霍小亮

（山西燃气产业集团有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在油气长输管道建设过程中时常遇到埋地管道下方存在各种类型的采空区的情况，特别是在我国山西境内遍布着国有、集体煤矿，使得通过该地区的管道面临着采空区隐患［1］。采空塌陷导致管道受到拉、压、剪、扭、弯等荷载作用弯曲下沉或悬空，管道一些部位应力集中后强度到达极限后就会发生破裂，加之采空区还可能导致地裂缝和滑坡等灾害，都对管道安全形成威胁［2］。

山西某煤层气输气管线所经过地段多处于煤矿采空区域，煤矿开采引发的地面沉陷严重影响并威胁管道运营安全。为此，以穿越同富新煤矿采空区的该煤层气输气管道（图1）为研究对象，采用振弦式应力监测系统对现场管线进行监测与分析，从而为油气管道行业的安全运行管理提供借鉴。

1 监测方法介绍

1.1 系统构架

管道应力监测系统可以对处于采空区管道的受力状态进行实时在线监测。该监测系统主要包括传感器、采集仪以及服务器终端（上位机）。

监测系统通过采集仪将传感器的信号进行采集，然后将信号通过无线通讯网络发送到上位机，再通过计算机客户端进行数据的观察和分析。除此之外，监测系统还具有报警功能，可通过计算机、邮件、短信等方式进行预警，图1是监测系统的拓扑图。

图1 监测系统的拓扑图

1.2 传感器的选择

根据各种传感器的优缺点进行分析，选择最适合管道应变监测的应变计。目前市场上的应变计主要有电阻应变片、振弦式应变计和光纤应变计［3］。

电阻应变片利用的是金属丝的应变效应，将应变片贴在待测物体表面上，当物体形变传到应变片上时，应变片的电阻值也会随之变化。但是应变片输出信号微弱，抗干扰能力差，受温度变化影响很大，并且极端环境下寿命较短，因此无法适应长期的在线监测。

光纤传感技术是通过对光纤内传输光某些参数（如强度、频率、相位、偏振态等）变化的测量，实现对环境参数的测量。光纤传感器的优点是精度高，灵敏度高，不受电磁干扰，便于长距离、不间断的监测，体积小，可以多通道采用同一根光纤进行测量。缺点是光纤传感器比较脆弱，寿命较短，不能适应长时间的现场工作，并且光栅解调仪的成本昂贵。

振弦式应变计以张紧的振弦作为敏感元件，其弦振动的固有频率与张紧力有关。当振弦长度确定后，弦的振动频率变化量即可表示张紧力的大小，其输入量为力，输出量为频率信号［4］。振弦传感器由振弦、磁铁、振弦夹紧装置组成，图2是振弦式传感器的原理图，敏感元件振弦是一根张紧的金属丝，置于直流磁场中，其中一端固定在夹块上另一端和感压膜片或者运动部分相连，张力T作用于感压膜片上，使弦张紧［5］。

图2 振弦传感器原理图

振弦的固有频率可由式（1）确定：

式中，f0为振弦的固有频率，Hz；l为振弦的有效长度，m；ρ为振弦的线密度，kg／m；T为张力，N。

弦的应变与张力的关系为：

式中，ε为弦的应变，με；S为弦的截面积，m2；E为弦的弹性模量，m2／N。

将两个式子合并可得：

用F代替f20，K代替式（3）简写为：

式中，F称为频率模数；K为标定系数。

振弦式应变计具有的优点为：输出距离长，适用于野外使用；分辨率高，可以精密测定微应变增量；传感器的零点漂移小，具有高稳定性和重复性；性能稳定、精度高，一般能达到±0.2%～±0.05%。

通过对以上3种传感器的综合分析，振弦式应变计更适合应用于野外环境在线监测系统中。

1.3 采集系统

采集系统的功能是对传感器的数据进行采集后通过无线网络上传到服务器上。采集仪需要具有数据采集和数据传输的功能，拥有多个振弦式应变计采集通道；并且能够按上位机采集策略自动采集数据，将结果通过无线模块发送到上位机，实现对被监测对象的远程监测［6］。

1.4 通讯系统

为将采集仪采集的信息传输到上位机上，需要采用数据传输单元（Data Transmit Unit，DTU）进行传输。DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，其硬件组成部分主要包括CPU控制模块、无线通讯模块以及电源模块。通过DTU不但可以将数据上传，还可以使上位机对采集仪的采集策略进行远程控制。由于DTU是使用GPRS网络进行传输的，因此使用地区一定要具有GPRS网络信号才可以。

