王璽 申瑞濤 楊青苗

國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道公司

摘要：介紹了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備在陜京管道陜西段的應(yīng)用，包括ST1型振弦式應(yīng)變計簡介、設(shè)備安裝及數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測管道拉應(yīng)力、壓應(yīng)力相對于往期的變化并依據(jù)風(fēng)險等級預(yù)警，對預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)揮輔助分析作用。

關(guān)鍵詞：陜京管道；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)力應(yīng)變；數(shù)據(jù)分析

陜京管道陜西段地貌以沙漠段、黃土塬和山地段為主，在汛期短時間內(nèi)形成的強(qiáng)降雨容易造成水土流失、沖溝發(fā)育、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，危害極大，往往造成管道局部形變、懸空甚至斷裂，影響天然氣輸送和周邊居民安全。本文主要介紹應(yīng)力應(yīng)變設(shè)備在陜京管道陜西段的應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析。

1  設(shè)備簡介

弧焊型振弦應(yīng)變計包含一個兩端帶有可焊接錨固件的振弦傳感器和一個傳感器激勵線圈，其特點一是適合人工或自動化讀數(shù)方式；二是可調(diào)整到合適的張拉和壓縮量程，以適應(yīng)現(xiàn)場工程環(huán)境；三是包含一個溫度傳感器能同時監(jiān)測溫度；四是O型圈設(shè)計密封防水。

選用英國巖土ST1型振弦式應(yīng)變計進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)傳感。其傳感器可通過超長電纜準(zhǔn)確重復(fù)測讀，具有長期穩(wěn)定性及可靠性。傳感器和線圈均可回收重復(fù)使用。傳感器主要技術(shù)指標(biāo)見表 1。

表 1 ST1型振弦式應(yīng)變計傳感器參數(shù)表

2  現(xiàn)場安裝

（1）管道表面處理。手動剝離對應(yīng)點位傳感器處防腐層，長度1.0 m，寬度0.6 m，清潔管道并去除剝離防腐層時遺留的雜質(zhì)。

（2）應(yīng)變計組裝。將調(diào)節(jié)好的ST1型傳感器順著中軸線位置放正，確定安裝位置。傳感器底座上均勻涂抹耦合劑，放至事先確定的位置上，適當(dāng)按壓傳感器，將其黏貼于應(yīng)變計基座，然后進(jìn)行傳感器熔接、激勵線圈及隔力罩安裝（圖 1）。

圖 1 傳感器示例

（3）防腐處理。用黏彈體防腐膏按壓在開口部分并包裹全部激勵線圈（有效附著在金屬表面），使用熱風(fēng)槍加熱防腐膏直至其軟化。順保護(hù)罩周圍黏貼防腐膏，直至覆蓋全部打磨區(qū)域和保護(hù)罩，然后均勻加熱防腐膏至軟塑狀，保證其具有圓滑曲面外形且溢出，開口位置不得小于20 mm。

在安裝應(yīng)變計部位的管道（圖 2），黏貼2整纏圈黏彈體防腐帶（防腐帶規(guī)格：寬20 cm、厚1.5 mm），加熱至有效附著在管道表面，外表面應(yīng)平整、無褶皺、無氣泡，防腐帶搭接寬度不小于1/2。管道整圈纏繞熱縮壓敏膠帶1層（壓敏帶規(guī)格：長5 m、寬60 cm、厚2.5 mm）。黏彈體防腐膠帶+熱縮壓敏膠帶防腐層用15 kV電火花檢漏，以無漏點為合格。測試應(yīng)變計并記錄數(shù)據(jù)。

圖 2 應(yīng)變計安裝示意圖

（4）接線盒接續(xù)。先將規(guī)格為BSIL-CA-14×Φ2 mm的14芯屏蔽線纜做好標(biāo)記。再將一個監(jiān)測截面的全部3支傳感器所有數(shù)據(jù)線在接線盒內(nèi)連接至同一條屏蔽線纜，同時在屏蔽線纜遠(yuǎn)端標(biāo)注相應(yīng)的截面編號。將屏蔽線纜分別置于PE保護(hù)管內(nèi)，就近導(dǎo)出地面并沿線槽引至基站安裝位置�；靥钋白詈笠淮螜z測應(yīng)變計。

