CN114636496B - 地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法 - Google Patents

地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，通过有限元模拟仿真确定站场埋地管道应力分布情况，结合工程经验对应力较高水平的管段实施应力监测和地基沉降监测，通过信号基站将采集数据传输到控制室终端，实现长期实时监测，进行数据处理，建立管道应力与管道工作内压和地基沉降回归表达式，通过灰色预测模型预测地基沉降数据，进而预测管道应力状态，最终还能通过程序将结果可视化，便于管道管理者及时处理，保障管道安全，可实现长周期连续实时监测，保证监测完整性。

Description

地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法
技术领域
本发明属于天然气管道安全运行监测和预警技术领域，具体涉及一种受地基非均匀沉降作用下埋地管道安全状态监测及预警方法。
背景技术
我国沿海地区的天然气站场多建在海滨、湖滨、河流沿岸等地，地质条件多为强度低、压缩性较高的软土地基，因其流变性和不均匀性易产生非均匀沉降，非均匀沉降造成的场地运动往往会使埋地天然气管道产生附加应力和变形，严重时会造成灾难。
针对天然气管道结构完整性、应力状态的监测方法较多，其中电阻应变法因其成本低、测量精度高、适用范围广是最常见的管道应力监测方法。电阻应变片粘贴在管道上，管道在外力载荷下产生应变，应变变会传递到电阻应变片上，引起电阻应变片的电阻的改变。
目前，如邹志豪等在中国公开发明专利CN112924061A中提供的“一种天然气管道非均匀沉降应力无线实时监测***及方法”，采用应力应变监测技术对埋地天然气管道的安全状态进行监测的主要步骤有：①根据工程经验确定高风险管段的位置；②开挖监测管段上方填土，处理清洁管段表面，布置应变片，通常沿管道轴向和环向布置，连接导线，对应变片密封处理；③回填土方后，连接应变数据采集***，***初始状态调平衡后，进行周期性监测，得到管道应力状态。通过上述可知，现有技术主要存在一下缺陷：
1、监测点存在盲目性。确定管道高风险区时，一般根据工程经验，缺乏科学的依据，容易忽略隐患管段。
2、周期式的监测只能反映某个时间段管道应力状态，无法提供全过程管道应力变化，容易忽略应力突变节点，不利于管道管理人员及时发现管道隐患。
3、监测数据及处理过于单一，忽略管道工作压力造成的影响，无法区别管道沉降应力。
4、监测数据缺乏后续处理，只能掌握当时状态，无法对后续变化进行预测，不能提前掌握变化。
发明内容
针对上述问题，本发明提供地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，能确定管道开展应力监测的关键位置，进行有效时时的监控，同时能预测管道应力变化趋势，保障管道安全运行。
为了实现本发明目的，本发明提供的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，包括以下步骤：
绘制埋地管道三维模型，导入到有限元分析软件中，确定有限元本构方程，建立有限元模型，并进行有限元数值模拟，得到应力云图，通过应力云图确定埋地管道应力较大的管段，并确定需要应力监测的管段；
在需要进行应力监测的管段布置双轴应变片，用于监测管段因地基沉降而产生的附加环向和轴向应变；
在监测管段地表设置沉降监测装置，进行管道附加应变监测与地基沉降监测，得到附加环向和轴向应变数据和地基沉降数据；
通过应力-应变公式，将监测附加环向和轴向应变数据输出为管道附加环向应力和管道附加轴向应力；
通过无线数据传输装置和信号基站，将监测数据传输至天然气站场中控室，实现实时在线监测；
通过Von-Mises屈服准则，校核计算管道当前的Von-Mises等效应力；
利用管道Von-Mises应力值、管道工作内压和地基沉降量，构建管道Von-Mises应力与管道工作内压和地基沉降量的多项式数学表达式，通过多项式回归拟合出管道应力与管道工作内压和地基沉降的回归表达式；
利用灰色预测模型的方法，根据监测的地基沉降数据预测未来的地基沉降量，将地基沉降预测数值与管道工作内压代入回归表达式，预测未来沉降条件下管道Von-Mises等效应力大小。
进一步地，还建立了管道应力风险评级来对当前管道应力水平进行评价，所述管道应力风险评级包括通过Von-Mises等效应力进行分级以评价管道整体的应力水平，还包括采用应力监测中所得到的管道环向附加应力和轴向附加应力中的最大值来评价沉降附加应力，得到风险等级。
