埋地油氣管道地質災害監測系統研究與應用

李 平

（國家管網集團東部原油儲運有限公司，江蘇 徐州221000）

隨著油氣管道的逐步增長，管道沿途面臨的采空區地質災害種類越來越多、規模也越來越大，而由此導致的管道安全事故又極易誘發嚴重的次生災害，其直接和間接的損失往往比其他類別的事故更大，因此有必要針對油氣管道地質災害風險建立行之有效的安全監測預警系統。近年來，在線監測技術以其獨特的技術優勢，越來越多地出現在各類工程安全監測中，在線監測系統可以對被測工程體進行連續分布式監測，全面獲取監測體變化信息，從而為工程安全性評價和災害預警提供基礎性資料，適合油氣管道、橋梁、隧道等大跨度生命線工程的長期健康監測。

以日濮洛原油管線穿越濟寧市魯西煤礦段為例，通過進行油氣管道表面應力監測、地面變形監測等，建立起完整的管道健康監測系統。對穿越采空區段油氣管道的安全狀況有一個正確全面的認識，有效保障管道安全。通過監測數據，合理評估油氣管道“病害”，優化維護方案。同時，可將監測所得的應力、變形等實測數據，作為科學研究和分析的資料，優化和推進油氣管道設計和施工工藝的發展和完善，進一步確保油氣管道在施工和運行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經濟發展和技術進步有重要意義。

1 監測內容和監測點布置

1.1 監測內容

根據油氣管道的特點，考慮油氣管道的工作環境經濟性、實用性等，主要選取以下項目進行在線監測：（1）管道的表面應力應變監測；（2）管道周邊的地面變形監測。

1.2 監測點布置

本次臨測點布置的原則是：根據本項目的特點，在采礦證允許的范圍兩側設置2 個監測斷面，靠近采掘面設置6個監測斷面，共計8 處監測斷面（如圖1 所示），包括油氣管道的表面應變力監測8處、油氣管道周邊的地表變形監測8處。

圖1 監測斷面布置圖

2 油氣管道的表面應力應變監測

2.1 設計內容

本工程在魯西煤礦采空區的應力應變監測共選取8個監測截面。每一個監測截面均設置應變傳感器和主控制器，自動完成監測信號的采集并經由GPRS 系統上傳調控中心，實現對各監測點24 小時動態監控，對自然災害和人為破壞進行極早期預警和報警。

2.2 監測儀器

該工程的傳感器采用振弦式應變計，并通過應變評價結構的應力狀態，內置的熱敏電阻溫度傳感器可以提供測量點的溫度，用來進行溫度補償。采用多通道振弦采集儀進行數據采集。振弦式應變計主要由夾弦器、鋼弦、線圈以及安裝頭組成。當被測結構物由于外力作用產生形變，并通過應變計兩端安裝頭傳遞至鋼弦使其應變量發生變化，從而導致鋼弦固有頻率亦隨之改變。通過測量鋼弦頻率的變化，即可得知被測結構物的應變變化量。如圖2 所示。

圖2 應變計安裝示意圖

3 油氣管道周邊的地面變形監測

3.1 設計內容

受煤礦采空區影響，地表土體在水平和豎直方向均有可能發生不均勻變形，因此有必要利用靜力水準儀對油氣管道周邊地表進行分布式變形監測。工程擬采用掩埋靜力水準儀，根據周邊土體的變形特征對管線的安全進行提前預警和定位。地面變形監測沿管線布置監測斷面，每一個監測斷面設置6 個靜力水準儀，設置在管線的兩側，監測斷面的長度為管線兩側各15m。

自動化監測設備的安裝布點設計，是在這一重要監測區域挑選出8 個監測斷面，每一個監測斷面布設6 個傳感器，其中一個傳感器作為監測基點，另外5 個按照一定距離布設安裝，如圖3 所示。

圖3 傳感器布設示意圖

3.2 監測儀器

靜力水準儀安裝時，基準樁和測試樁應安置在監測點處近似高度的不同位置，其中基準樁必須放置在穩定性高的水平基點處，當測試樁和基準樁發生相對位移時，水準儀內的液面會上下移動。可以通過觀測液面的位置變化，確定測試點對于基準點的相對位移。適用于油氣管道等需要監測撓度、沉降及垂直變形的場合。

靜力水準儀通過一根充滿液體的PU 管連接在一起組成一個完整的靜力水準儀系統，并與儲液罐進行連接，相比于儲液罐的液體儲存量，管道內部的液體容量可以忽略不計，以此消除因溫度變化等因素引起的PU 管內液面的變化所帶來的影響?；c需設置在沉降穩定或方便進行測量定位的地方，一般將儲液罐和臨近的靜力水準儀設為基點。通過靜力水準儀的讀數，即可準確測得點位的相對位移。

