油气管道应力监测系统研究与现场应用.pdf
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1、Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报石油天然气学报,2023,45(2),183-194 Published Online June 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jogt https:/doi.org/10.12677/jogt.2023.452024 文章引用文章引用:卢艳.油气管道应力监测系统研究与现场应用J.石油天然气学报,2023,45(2):183-194.DOI:10.12677/jogt.2023.452024 油气管道应力监测系统研究与现场应用油气管道应力监测系统研究与现场
2、应用 卢卢 艳艳 云南中石油昆仑燃气有限公司,云南 昆明 收稿日期:2023年5月6日;录用日期:2023年6月19日;发布日期:2023年6月28日 摘摘 要要 长输油气管道沿线地质条件复杂,易发生各类自然灾害,造成管道的变形、断裂失效,严重影响管道的长输油气管道沿线地质条件复杂,易发生各类自然灾害,造成管道的变形、断裂失效,严重影响管道的安全运行。因此,亟需开展对管道安全状态实时监测预警系统,实现管道的即时安全性评估,降低运行安全运行。因此,亟需开展对管道安全状态实时监测预警系统,实现管道的即时安全性评估,降低运行风险。本文首先优选了一种电阻式应变片监测管道应力变化,并对应变片贴片方案进行
3、了评估优化;然风险。本文首先优选了一种电阻式应变片监测管道应力变化,并对应变片贴片方案进行了评估优化;然后设计室内实验开展了温度补偿系统方案的可靠性验证;与此同时,基于理论计算将应力转化为周向、后设计室内实验开展了温度补偿系统方案的可靠性验证;与此同时,基于理论计算将应力转化为周向、斜向以及轴向应变并分析了监测结果精度,最后将系统应用于现场管道应力监测。结果表明:设计管道斜向以及轴向应变并分析了监测结果精度,最后将系统应用于现场管道应力监测。结果表明:设计管道周向周向4个应变片均匀分布的贴片方案合理,系统采用的温度补偿方案可个应变片均匀分布的贴片方案合理,系统采用的温度补偿方案可靠性高,轴向与
4、斜向的应变结果靠性高,轴向与斜向的应变结果与计算结果匹配度好,轴向应变在工程应用上也具有较高精度;系统设计了应变预警并进行现场应用,与计算结果匹配度好,轴向应变在工程应用上也具有较高精度;系统设计了应变预警并进行现场应用,监测结果准确、系统稳定性高。利用该系统可以评估管道的安全状况,提高了自然灾害预警能力,保障监测结果准确、系统稳定性高。利用该系统可以评估管道的安全状况,提高了自然灾害预警能力,保障了油气管道的安全运行。了油气管道的安全运行。关键词关键词 长输管道,应力监测,应变片,轴向应变,应变预警长输管道,应力监测,应变片,轴向应变,应变预警 Research and Field Appl
5、ication of Oil and Gas Pipeline Stress Monitoring System Yan Lu Yunnan PetroChina Kunlun Gas Co.,Ltd.,Kunming Yunnan Received:May 6th,2023;accepted:Jun.19th,2023;published:Jun.28th,2023 Abstract Long-distance oil and gas pipelines complicated geological circumstances make them vulnerable 卢艳 DOI:10.1
6、2677/jogt.2023.452024 184 石油天然气学报 to a variety of natural calamities,which substantially jeopardize their ability to operate safely by causing deformation and fracture failure.Therefore,in order to immediately assess the safety of pipelines and lower operating risks,real-time monitoring and early wa
7、rning systems for pipeline safety status must be implemented.The stress was converted into circumferential,diagonal,and axial strains based on theoretical calculations at the same time the resistive strain gauge was cho-sen to monitor the pipeline stress changes,and the strain gauge patching scheme
