李志奎 陈彦合 张志 张宇 曹振浩

国家管网集团建设管理分公司西北项目管理中心

摘要：地震引发活动断裂带变形易导致油气长输管道出现拉裂、错断等恶性事故，严重威胁管道安全运行。本文分析了振弦应变计、分布式光纤（BOTDR）及分布式同轴电缆电栅应变传感器三种主流检测技术的特性，以及管道变形试验和工程实践验证了各种检测原理的可靠性。提出“分布式同轴电缆电栅应变传感器管体全覆盖监测+表贴式振弦应变计焊口重点布设”的组合监测方案，为震后隐患评估、应急抢险及管道安全运行提供了可靠技术支撑。

关键词：地震活动断裂带；应力应变监测；分布式同轴电缆；振弦应变计；组合监测

地震作为地壳内部构造运动引起的地质灾害是造成油气管道重大事故的主要因素之一，对管道的危害包括直接危害和次生危害，穿越断裂带埋地管道易发生拉裂、错断及屈曲破坏，严重威胁管道安全运行。国内外对穿越地震断裂带的油气管道已开展动态监测和预警。俄罗斯哈林2号管道、美国阿拉斯加管道等已建成了油气管道地震监测系统。国内中俄东线（泰安—泰兴）段、日濮洛原油管道工程、玉溪—富宁成品油管道等工程已实施管道监测措施。实施管道安全监测预警，可以进行震后速报，为管道安全运行状态评估、危险管段应急抢险提供依据。西气东输四线天然气管道工程（吐鲁番—中卫）沿线25 km范围内与管线相交晚更新世—全新世活动断层共计6个，与沿线管道交叉共7次，管道安全现状较严峻。通过开展活动断裂带穿越管道应力应变监测工作，可及时评估震后灾害隐患和险情，为有效管控穿越管道风险提供依据。

1  管道应变监测

1.1  基本条件分析

通过活动断层的管道设计容许应变较大，一般大于1%即10 000με。西四线吐鲁番—中卫段通过活动断层的D1219 mm×33.0 mm的X80管道最大容许拉伸应变为1.8%（18 000με）、容许压缩应变为1.48%（14 800με）。

结合传感器精度综合考虑，管道本体应变监测传感器的量程应至少大于3%，即30 000με，传统应变测量用应变片/计因量程太小（一般小于0.3%即3000με以下），已无法适应监测需要。为了真实监测管道状态，更准确的掌握地震后管道的实际应力，需要大量程、大应变传感器。

1.2  应变监测技术

振弦应变计。振弦传感器的敏感元件是一根张紧的钢弦，称为振弦。在电磁激励下，振弦按其固有频率振动（图 1）。振弦式应变计稳定性较好，抗外界电磁干扰能力强，无需防水处理和温度补偿要求，野外适应性强，适用于在役管道应力应变监测。但存在量程小、标距小的缺点及局限性，国产化比较容易。

图 1 振弦应变计结构及原理图

分布式光纤应变传感技术。分布式光纤应变传感技术主要为分布式布里渊时域反射传感器（BOTDR）和准分布式的光纤布拉格光栅传感器（FBG）。管道本体应变监测采用特种“应变光缆”，即在裸光纤外使用“不锈钢防水钢管、防齿咬钢绞线加强、高密度聚乙烯护套”紧套光纤（图 2），国外产品都不成熟，国产化及研制更难。

图 2 光纤结构图

分布式同轴电缆电栅应变传感器。分布式同轴电缆电栅应变传感原理是基于法—珀腔干涉原理：考虑到同轴电缆与光纤具有相同的信号传输机理，即电磁场波导理论，唯一不同的是两者所传输的电磁波频段差别很大（图 3）。

图 3 光纤与同轴电缆对比图

采用同轴电缆作为传感媒介，弥补了光纤玻璃材质易脆断的缺点，具有测量范围大，其自身能够抵御灾害、在恶劣服役环境不易失效的优势。

各种应变传感器的优势与不足详见表 1。

表 1 管道监测用应变传感器对比表

2  管道应变监测方案

2.1  监测方案选择

国家管网集团东部原油储运公司科技研发中心，利用“全尺寸管道变形试验装置”，将“分布式同轴电缆电栅应变传感器”与电阻应变片等多种传统应变传感器，同时安装在全尺寸管道钢管实物上，进行管道钢管实物推拉变形对比验证试验，并与传统力学理论计算结果相对比，结论为：分布式同轴电缆电栅应变传感器与各种传感器测量值与理论计算值线性相关度均大于0.9，与理论计算值高度一致。

综合考虑各种应变传感器的优势与不足，建议采用“分布式同轴电缆电栅应变传感器管体全覆盖监测+表贴式振弦应变计焊口附近布设”监测方案。

2.2  监测方案实施

西四线吐鲁番—中卫段采用“分布式同轴电缆电栅应变传感器管体全覆盖监测+表贴式振弦应变计焊口附近布设”监测方案，对通过活动断层管段进行应力应变全覆盖监测。对穿越全新世活动断裂带及设防区内1000 m管段，沿管道轴向，在管道表面9、12、3点钟位置，敷设3条分布式同轴电缆电栅应变传感器，固定在管道外表面（无需打磨以免破坏防腐层），对穿越活动断裂带管段全覆盖监测。

使用表贴式振弦应变计沿管道轴向在管道表面9、12、3点钟位置安装，组成一个监测截面，并建议在1点30分钟或10点30分钟位置安装一个应变计备用。振弦应变计应布设在管道关键焊口附近，监测截面间距宜取10 m～30 m（图 4）。

图 4 表贴式振弦应变计布设

2.3  监测效果

根据西四线管道试运营增压试压变化过程，对管道应力和温度变化进行评估。现场结果表明，试压压力0.2 MPa，经过10余天稳压于10.85 MPa，平均每次加压约0.75 MPa，过程中管道截面最大附加拉应力约增加1 MPa，同时温度上升0.2 ℃。管道附加拉应力的变化规律与试压时间段基本相符，这表明所设置的同轴电缆及应变计监测系统功能完备，达成了预期效果。

3  结语

采用组合监测方案，对通过活动断层的西四线吐鲁番—中卫段管道进行分布式全覆盖监测，分布式同轴电缆电栅应变传感器量程大于30 000με（即3%）以上，满足通过活动断层管道大量程监测需要。在后期工程中，一是建议开展基于应变设计的管道监测方法及失效判据研究，为今后监测预警技术方案的优化作指导；二是同步开展分布式同轴电缆电栅大应变传感器研究，采用高功率器件，优化电栅设计，在保证测量精度的前提下，提高同轴电缆电栅传感器探测长度，提高监测距离。

作者简介：李志奎，1987年生，本科，工程师，现任西北项目管理中心工程管理业务经理，主要从事长输管道建设工程管理工作。联系方式：13701087345，lizk02@pipechina.com.cn。