埋地油气管道地质灾害监测系统探究

摘要：对埋地油气管道建立安全监测预警系统，实现连续分布式的在线监测，为埋地管线工程安全性评价和灾害预警提供基础性资料。通过对监测数据的采集和分析，验证埋地油气管道的设计理论与方法，提高油气管道的施工水平和安全可靠度，保障油气管道的使用安全，并为相关的科学研究提供技术指导。

关键词：油气管道；地质灾害；在线监测；应力应变

随着油气管道的逐步增长，管道沿途面临的采空区地质灾害种类越来越多、规模也越来越大，而由此导致的管道安全事故又极易诱发严重的次生灾害，其直接和间接的损失往往比其他类别的事故更大，因此有必要针对油气管道地质灾害风险建立行之有效的安全监测预警系统。近年来，在线监测技术以其独特的技术优势，越来越多地出现在各类工程安全监测中，在线监测系统可以对被测工程体进行连续分布式监测，全面获取监测体变化信息，从而为工程安全性评价和灾害预警提供基础性资料，适合油气管道、桥梁、隧道等大跨度生命线工程的长期健康监测。以日濮洛原油管线穿越济宁市鲁西煤矿段为例，通过进行油气管道表面应力监测、地面变形监测等，建立起完整的管道健康监测系统。对穿越采空区段油气管道的安全状况有一个正确全面的认识，有效保障管道安全。通过监测数据，合理评估油气管道“病害”，优化维护方案。同时，可将监测所得的应力、变形等实测数据，作为科学研究和分析的资料，优化和推进油气管道设计和施工工艺的发展和完善，进一步确保油气管道在施工和运行工程中的安全性和可靠性，对推动社会经济发展和技术进步有重要意义。

1监测内容和监测点布置

1.1监测内容

根据油气管道的特点，考虑油气管道的工作环境经济性、实用性等，主要选取以下项目进行在线监测：（1）管道的表面应力应变监测；（2）管道周边的地面变形监测。

1.2监测点布置

本次临测点布置的原则是：根据本项目的特点，在采矿证允许的范围两侧设置2个监测断面，靠近采掘面设置6个监测断面，共计8处监测断面（如图1所示），包括油气管道的表面应变力监测8处、油气管道周边的地表变形监测8处。

2油气管道的表面应力应变监测

2.1设计内容

本工程在鲁西煤矿采空区的应力应变监测共选取8个监测截面。每一个监测截面均设置应变传感器和主控制器，自动完成监测信号的采集并经由GPRS系统上传调控中心，实现对各监测点24小时动态监控，对自然灾害和人为破坏进行极早期预警和报警。

2.2监测仪器

该工程的传感器采用振弦式应变计，并通过应变评价结构的应力状态，内置的热敏电阻温度传感器可以提供测量点的温度，用来进行温度补偿。采用多通道振弦采集仪进行数据采集。振弦式应变计主要由夹弦器、钢弦、线圈以及安装头组成。当被测结构物由于外力作用产生形变，并通过应变计两端安装头传递至钢弦使其应变量发生变化，从而导致钢弦固有频率亦随之改变。通过测量钢弦频率的变化，即可得知被测结构物的应变变化量。如图2所示。

3油气管道周边的地面变形监测

3.1设计内容

受煤矿采空区影响，地表土体在水平和竖直方向均有可能发生不均匀变形，因此有必要利用静力水准仪对油气管道周边地表进行分布式变形监测。工程拟采用掩埋静力水准仪，根据周边土体的变形特征对管线的安全进行提前预警和定位。地面变形监测沿管线布置监测断面，每一个监测断面设置6个静力水准仪，设置在管线的两侧，监测断面的长度为管线两侧各15m。自动化监测设备的安装布点设计，是在这一重要监测区域挑选出8个监测断面，每一个监测断面布设6个传感器，其中一个传感器作为监测基点，另外5个按照一定距离布设安装，如图3所示。

3.2监测仪器

静力水准仪安装时，基准桩和测试桩应安置在监测点处近似高度的不同位置，其中基准桩必须放置在稳定性高的水平基点处，当测试桩和基准桩发生相对位移时，水准仪内的液面会上下移动。可以通过观测液面的位置变化，确定测试点对于基准点的相对位移。适用于油气管道等需要监测挠度、沉降及垂直变形的场合。静力水准仪通过一根充满液体的PU管连接在一起组成一个完整的静力水准仪系统，并与储液罐进行连接，相比于储液罐的液体储存量，管道内部的液体容量可以忽略不计，以此消除因温度变化等因素引起的PU管内液面的变化所带来的影响。基点需设置在沉降稳定或方便进行测量定位的地方，一般将储液罐和临近的静力水准仪设为基点。通过静力水准仪的读数，即可准确测得点位的相对位移。静力水准仪变量计算公式：△h=（hi-h0）-（Hi-H0）。

