cè)應(yīng)變值求得管道截面實(shí)時(shí)最大當(dāng)量應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)驗(yàn)算管道強(qiáng)度。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)外界風(fēng)力、溫度變化、桁架結(jié)構(gòu)變形、跨越端地基位移等因素對(duì)管道產(chǎn)生的額外附加應(yīng)力。結(jié)合中緬原油管道投產(chǎn)和中緬天然氣管道清管作業(yè)，掌握了清管器下坡通過(guò)1 200 ｍ大落差管道彎頭時(shí)管道應(yīng)力變化，對(duì)比分析了清管器對(duì)天然氣管道和原油管道的沖擊作用。

關(guān)鍵詞： 跨越管道；應(yīng)力監(jiān)測(cè)；光纖光柵傳感器

中緬油氣管道瀾滄江跨越采用懸索方式，跨越長(zhǎng)度320 m，天然氣管道設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，跨越管段采用D 1 016×22.9 mm、 X80直縫埋弧焊鋼管；原油管道設(shè)計(jì)壓力為15 MPa，跨越管段采用D 813×28.6 mm、 X70直縫埋弧焊鋼管。中緬油氣管道瀾滄江跨越見圖 1，兩岸山體高聳挺拔，地勢(shì)險(xiǎn)峻，河谷深切，交通不便，跨越橋址處最大風(fēng)速可達(dá)30.7 m/s。瀾滄江屬于國(guó)際性河流，該處一旦發(fā)生油品泄漏造成環(huán)境污染，將引發(fā)國(guó)際河流污染糾紛。因此，為監(jiān)控跨越本體安全建立管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要[1-3]。本文重點(diǎn)從以下三方面闡述：①管道應(yīng)力計(jì)算。②傳感器布設(shè)。③監(jiān)測(cè)成果分析。

1 管道應(yīng)力計(jì)算

基于彈性力學(xué)理論，管道變形后管道橫截面仍處于一個(gè)平面的基本假設(shè)，以管道橫截面中心為圓心，以橫截面水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，管道橫截面坐標(biāo)系見圖 2， L、 U、 R分別表示管道橫截面左側(cè)、頂部、右側(cè)三點(diǎn)，圖中灰色長(zhǎng)方形表示光纖光柵傳感器。

若已知管道橫截面外徑，以及截面圓周上三個(gè)位置的軸向應(yīng)變，就可以計(jì)算出圓周上任何一點(diǎn)的軸向應(yīng)變，所有繞圓周的軸向應(yīng)變均位于通過(guò)管道的一個(gè)平面[4-6]，即：

式中a 、 b 、 c 為待求未知數(shù)； (x， y)為圓周任意一點(diǎn)坐標(biāo)； ε為點(diǎn)(x， y)的軸向應(yīng)變值。

L點(diǎn)的邊界條件： x = ﹣r； y = 0； ε=εL。

U點(diǎn)的邊界條件： x = 0； y = r； ε=εU。

R點(diǎn)的邊界條件： x = r； y = 0； ε=εR。

r =（x2+y2）﹣2

其中 r 為管道外徑， m； εL、 εU、 εR為L(zhǎng)點(diǎn)、 U點(diǎn)、 R點(diǎn)應(yīng)變值。

將上述邊界條件代入公式（1）計(jì)算得：

管道圓周的曲線方程為：

代入式（2）可得環(huán)向360°的應(yīng)變分布為：

根據(jù)胡克定律，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足線彈性關(guān)系，即軸向應(yīng)力為

式中， E為管線鋼彈性模量， MPa； σL為管道截面任一點(diǎn)處的軸向應(yīng)力， MPa�？赏ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器測(cè)量L、 U、 R三點(diǎn)應(yīng)變值， 依據(jù)式（4）求得監(jiān)測(cè)截面環(huán)向360°任一點(diǎn)處的軸向應(yīng)力值。

由GB/T 50459―2017《油氣輸送管道跨越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，通過(guò)管道最大軸向應(yīng)力和泊松比可計(jì)算出管道最大當(dāng)量應(yīng)力：