靜力水準儀變量計算公式：△h=（hi-h0）-（Hi-H0）。

4 監測預警

4.1 管道應變預警量值

管道軸向應變值根據《油氣輸送管道線路工程抗震技術規范》中的規定，計算管道鋼管容許應變如表1 所示：

表1 管道容許應變表

計算得到管道軸向容許拉伸應變為1.3%即13000，按0.3 倍安全系數考慮，取3900 為拉伸應變三級預警閾值（藍色預警），取0.5 倍安全系數即6500 為拉伸應變二級預警閾值（黃色預警），取0.6 倍安全系數即7800 為拉伸應變一級預警閾值（紅色預警），如表2 所示。

4.2 地表沉降預警量值

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》三下開采規范2017 版，油氣管道某線穿越魯西煤礦區域，魯西煤礦開采區屬于初始期的特征，從煤礦地表沉降角度來說，設定10mm 為一般預警值，6 個月連續下沉值不超過30mm，屬于穩定期，由此確定預警級值如表2 所示。

表2 應變和沉降預警閾值表

5 在線監測系統

5.1 監測系統介紹

監測系統主要包括：傳感器系統、數據采集和傳輸系統、數據處理與控制系統、安全預警和評估決策系統、用戶界面系統等，大體可劃分為感知層、傳輸層和運用層，各個層級相互配合，實現系統的各項功能。

5.2 監測系統優勢

在線監測系統相較于傳統的人工監測，具有明顯的優勢：能夠提供更加詳實連續的監測數據，對結構整體狀態有更全面的分析；當監測結果出現異常時，可以第一時間將警告信息和分析結果發送給相關人員，靈活性極高，時效性更強。

其具體優勢表現在以下幾個方面：

（1）精度高：連通器裝置和傳感器。傳感器對各容器的水位移動進行監測，得到位移變化的數據，并傳送到數據傳輸系統。傳感器可測最小精度為0.1mm。

（2）無線實時傳輸：采用GSM 網絡傳輸，實現了異地遠程控制，可將監測信息自動發送到異地接收機上。且可根據需要調節自動傳送時間間隔，數據傳送準確可靠。

（3）工作環境廣：本監測系統采用點對點的工作方法完全擺脫了水準儀受大氣及天空遮擋物影響大的缺點，在任何環境下都可實現全天候不間斷工作，為特殊情況下把握監測現場情況提供有力保障。

（4）造價低：目前水準儀和全站儀價格比較高。本監測系統很大程度上降低了監測成本。

（5）智能預警系統：系統內集成專家預警系統，可對被監測結構進行整體全面的監測和評估，相關人員可及時根據分析結果，在一定程度上預測可能發生的災害后果，并及時采取相應的應對和補救措施。

6 監測成果及數據分析

6.1 監測成果

（1）建立了8 個管道監測斷面，實現了應力和沉降量數據自動獲取和遠程傳輸，通過GPRS 分組無線服務技術，遠程采集數據，增加數據獲取的便捷性和數據內容的豐富性。

（2）建立了油氣管道經過采空區地質災害監測閥值等級和應急響應工作流程。不同地質條件、不同結構、不同測試部位的閥值均不一樣，因此需要對此進行有針對性地分析確定閥值的大小。根據系統權限的不同，系統會根據不同的預警級別自動發送預警信息（短信、微信形式），觸發不同等級的預警預案。

（3）驗證了油氣管道經過采空區的設計理論和施工方法，進一步確保油氣管道在施工和運行工程中的安全性和可靠性，對推動社會經濟發展和技術進步有重要意義。

6.2 監測數據分析

監測共選取8 個典型斷面進行油氣管道表面應變力監測和周邊地表變形監測，共收集到沉降監測數值67127 個，其中有效數據63500 個；應力變化數值28512個，其中有效數據27340 個。

6.2.1 管道應力監測曲線圖及數據分析（圖4）

圖4 應力數值變化曲線圖

6.2.2 管道周邊沉降監測曲線圖及數據分析（圖5）

圖5 應力數值變化曲線圖

7 結論與建議

采空區地質災害預警和治理是一項需要長期觀察和研究的課題，有很多方面需要進一步研究和探索。建議后期可以在以下幾個方面深入研究及推廣：加強對油氣管道穿越采空區項目數據的研究，分析采礦工程對油氣管道應力和地面沉降的變化；在線采集系統每隔15min 采集一次數據，隨著時間的推移，數據量非常豐富，這就為油氣管線穿越采空區的數據和模型研究提供了可能，利用現有數據，根據管道所在采礦管段的計劃和部署，分析油氣管道應力和地面沉降的變化，提前預警，防患于未然；建議將采空區在線監測方法在重點地質災害區域進行推廣，開展管道全線路油氣管道地質災害預警預報，為風險管控提供有效的技術手段。