进一步地，所述方法还能通过程序代码将实现数据可视化，通过计算机程序窗口将监测数据、计算数据、预测数据、管道风险等级输出。
进一步地，在绘制埋地管道三维模型前还需要搜集天然气站场埋土信息，获取管道物理参数和埋土物理参数。
进一步地，所述管道物理参数包括管径、管厚、密度、泊松比、抗拉强度，所述埋土物理参数包括单轴抗拉强度、三轴抗拉强度、密度、内摩擦角、粘聚力。
进一步地，所述应力-应变公式为：
Figure BDA0003519746510000031
Figure BDA0003519746510000032
式中，σhc为所测管道环向附加应力；σzc为所测管道轴向附加应力；E为管道的弹性模量；μ为管道的泊松比；εh为所测管道环向应变；εz为所测管道轴向应变。
进一步地，若管道运行中出现调压过程，则管道工作内压改变会引起管道应力变化，此时应力-应变公式为：
Figure BDA0003519746510000033
式中，σhc为所测管道环向附加应力；σh为地基沉降导致的管道环向附加应力；σzc为所测管道轴向附加应力，σz为地基沉降导致的管道轴向附加应力；ΔP为管道内压变化值，升压为正，D为管道外径；δ为管道壁厚。
进一步地，Von-Mises等效应力的计算公式为：
Figure BDA0003519746510000034
式中，
Figure BDA0003519746510000035
表示管道的Von-Mises等效应力，MPa；σH、σZ、σJ分别表示轴、环、径向的主应力。
进一步地，由于管道满足薄壁特征，径向的主应力σJ远远小于其它两个方向的应力，可忽略，取值为0，轴向的主应力σH和环向的主应力σZ的计算公式为：
σH＝σh+σpH
σZ＝σz+σpZ
式中，
Figure BDA0003519746510000036
其中，σpH为内压导致的管道环向应力；σpZ为内压导致的管道轴向应力，P为管道工作内压；D为管道外径；δ为管道壁厚。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
1、本发明通过模拟仿真确定地基沉降作用下埋地管道应力情况，结合工程经验，从而准确布置应力监测管段部位。
2、本发明通过无线传输技术，将监测数据传输给终端，可实现长周期连续实时监测，保证监测完整性。
3、本发明通过添加无线装置将监测***与处理终端联系起来，实现长时间实时监测，填补周期式监测中的监测空期。
4、本发明建立管道风险矩阵，一方面包含地基沉降导致的管道应力风险等级，另一方面还包含管道总应力风险等级。通过建立管道风险矩阵，可以评判影响管道应力大小的主要因素，以便采取相应的对策措施。
5、本发明还可以提供数据可视化处理，通过编写程序，将应力监测数据、沉降数据变化趋势、管道应力等级以及预测管道未来应力变化等数据输出。
附图说明
图1为本发明实施例提供方法的步骤流程图。
图2为本发明在管道布置应变片的测点示意图。
图3为本发明的实施示意图。
图4为本发明在管道应力与管道工作内压、地基沉降相关性分析示意图。
图5是本发明实施例中得到的各测点的应力监测曲线示意图。
图6是本发明实施例中监测得到的地基沉降数据示意图。
图7是本发明实施例中得到的各测点的Von-Mises应力曲线示意图。
图8为本发明在数据可视化的结果展示图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1至图5所示，地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，包括以下步骤：
步骤1、根据天然气站场设计图纸、施工方案，收集查阅天然气站场天然气管道资料，包括管道尺寸参数和埋土相关物理参数。
在本发明的其中一些实施例中，管道尺寸参数包括管道走向、管道埋深和管道物理参数(管径、管厚、密度、泊松比、抗拉强度等)，站场埋土相关物理参数包括单轴抗拉强度、三轴抗拉强度、密度、内摩擦角、粘聚力等。
步骤2、绘制埋地管道三维模型，并将埋地管道三维模型导入到有限元分析软件中，确定有限元本构方程，建立有限元模型，包括埋土有限元模型和管道有限元模型，设置管道材质的物理参数，通过有限元分析软件模拟管道在地基沉降作用下的应力状态，输出应力云图，基于应力云图确定埋地管道应力较大的管段，结合工程经验在埋地管段较大区域开展应力监测。