式中σh為管道環(huán)向應(yīng)力， MPa； p為管道內(nèi)壓，MPa； D為管道內(nèi)徑， mm； t 為管道壁厚， mm。

依據(jù)公式（5）計(jì)算得到管道截面最大當(dāng)量應(yīng)力后，即可依據(jù)式（7）對(duì)管道進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算：

式中σ 為管道當(dāng)量應(yīng)力， MPa； F為管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)； σ S為鋼管的屈服強(qiáng)度， MPa。

2 傳感器布設(shè)

根據(jù)管道應(yīng)力計(jì)算分析以及光纖光柵傳感器的特點(diǎn)和適用條件，需要在管道每個(gè)截面上同時(shí)安裝3支應(yīng)變傳感器和1支溫度傳感器。每組監(jiān)測(cè)截面在管道頂端安裝1支溫度傳感器和1支應(yīng)變傳感器，與之垂直的管道兩側(cè)各安裝1支應(yīng)變傳感器。根據(jù)2015年12月西南管道公司與中國(guó)石油大學(xué)橋彎頭位置、橋梁桁架中部管道位置、東岸（江頂寺隧道側(cè)）下橋彎頭位置為可能的應(yīng)力應(yīng)變最大區(qū)域，因此選擇這三處作為傳感器安裝位置。

同時(shí)為了了解桁架兩端應(yīng)力的傳導(dǎo)方向，彎頭兩側(cè)需要安裝2組應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面。在每條管道的中部安裝1組應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面，桁架西岸上橋彎頭安裝2組應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面，桁架東岸下橋彎頭安裝2組應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)截面。因此，天然氣和原油2條管道共計(jì)安裝10組監(jiān)測(cè)截面，天然氣管道監(jiān)測(cè)截面布局見圖 3（原油管道布局相同），圖中灰色圓點(diǎn)位置表示傳感器安裝截面。每組監(jiān)測(cè)截面上安裝4支光纖光柵傳感器（含3支應(yīng)變傳感器和1支溫度傳感器），共計(jì)使用40支傳感器。傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝見圖 4，圖中含1支應(yīng)變傳感器和1支溫度傳感器。傳感器安裝部位需采用工具打磨去掉管道外表面防腐層與防腐漆，隨后對(duì)管道表面拋光處理并達(dá)到Sa1等級(jí)，將傳感器安裝于拋光后的管道鋼體表面，使用點(diǎn)熔機(jī)進(jìn)行熔接，傳 感器熔接見圖 5。安裝完成后，底層防腐使用黏彈體防腐膏，在防腐膏之上滿纏黏彈體防腐帶，對(duì)已涂敷防腐膏的位置再次覆蓋，最后使用壓敏帶外防護(hù)。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 管道清管作業(yè)

2016年9月中緬天然氣管道進(jìn)行清管作業(yè)，清管器質(zhì)量為300 kg（圖 6）。相對(duì)于管道內(nèi)徑，碟形皮碗外徑的過(guò)盈量約為3.5%。清管器內(nèi)部安裝低頻信號(hào)發(fā)射機(jī)，清管器跟蹤人員用接收機(jī)在地面接收信號(hào)，以判斷清管器通過(guò)位置。 2017年5月中緬原油管道投產(chǎn)時(shí)運(yùn)行清管器，當(dāng)通過(guò)瀾滄江跨越彎頭時(shí)，清管器對(duì)彎頭產(chǎn)生沖擊作用并導(dǎo)致管體應(yīng)力發(fā)生變化，其應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后文詳述。

3.2 清管器通過(guò)天然氣管道監(jiān)測(cè)分析

2016年9月27日19:19，清管器跟蹤人員接收到信號(hào)顯示清管器進(jìn)入瀾滄江跨越段， 19:24通過(guò)跨越段。天然氣管道各截面軸向應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖 7所示： 19:20:54至19:23:30清管器依次通過(guò)天然氣管道G1至G5共5個(gè)截面，與現(xiàn)場(chǎng)跟蹤人員監(jiān)聽時(shí)間基本一致。