（5）供電裝置安裝。采集設(shè)備BGK-8001內(nèi)置50 Ah鋰電池，使用24 V多晶電池板供電。將太陽能電池板與采集設(shè)備正負(fù)極對應(yīng)連接。調(diào)試供電系統(tǒng)。

（6）無線遙測裝置安裝調(diào)試。使用筆記本電腦對采集儀、GPRS模塊、電池、SIM卡逐一進(jìn)行功能測試；接通上述所有設(shè)備呼叫后臺，完成在線測試并進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定。

（7）工作坑回填。土方回填時應(yīng)避免在中午太陽直射高溫狀態(tài)下進(jìn)行，先用細(xì)土回填管道以上30 cm，再進(jìn)行平穩(wěn)大回填。管道水平中心線以下的回填土不應(yīng)為濕的松軟土壤，并從管道兩邊將管道底部回填土夯實。 回填后恢復(fù)地貌，清理施工用材料、設(shè)備，平整施工場地，做到“工完，料凈，場地清”。

3  數(shù)據(jù)分析

以某管道里程54 km+100 m為監(jiān)測單元，選取在環(huán)焊縫及其上、下游截面處均有應(yīng)力應(yīng)變預(yù)警的應(yīng)變計安裝位置，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（1）應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)分析 。

依據(jù)GB 50251―2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》、GB/T 19624―2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》進(jìn)行安全評價時，對于無缺陷埋地管道只需考慮溫度、內(nèi)壓、外荷載引起的軸向應(yīng)力；對于焊縫缺陷埋地管道除考慮軸向應(yīng)力等一次應(yīng)力外，還需考慮焊接殘余應(yīng)力、內(nèi)外壁溫差應(yīng)力等二次應(yīng)力。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：環(huán)焊縫監(jiān)測截面S02軸向附加拉應(yīng)力最大值為 158.7 MPa、附加壓應(yīng)力最大值為﹣142.6 MPa。下游監(jiān)測截面X04軸向附加拉應(yīng)力最大值為165.4 MPa，軸向附加壓應(yīng)力最大值為﹣141.6 MPa。各監(jiān)測截面當(dāng)前附加應(yīng)力值及其相應(yīng)角度，對應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級詳見表 2。

表 2 監(jiān)測數(shù)據(jù)表

依據(jù)本次計算結(jié)果，S02/X04 監(jiān)測截面軸向附加應(yīng)力值超過相應(yīng)容許值的 60%，處于黃色預(yù)警級別； S01/X01/X03 監(jiān)測截面軸向附加應(yīng)力值超過相應(yīng)容許值的 30%，處于藍(lán)色預(yù)警級別。

（2）應(yīng)力分布與應(yīng)力時程。通過圖 3、圖 4曲線變化分析可見，自 2021 年 7 月 6 日起，監(jiān)測單元因降雨影響應(yīng)力增長比較明顯，進(jìn)入黃色預(yù)警級別。7 月 14 日后監(jiān)測單元整體應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，無明顯增長趨勢。

圖 3 54 km+100 m-S01最大軸向拉壓應(yīng)力時程曲線

圖 4 54 km+100 m-S01軸向應(yīng)力分量時程曲線

4  小結(jié)

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備在陜京管道陜西段應(yīng)用效果顯著，能夠有效預(yù)測管道應(yīng)力變化，做到不同風(fēng)險等級及時預(yù)警。設(shè)備需要長期數(shù)據(jù)積累進(jìn)行對比分析，不適用于短期監(jiān)測。未來應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備的廣泛使用，將有助于預(yù)警防治山區(qū)段、煤礦采空區(qū)段管道地質(zhì)災(zāi)害，避免管道事故發(fā)生。

作者：王璽，1998年生，2020年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道陜西輸油氣分公司榆林作業(yè)區(qū)管道保護(hù)工，研究方向為管道無損檢測。聯(lián)系方式：13716538990，wangxizsy@163.com。