1.5 监控软件

上位机系统通过整个监测系统的拓扑通信网络与监测装置、传感器进行通信,定时自动向下发送各种系统工作命令。该系统具有灵活的采集策略，实现对危险点的重点监控，提高监测的目的性，同时可以最大限度节约电能，延长电池使用时间。

另外，采集仪还具有灵活清晰的报警策略，监控端软件具有边界分级报警功能，系统的采集数据在超过自身设置的最大最小值或者采集策略允许的在超过自身设置的最大最小值或者采集策略允许的采集幅度范围将进行报警，报警的方式通过邮件的方式通知各报警联系人，另外系统还生成报警日志，为系统用户提供系统提示，用户登录系统后可看见发生的报警记录，通过点击后面的已读按钮标记信息状态为已读状态。系统提供报警次数的图标统计功能，系统根据查询的条件，按照年月或者探头进行统计。

2 监测方法应用分析

2.1 监测点布置

山西同富新煤矿位于山西临汾市乡宁县境内，整个井田面积11.89 km2，同富新煤矿102工作面直接影响山西燃气高压管道长度约600 m，输气管线埋深1.5 m，开采面距离管线约300 m。燃气管线SK006号桩到SK008号桩这一段在两个工作面的巷道中间，巷道间距30 m，SK008号桩到SK010号桩管道斜穿102工作面，风险程度高。

为了对山西燃气同富新采空区管道进行监测，通过现场实地考察，选取了6处管道变形监测点进行监测，包括煤矿相邻工作面之间煤柱上方管道监测点2处；管道横穿煤矿102工作面上方监测点4处。如图3所示，黑色箭头表示现场水泥桩位置，黄色五角星位置代表监测点位置，从SK006桩到SK008桩距离大约为300 m，管线位于两个采空区之间的煤柱上方，之间布置2个监测点，分别为SK007-10和SK008-40。从SK008桩至SK010桩约200 m，管线在此横穿煤矿102工作面，之间布置4个监测点。

图3 监测点布置位置图

2.2 运行情况分析

山西燃气同富新煤矿管道变形监测点自2016年12月17日开始正式运行，已成功预测管道变形情况。通过对监测点位置布置分析，选取风险最大点SK009+45作为分析点，具体分析如下。

2.2.1 应变分析

图4是监测点2017年1月1日至2月28日的应变监测数据趋势。从图4可以看出，从1月1日至1月20日，监测点应变曲线平缓，管线无明显受压；从1月20日至2月10日，测点的数据变化趋势较大，管道呈现受压状态。

图4 SK009+45测点的应变数据图

2.2.2 应力分析

图5 SK009+45测点应力分析图

从图5可以看出：从2017年1月1日至1月20日，管线的轴线应力、弯曲应力和附加应力都没有较大的变化；从1月20日开始，附加应力出现明显的变化；弯曲应力从1月20号开始到2月6号为止，有3 Mpa的应力波动，2月6号后趋于稳定；轴向应力从2月1号开始也有较大的变化，到2月10号为止趋于平稳。从以上数据可以判断，管道主要承受轴向应力和附加应力，说明管道已经受到煤层开采的影响，管线附近土体塌陷已经逐步开始，需立即对管线进行加密巡查和处理。

通过现场实地查勘，在同富新煤矿采空区上方发现地裂缝，地裂缝集中区域在SK008-40与SK010之间。同时从煤矿方面也了解到，2月10号正赶春节放假，煤矿处于停产状态，所以在图5应力曲线中可以看出管线在2月10号后应力变化趋于平缓。同时，为了防止管线进一步变形，管线运行单位立即对管线变形处采取了应急处置，采取管线开挖、应力释放的方式有效避免了管线的加剧形变。

3 结论

1）处于采空区位置的管道极易受到采空区塌陷的影响和破坏，为了避免管道出现更大的损坏，产生更大的经济损失，需要对管道的受力状态进行监测。

2）振弦式管线应力监测系统可以对管道的应力应变状态进行实时在线的监测。通过在管道上安装振弦式应变计，利用采集仪对应变计数据进行采集，再通过移动网络将数据上传到服务器上，用户即可通过上位机系统对数据进行查看和分析。

3）该系统在同富新煤矿附近管道安装后，对管道受煤矿作业影响的反映灵敏，并成功地进行了安全预警。该系统为长输管道沿线采空区的安全维护提供了经济可行的解决方案，并为沿线处于其他地质灾害区的管道维护提供参考。