滕建強 欽沛

中國石油化工股份有限公司西北油田分公司

 

摘要：沙漠腹地流動沙丘地段，管道懸空的可能性非常高，目前缺乏管道懸空風(fēng)險的實時監(jiān)測技術(shù)。根據(jù)管—土相互作用機理，提出了一種基于分布式光纖監(jiān)測管道懸空狀態(tài)的方法，并通過模型試驗對其有效性進行驗證。結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崟r監(jiān)測管道任意位置的縱向應(yīng)變，并根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)的分布特征準確識別管道懸空的發(fā)展變化情況，為實時監(jiān)測和科學(xué)預(yù)警提供了有效手段。

關(guān)鍵詞：沙漠地區(qū)管道；懸空；分布式光纖傳感器；實時監(jiān)測

 

沙漠地區(qū)管道懸空很難被及時發(fā)現(xiàn)。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)因具有實時監(jiān)測、遠程傳感、分布式測量的優(yōu)勢，逐漸應(yīng)用于埋地和海底管道，可以在線獲得管道任意位置應(yīng)變和泄漏等在位狀態(tài)[1-5]。本文基于懸空管道的力學(xué)響應(yīng)機理，提出一種監(jiān)測沙漠管道懸空風(fēng)險的分布式光纖監(jiān)測方法，并通過模型試驗研究方法的有效性。

1  監(jiān)測方法

1.1  沙漠管道懸空監(jiān)測原理

沙漠管道在自重、覆土荷載、交通荷載等作用下，與地基土體之間將發(fā)生復(fù)雜的相互作用。為了描述管—土相互作用，最常用Winkler模型[6]。

管道一旦形成懸空（圖 1（a）），則難以利用Winkler模型獲得管道力學(xué)響應(yīng)的分析解答，但是仍然可以根據(jù)管—土相互作用的基本原理，考察懸空管道的力學(xué)行為。假設(shè)管道非懸空部分仍為彈性地基上的無限長梁，在懸空段由于土體支撐作用的喪失，管道在自重作用下發(fā)生向下的撓曲變形，撓度在懸空段中點達到最大。隨著位置向兩側(cè)土體趨近，管道撓曲變形逐漸減小。當(dāng)管道由懸空段進入兩側(cè)土體后，土體仍然向管道提供約束作用，撓曲變形進一步減小，但是由于變形協(xié)調(diào)，其變形的方向?qū)�發(fā)生變化，并且隨著位置逐漸遠離懸空段，反方向的撓曲變形先增加后減小，直至消失，在變形消失處形成了兩個“錨固點”，我們將懸空段兩側(cè)坡肩至錨固點的范圍定義為“轉(zhuǎn)換段”。在轉(zhuǎn)換段內(nèi)，土體仍可被視作Winkler模型的土彈簧，若將該段土體約束作用離散為等間距的土彈簧，則管道懸空段和轉(zhuǎn)換段的力學(xué)模型如圖 1（b）所示，于是這三段管道便成為一個具有彈性支撐的連續(xù)梁，其邊界條件（錨固點）為簡支。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理可知，懸空導(dǎo)致的附加彎矩分布如圖 1（c）。其中，錨固點以外的管道不會因懸空而產(chǎn)生附加彎矩；懸空段會在跨中形成最大正彎矩，然后向兩側(cè)逐漸減小，并且在靠近轉(zhuǎn)換段處形成負彎矩區(qū)；在轉(zhuǎn)換段的起點即坡肩處，負彎矩達到最大值，形成反彎點，然后負彎矩逐漸減小，至錨固點處則完全消失。圖 1（c）所示的附加彎矩分布給出了懸空導(dǎo)致的管道應(yīng)變/應(yīng)力變化曲線，如果通過監(jiān)測獲得兩個相繼狀態(tài)的管道應(yīng)變分布曲線具有圖 1（c）的形狀，就可以判斷管道出現(xiàn)了懸空，并且可以判斷管道懸空段和轉(zhuǎn)換段的位置和長度。

（a）埋地管道懸空變形示意圖

（b）懸空段和轉(zhuǎn)換段的力學(xué)模型示意圖

（c）埋地管道懸空附加彎矩分布示意圖
圖 1 埋地管道懸空變形與附加彎矩分布示意圖

1.2  分布式光纖監(jiān)測方法

為了驗證基于分布式應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的管道整體屈曲識別技術(shù)的可行性，進行管道整體屈曲監(jiān)測試驗，利用分布式應(yīng)變傳感器獲得管道前―后―屈曲過程的彎曲應(yīng)變響應(yīng)，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)重構(gòu)管道的撓曲線，并與激光全站儀監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證數(shù)據(jù)的可靠性。