4监测预警

4.1管道应变预警量值

管道轴向应变值根据《油气输送管道线路工程抗震技术规范》中的规定，计算管道钢管容许应变如表1所示：计算得到管道轴向容许拉伸应变为1.3%即13000，按0.3倍安全系数考虑，取3900为拉伸应变三级预警阈值（蓝色预警），取0.5倍安全系数即6500为拉伸应变二级预警阈值（黄色预警），取0.6倍安全系数即7800为拉伸应变一级预警阈值（红色预警），如表2所示。

4.2地表沉降预警量值

依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》三下开采规范2017版，油气管道某线穿越鲁西煤矿区域，鲁西煤矿开采区属于初始期的特征，从煤矿地表沉降角度来说，设定10mm为一般预警值，6个月连续下沉值不超过30mm，属于稳定期，由此确定预警级值如表2所示。

5在线监测系统

5.1监测系统介绍

监测系统主要包括：传感器系统、数据采集和传输系统、数据处理与控制系统、安全预警和评估决策系统、用户界面系统等，大体可划分为感知层、传输层和运用层，各个层级相互配合，实现系统的各项功能。

5.2监测系统优势

在线监测系统相较于传统的人工监测，具有明显的优势：能够提供更加详实连续的监测数据，对结构整体状态有更全面的分析；当监测结果出现异常时，可以第一时间将警告信息和分析结果发送给相关人员，灵活性极高，时效性更强。其具体优势表现在以下几个方面：（1）精度高：连通器装置和传感器。传感器对各容器的水位移动进行监测，得到位移变化的数据，并传送到数据传输系统。传感器可测最小精度为0.1mm。（2）无线实时传输：采用GSM网络传输，实现了异地远程控制，可将监测信息自动发送到异地接收机上。且可根据需要调节自动传送时间间隔，数据传送准确可靠。（3）工作环境广：本监测系统采用点对点的工作方法完全摆脱了水准仪受大气及天空遮挡物影响大的缺点，在任何环境下都可实现全天候不间断工作，为特殊情况下把握监测现场情况提供有力保障。（4）造价低：目前水准仪和全站仪价格比较高。本监测系统很大程度上降低了监测成本。（5）智能预警系统：系统内集成专家预警系统，可对被监测结构进行整体全面的监测和评估，相关人员可及时根据分析结果，在一定程度上预测可能发生的灾害后果，并及时采取相应的应对和补救措施。

6监测成果及数据分析

6.1监测成果

（1）建立了8个管道监测断面，实现了应力和沉降量数据自动获取和远程传输，通过GPRS分组无线服务技术，远程采集数据，增加数据获取的便捷性和数据内容的丰富性。（2）建立了油气管道经过采空区地质灾害监测阀值等级和应急响应工作流程。不同地质条件、不同结构、不同测试部位的阀值均不一样，因此需要对此进行有针对性地分析确定阀值的大小。根据系统权限的不同，系统会根据不同的预警级别自动发送预警信息（短信、微信形式），触发不同等级的预警预案。（3）验证了油气管道经过采空区的设计理论和施工方法，进一步确保油气管道在施工和运行工程中的安全性和可靠性，对推动社会经济发展和技术进步有重要意义。

6.2监测数据分析

监测共选取8个典型断面进行油气管道表面应变力监测和周边地表变形监测，共收集到沉降监测数值67127个，其中有效数据63500个；应力变化数值28512个，其中有效数据27340个。6.2.1管道应力监测曲线图及数据分析（图4）6.2.2管道周边沉降监测曲线图及数据分析（图5）

7结论与建议

采空区地质灾害预警和治理是一项需要长期观察和研究的课题，有很多方面需要进一步研究和探索。建议后期可以在以下几个方面深入研究及推广：加强对油气管道穿越采空区项目数据的研究，分析采矿工程对油气管道应力和地面沉降的变化；在线采集系统每隔15min采集一次数据，随着时间的推移，数据量非常丰富，这就为油气管线穿越采空区的数据和模型研究提供了可能，利用现有数据，根据管道所在采矿管段的计划和部署，分析油气管道应力和地面沉降的变化，提前预警，防患于未然；建议将采空区在线监测方法在重点地质灾害区域进行推广，开展管道全线路油气管道地质灾害预警预报，为风险管控提供有效的技术手段。

作者:李平 单位:国家管网集团东部原油储运有限公司