8、was evaluated and optimized.Finally,an indoor experiment was designed to verify the validity of the tempera-ture compensation system scheme.The outcomes demonstrate the reasonableness of the patch scheme with a uniform distribution of four strain gauges around the designed pipe,the high relia-bility
9、 of the temperature compensation method used by the system,good agreement between the measured and calculated strains in the axial and oblique directions,and the high accuracy of the axial strain in engineering applications;The system has a high degree of system stability,reliable monitoring finding
10、s,and is intended for field application and strain warning.By using the tech-nology,the safety state of the pipeline may be evaluated,enhancing the ability to warn of natural disasters and ensuring that oil and gas pipelines operate safely.Keywords Long-Distance Pipelines,Stress Monitoring,Strain Ga
11、uges,Axial Strain,Strain Warning Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 随着油气资源的需求量剧增,油气管网的建设力度不断提高1 2,长输油气管道通常需要沿复杂地质条件敷设,因此管道易受滑坡、地震等地质灾害的威胁,严重影
12、响管道的安全运行3 4 5。常规依靠人工巡检不仅成本高,而且安全风险大,随着近年来在线监测技术的发展,能够实现对管道的连续分布式监测,并进行管道实时安全性评估,因此得到了现场大规模应用6 7 8。开发现场管道监测系统能够实时掌握管道的受力情况,评估管道的安全状况,对油气管道的安全运营具有重要意义。开发油气管道的应力监测系统,首先需要基于管道力学基础理论,对管道应力应变性能开展研究9 10。Rajani 等11首次针对滑坡作用,开展了管道受力情况的解析计算,确定了不同方向上的管道近似应力,但研究中未考虑管道与岩土间的相互作用对力学响应的影响。ORourke 等12采用 R-O 模型分析了滑坡区管
13、道的力学性能,但研究模型忽略了管道和土体之间的相对滑动对管道的自由变形能力的影响,导致模型对管道的应力分布和变形的预测精度较低。邓道明等13考虑了管道的非线性,考虑跨越管道的内力和形变,计算了管道的挠度,将悬空管道简化为大挠度的梁,而埋地管道看成半无限长的梁,考虑管道内压和温度变化时对管道应力的作用,研究管道的内力和变形情况。另外,在管道应力监测方面,包括电阻式应变计、振弦式应变计以及光纤光栅等多种监测方式14 15 16。Chou 17采用分布式应变传感系统研究了埋地管道屈曲变形监测,结合有限元模型验证了分布式传感系统对埋地管道进行分布式应变监测是可行的。王磊等18对忠县武汉输气管线,建立了
14、管道滑坡力学计算模型,通过求解确定了管道中部及两端为危险部位,另外研究了跨距、温差、运行压力、管道壁厚等因素对管道力学性能的影响。薛建等19自行研制了光纤光栅传感器对管道进行应力监测,同时还实现了温度补偿,使得管道应力监测结果更加准确。张银辉等20设计了一种基于云服务平台的远程实时监测系统对管道安全状态进行远Open AccessOpen Access卢艳 DOI:10.12677/jogt.2023.452024 185 石油天然气学报 程实时评估。在管道应力监测的研究上,本文开展了油气管道应力监测系统的研究,首先设计室内实验对应变片贴片方案进行了优化,并通过了温度补偿方案的可靠性检验,基于
15、此,利用设计的应力监测系统测试了不同运行压力条件下不同应变片应力数据,并对数据进行处理,将周向、斜向以及轴向三个方向的测试应变与理论计算结果进行对比,基于测试结果的可靠性,最后完成了管道应力应变监测系统设计与现场试验,并取得了良好的应用效果。2.天然气管道应力监测系统天然气管道应力监测系统 目前,管道应力监测的主流技术有振弦式传感器、光纤传感技术、电阻应变片技术。其中,光纤传感技术不受电磁干扰、测试精度高,但传感器脆弱、使用寿命短,不能适应现场应用;振弦式传感器采用频率信号传输方式,抗干扰性能好,但结构复杂、体积大,不适用于管道监测;电阻应变片体积小、灵敏度高、温度补偿性能稳定且能适应现场恶劣