利用大型試驗土箱進行原型管道的彎曲應(yīng)變監(jiān)測試驗，進一步探討利用分布式光纖傳感器監(jiān)測管道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的可行性。針對流動沙丘引起的管道整體屈曲問題，提出基于分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的管道屈曲評價技術(shù)。

為了完整獲得管道的空間變形和應(yīng)變分布，采用平行布設(shè)方式，即在截面的12點鐘、3點鐘和9點鐘位置分別沿管道縱向布設(shè)3條Brillouin光纖應(yīng)變傳感器，如圖 2所示。

圖 2 埋地管道分布式光纖監(jiān)測方案示意圖

沿管道縱向布設(shè)的分布式光纖傳感器并不能直接得到管道的彎曲應(yīng)變，測量結(jié)果是彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變疊加的結(jié)果，并且由于施工以及管道空間變形等原因，傳感器與管道中心平面之間也可能存在一定角度。針對上述問題，筆者建立了根據(jù)分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)提取管道彎曲和軸向應(yīng)變的方法[7-11]，具體計算公式如下：

其中，χ為管道縱向的任意位置，εt(χ)、εL(χ) 和εR(χ) 分別為管道縱向χ處截面上12點鐘、9點鐘和3點鐘位置的傳感器所獲得的應(yīng)變觀測值，θ為管道中心平面與水平面的夾角，εb(χ) 和εα(χ) 分別為χ處管道的彎曲和軸向應(yīng)變。當(dāng)Brillouin光纖應(yīng)變傳感器獲得管道縱向應(yīng)變數(shù)據(jù)后，即可根據(jù)式（1）完整獲得管道的彎曲應(yīng)變和軸向應(yīng)變，進而將彎曲應(yīng)變數(shù)據(jù)根據(jù)圖 1（c）特征進行管道懸空狀態(tài)判別。

2  模型試驗

2.1  試驗過程

為了驗證監(jiān)測方法的有效性，進行了埋地管道分布式光纖監(jiān)測模型試驗。該試驗可看作是一個流動沙丘作用下管道懸空監(jiān)測的小比例原型模擬，不考慮嚴格的物理相似，僅考慮管道與土體的幾何相似，著重研究懸空形成及發(fā)展過程中管道應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，重點考察分布式光纖傳感器是否可以監(jiān)測管道的懸空狀態(tài)。

試驗管道采用PPR管，長度為12 m，外徑為110 mm，壁厚為15.1 mm。PPR管材的彈性模量為808 MPa，密度為910 kg/m3。在幾何相似方面，以某Φ426 mm 鋼管為目標(biāo)，管長和徑向幾何比尺分別設(shè)計為12和3.87。并且為了模擬管道和內(nèi)部流體的重力效應(yīng)，也對管道進行了配重。

試驗在圖 3所示的大型管道試驗箱（長12 m×寬1 m×高1.7 m）內(nèi)進行，首先在試驗箱內(nèi)鋪設(shè)厚度為1 m的碎石和土體并夯實，然后鋪設(shè)30 cm厚的細沙，接著將管道平鋪在沙床上，完成傳感器布設(shè)后在試驗箱內(nèi)填埋細沙。考慮流動沙丘的情況，管道上部覆沙可能已經(jīng)減薄，因此埋深約為10 cm（表面至管頂），根據(jù)幾何比尺換算后的實際覆沙厚度約為38.7 cm。試驗中，懸空模擬是沿管道中心開挖，然后逐漸向兩側(cè)擴大，但懸跨內(nèi)懸空高度一致，僅設(shè)置為3.5 cm，根據(jù)幾何相似，實際懸空高度約為14 cm。需要說明，試驗并未考慮懸空長度和高度的極端情況，僅為驗證監(jiān)測方法的可行性。

圖 3 管道懸空監(jiān)測試驗裝置

按照圖 2所示的位置將分布式光纖應(yīng)變傳感器固定在管道上，同時為了進行數(shù)據(jù)比對，在管道底部增設(shè)了1條分布式光纖應(yīng)變傳感器，共沿管道長度方向平行布設(shè)了4條分布式光纖傳感器。同時為了保證光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，也在模型管道的1/6、1/3、1/2、2/3、5/6長度處，在管頂和管底分別等間距布設(shè)電阻應(yīng)變片。在這些位置上，也布置了輕質(zhì)剛性立桿，作為管道關(guān)鍵斷面的變形監(jiān)測靶點，通過激光全站儀觀測不同試驗工況下管道的變形狀態(tài)。