天然氣管道G1至G5監(jiān)測(cè)截面相距約300 m，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映清管器自通過(guò)G1監(jiān)測(cè)截面至離開G5監(jiān)測(cè)截面歷時(shí)156 s，計(jì)算得清管器平均運(yùn)行速度近2 m/s，與實(shí)際清管器跟蹤記錄速度相當(dāng)。清管器通過(guò)G1和G4截面時(shí)，引起的瞬時(shí)應(yīng)力最大，軸向應(yīng)力增量分別為2.51 MPa和2.12 MPa；通過(guò)其他截面時(shí)引起的瞬時(shí)荷載較小。分析清管器引起的瞬時(shí)荷載差異與管道結(jié)構(gòu)及形態(tài)有關(guān)， G1截面和G4截面均位于彎頭之前，受清管荷載影響較大。

3.3 清管器通過(guò)原油管道監(jiān)測(cè)分析

2017年5月13日，中緬原油管道投產(chǎn)時(shí)采用水頭50 km后發(fā)送第一個(gè)清管器。 16:05清管器跟蹤人員接收到信號(hào)顯示清管器通過(guò)瀾滄江跨越。

為了更好地反映投產(chǎn)期間管道應(yīng)力變化，選取第一個(gè)清管器通過(guò)前后一天數(shù)據(jù)（圖 8）、前后共 30 min數(shù)據(jù)（圖 9）分析管道應(yīng)力變化。

從圖 8可知，清管器通過(guò)前一天和后一天管道C1截面軸向應(yīng)力差值在14 MPa以內(nèi)，前后2 h內(nèi)的應(yīng)力變化則未超過(guò)0.5 MPa。

從圖 8和圖 9可知，在液體管道投產(chǎn)過(guò)程中，清管器前端有大量水從高處沖擊跨越處管道（跨越處管道處于U型管段低點(diǎn)，落差約1 200 m）。清管器前端液體對(duì)管道造成的沖擊應(yīng)力遠(yuǎn)大于清管器通過(guò)時(shí)的沖擊應(yīng)力。

3.4 清管器通過(guò)時(shí)管道應(yīng)力變化對(duì)比

原油管道投產(chǎn)期間，清管器通過(guò)前后一天C1截面軸向應(yīng)力差值在14 MPa內(nèi)、前后2 h C1截面應(yīng)力變化未超過(guò)0.5 MPa。清管器通過(guò)天然氣管道G1截面時(shí)，軸向應(yīng)力增量為2.51 MPa。

天然氣管道與原油管道采用同溝敷設(shè)，因此2條管道高程差一致。從原油管道投產(chǎn)過(guò)程可知，液體管道投產(chǎn)過(guò)程中清管器前端有大量水、且水前端為氣體時(shí)，水的重力沖擊管道，管道應(yīng)力沖擊最大。對(duì)比天然氣管道與原油管道清管器通過(guò)前后應(yīng)力數(shù)據(jù)可知，當(dāng)清管器前后管段均充滿液體時(shí)，清管器對(duì)管道造成的應(yīng)力沖擊較小，液體對(duì)清管器下落沖擊起到一定緩沖作用，清管器通過(guò)后管道即恢復(fù)至原應(yīng)力水平。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)大型跨越管道，給出了基于光纖光柵傳感器的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)例，通過(guò)4個(gè)光纖光柵傳感器所測(cè)應(yīng)變值求得管道截面實(shí)時(shí)最大軸向應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管道強(qiáng)度驗(yàn)算，為管道安全運(yùn)行提供保障。

（2）結(jié)合中緬原油管道投產(chǎn)和中緬天然氣管道清管作業(yè)，利用瀾滄江跨越管道應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，摸清了清管器下坡通過(guò)1 200 m大落差管道彎頭時(shí)管道應(yīng)力變化，對(duì)比分析了清管器對(duì)氣體管道和液體管道的沖擊。

（3）應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明通球穿越瀾滄江跨越段管道時(shí)對(duì)管道產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力數(shù)值較小，管道受力在合理水平，監(jiān)測(cè)段管道通球作業(yè)安全可控。

（4）該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將持續(xù)服役，后續(xù)將依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)外界風(fēng)力、溫度變化、可能的桁架結(jié)構(gòu)變形和跨越端地基位移等因素對(duì)管道產(chǎn)生的附加應(yīng)力做進(jìn)一步分析研究。

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作者：魯佳琪， 1988年生， 2013 年碩士畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），中石油西南管道有限公司工程師，現(xiàn)主要從事油氣管道運(yùn)行管理工作。