16、环境。因此,优选了电阻应变片对管道应力进行监测,设计搭建了室内物理实验装置,针对管道应力应变片开展内压对管道应力影响的室内测试实验并进行贴片方案优化,构建了天然气管道应力监测系统。2.1.管道应力监测系统设计管道应力监测系统设计 2.1.1.系统框架设计系统框架设计 自主研发应力监测系统的基本组成框图,如图 1 所示。系统主要分为应变采集仪无线数据收发器和远程监控计算机组成。现场选择监测点并在管道上安装应变传感器,每个监测点 2 个应变传感器监测 12个应变值,数据自动传输无线数据收发器,并有 GPRS 系统自动上传基地监测中心,实现管道应力应变的实时监测预警。Figure 1.The bas
17、ic composition block diagram of the stress monitoring system 图图 1.应力监测系统的基本组成框图 2.1.2.应变片选择应变片选择 采用三轴直角应变花监测管道应变量,应变花由三个应变片组成,应变花方向如图 2 所示。可以直接得到管道的主应力方向,三轴直角应变花监测三个方向的应变,并结合管道的物理特征参数,利用公式计算出主应力的大小与方向。设计应变花由三个阻值为 120 欧的康铜丝应变片组成,灵敏系数为 2.06,测试应变范围为 20000。卢艳 DOI:10.12677/jogt.2023.452024 186 石油天然气学报 Fi
18、gure 2.Strain rosette design 图图 2.应变花设计 2.2.应力监测室内实验应力监测室内实验 2.2.1.实验设备的设计实验设备的设计 室内实验设计了长 2 米、直径为 0.4 米的圆形管道,管道两端封闭且设置有压力、温度监测装置,设备如图 3 所示。由于管道直径、壁厚大,且在密封条件下进行内压、外力作用实验,因此还需要进行应变片贴片方案优化,并检验不同运行压力下管道应力监测系统的可靠性。Figure 3.Experimental setup diagram 图图 3.实验装置图 2.2.2.应变片贴片方案优化应变片贴片方案优化 由于不同贴片位置会对实际应力监测数据
19、造成很大影响,且当监测的数据与实际轴向、径向存在偏差时,监测的数据还需要通过复杂的转换以获取管道本体所受轴向与径向应力。经过大量实验研究,结果表明在三通附近的两个应变花和其余的特性一致,环向均匀贴片与径向贴片方式较为合理,因此,以4 个应变花的贴片方案为最优,4 个应变片为圆周均匀布局,如图 4 所示。管道中间位置圆周表面对称粘贴 4 个应变花及对应的补偿块,且在有三通的附近粘贴 2 个应变花及其补偿块。Figure 4.Distribution of strain monitoring sensors on the cross section 图图 4.应变监测传感器在截面上的分布 卢艳 D
20、OI:10.12677/jogt.2023.452024 187 石油天然气学报 2.3.温度补偿方案与系统可靠性检验温度补偿方案与系统可靠性检验 2.3.1.温度补偿测试实验温度补偿测试实验 由于应变计与管道材料膨胀系数的差异,外界温度变化会导致应变计产生附加拉伸或压缩,在监测管道应力、应变时,系统要求灵敏度高,放大倍数达到 1000 倍以上;另外,采集器内部电路的温度变化引起测量结果的波动,导致监测结果的偏差。因此,采用高精度低漂移的两级放大电路来测量应变,还需要对采集器进行温度补偿。通过设计应变采集器的温度补偿实验,装置流程图如图 5 所示,将温度探头设置在测量电路,应变仪装在一个导热良
21、好的空盒子内,设置一个可控温的空腔,将空腔温度加热到 30,然后断电,让空腔自然降温,记录温度和各通道应变输出值,采用线性回归得出偏移修正系数。Figure 5.Temperature compensation experimental device 图图 5.温度补偿实验装置 温度补偿应变修正结果如表 1 所示,结果表明:受温度影响的应变漂移较大,温度改变 1,会造成 2 的误差,误差较大,因此,设置温度补偿装置对提高测试结果的精度极为重要。Table 1.Temperature drift correction experimental data of strain collectors
22、表表 1.应变采集器的温度漂移修正实验数据 应变编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 修正系数 K 1.89 1.89 0.63 0.14 0.49 0.63 1.34 0.57 0.37 0.44 0.95 1.21 修正系数 B 155.3 200.0 19.5 50.4 7.4 32.0 227.8 67.1 27.8 169 88.5 137.1 30应变修正值/108 153 4 47 20 16 194 53 37 180 65 107 20应变修正值/127 172 10 48 15 23 208 59 33 176 74 119 10的应变漂移/19 19
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