分布式光纖傳感器采用NBX-6050A光納儀采集數(shù)據(jù)，空間分辨率設(shè)置為10 cm，距離分辨率為5 cm，形成分布式的應(yīng)變測量。電阻應(yīng)變片采用cDAQ多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量，應(yīng)變片為1/4橋連接。管道變形采用RTS11R6 激光全站儀測量。

試驗工況共包括8種，即以管道中點為對稱中心向兩側(cè)等長度開挖，形成管道懸空。8種工況對應(yīng)的懸空長度分別為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  試驗結(jié)果分析

根據(jù)5處全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)，將8種工況下管道的變形情況繪于圖 4。可以發(fā)現(xiàn)，在前4種工況下，管道在懸空段及其附近區(qū)域出現(xiàn)了向下的撓曲變形，每種工況均為跨中撓度最大，并且隨著懸空段長度增加，撓度也呈現(xiàn)遞增趨勢，但是變形數(shù)值均較小。

圖 4 不同懸空長度下管道撓曲變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

在第8種工況時，懸空長度達到4.75 m，跨中撓度達到3.5 cm，已經(jīng)觀察到管道觸底現(xiàn)象（表 1）。

表 1 懸空長度與跨中撓度關(guān)系

在每種工況下，都分別利用分布式光纖應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片，監(jiān)測懸空導(dǎo)致的管道應(yīng)變變化情況。試驗中，位于管道截面3點鐘和9點鐘的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)分布趨勢基本一致，并且數(shù)值都在±50 με范圍內(nèi)波動，因此認為管道軸向應(yīng)變較小，數(shù)據(jù)僅與測量誤差和試驗擾動有關(guān)，限于篇幅不再列出，重點討論與彎曲應(yīng)變主導(dǎo)的管頂和管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)（圖 5）。同時，為了檢驗分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的可靠性，圖 5中也分別繪制了電阻應(yīng)變片的測量結(jié)果。

圖 5 不同懸空長度下管道分布式應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖 5顯示，在前4種工況中，無論是管頂管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)均非常小，無法明顯觀測到圖 1中的懸空特征，結(jié)合圖 4撓曲變形曲線進行分析，當(dāng)懸空長度不超過2.50 m時，管道的變形較小，相對應(yīng)的，管道的應(yīng)變響應(yīng)也應(yīng)較小，因此還無法利用分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)判別管道懸空的出現(xiàn)。

當(dāng)懸空長度增加至3.00 m時（工況5），圖 5顯示管頂和管底的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了明顯的懸空特征，管底應(yīng)變峰值與兩側(cè)錨固點如表 2所示。

表 2 懸空管道管底應(yīng)變峰值與兩側(cè)錨固點位置

隨著懸空長度的增加，分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)的形狀都具有清晰的懸空特征，并且懸空段的峰值應(yīng)變也明顯增加，工況8的試驗結(jié)果表明，所建立的懸空監(jiān)測方法，不但可以準確識別管道懸空的發(fā)展，而且可以有效判斷管道的觸底行為。

3  結(jié)論

根據(jù)懸空管道響應(yīng)機理，提出了一種利用分布式光纖應(yīng)變傳感器監(jiān)測懸空附加彎矩曲線的方法，建立了管道懸空的識別技術(shù)。該方法的特點是可以對管道任意位置的縱向應(yīng)變進行實時監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)分析獲得管道懸空的發(fā)展變化情況。模型試驗結(jié)果表明：分布式光纖應(yīng)變傳感器與電阻應(yīng)變片在控制斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明該方法對于管道縱向應(yīng)變的監(jiān)測具有較高的可靠性，但是卻可以有效避免應(yīng)變片和光纖光柵（FBG）等點式測量技術(shù)無法對管道全長任意位置進行監(jiān)測的局限性；當(dāng)懸空導(dǎo)致管道產(chǎn)生一定的撓曲變形后（≥6 mm），分布式光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)典型的懸空特征，可以準確判斷管道懸空的出現(xiàn)，并且根據(jù)負彎矩峰值及其消失點的位置，可以定量識別懸空長度及其影響范圍（轉(zhuǎn)換段）。分布式光纖傳感器提供了管道全長的應(yīng)變分布情況，可以實時評估管道的彎曲應(yīng)力狀態(tài)，為懸空風(fēng)險導(dǎo)致的管道失效提供預(yù)警數(shù)據(jù)。

 

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作者簡介：滕建強， 1985年生，工程師，就職于中石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院，現(xiàn)從事油田地面自動化方面研究工作。聯(lián)系方式：0991-3161530，505375146@qq.com。