在本发明的其中一些实施例中，根据应力云图确定应力较大的管段后，结合工程经验 (如弯头、三通、焊缝附近等)，选择需要应力监测的管段。
在本发明的其中一些实施例中，有限元分析软件选用ANSYS软件。
在本发明的其中一些实施例中，在建立埋土有限元模型时选用的本构方程为Drucker-Prager本构方程，在建立管道有限元模型时选用的本构方程为Ramberg-Osgood本构方程。
步骤3、埋土开挖，在确定需要应力监测的管段布置双轴应变片，双轴应变片有0°、90°两个方向的敏感栅，用于监测环向、轴向应变。
在本发明的其中一些实施例中，如图2，选择管道截面的12点、3点、6点、9点方向作为测点区域，每个测点区域均设置三个应变片，保证数据的有效性，同时避免出现应变片失效导致的监测中断。
在本发明的其中一些实施例中，埋地管道布置好应变片后，回填土方时要进行应变监测。因土方回填会造成扰动，可能会破坏掉应变片，所以需要进行应变监测，保证应变片在施工过程中不会被损坏，保证数据采集不会掉线。
步骤4：埋土回填，并在监测管段地表设置沉降监测装置，调试设备，待应变监测***显示应变片监测数据归零平衡后，采用管道工作阀表记录管道工作内压，开始进行管道应变监测和地基沉降监测，编写程序，根据管道应变监测数据和应力-应变公式计算出由地基沉降引起的管道的环向应力和轴向应力大小，将计算出的管道环、轴向附加应力数据和地基沉降数据输出。
在本发明的其中一些实施例中，应力-应变公式为：
Figure BDA0003519746510000061
Figure BDA0003519746510000062
式中，σhc为所测环向附加应力，MPa；σzc为所测轴向附加应力，MPa，所测环向附加应力和所测轴向附加应力是在***调零后，测得的相对应力；E为管道的弹性模量， MPa；μ为管道的泊松比；εh为所测环向应变；εz为所测轴向应变，εh和εz均是通过双轴应变片测得。
在本发明的其中一些实施例中，监测是一个相对初始管压的应力结果，数据在采集和处理中需要不断优化，如果管道运行中出现调压过程，需要考虑管道工作内压改变引起的管道应力变化，应变监测数据有一部分是内压改变导致，此时需要对比初始管压减去相应管道工作内压造成的应力。当然，监测数据量不断增加，将有大量数据可用于训练、验证，进而也会不断修正多项式归回模型。
即若在管道应力监测过程中，管道工作内压调整，内压的变化也会引起管道应变变化，这将被应变监测所记录，此时记录的应变变化就包括地基沉降和内压改变两方面因素，需要减掉内压那一部分才是地基沉降造成的影响，此时所测环向附加应力和所测轴向附加应力的计算方式如下式，调压后管道环轴向附加应力下面公式计算得到的为准：
Figure BDA0003519746510000063
式中，σhc为所测环向附加应力；σh为地基沉降导致的管道环向附加应力；ΔP为管道内压变化值，升压为正，D为管道外径，mm；δ为管道壁厚，mm；σzc为所测轴向附加应力，σz为地基沉降导致的管道轴向附加应力。
在本发明的其中一些实施例中，沉降监测装置为静力水准仪。
在本发明的其中一些实施例中，所得到的各测点的管道附加应力以及地基沉降数据如图5和图6所示。
步骤5：在监测管段附近搭建无线数据传输装置，通过信号基站传递给信号中转接收器，然后将应力监测数据和地基沉降数据经信号传输至天然气站场中控室，站场中控室的管理人员通过终端接受数据，实现实时在线监测。
在本发明的其中一些实施例中，无线数据传输装置可以采用蓝牙、WiFi和宽带中的任一种。
步骤6：管道应力校核，应力监测的应力数值是由于地基沉降所引起的管道附加应力，测得的是相对应力，而管道工作内压也会产生管道应力，将两种因素导致的应力组合叠加，通过Von-Mises屈服准则，校核计算管道当前的Von-Mises等效应力。
在本发明的其中一些实施例中，Von-Mises等效应力的计算公式为：
Figure BDA0003519746510000071
式中，
Figure BDA0003519746510000072
表示管道的Von-Mises等效应力，MPa；σH、σZ、σJ表示三个方向(轴、环、径)的主应力，MPa。
其中，由于管道满足薄壁特征，径向的主应力σJ远远小于其它两个方向的应力，可忽略，取值为0。轴向的主应力σH和环向的主应力σZ的计算公式为：
σH＝σh+σpH
σZ＝σz+σpZ
式中，
Figure BDA0003519746510000073
/>
其中，σpH为管道工作内压导致的管道环向应力，MPa；σpZ为管道工作内压导致的管道轴向应力，P为步骤4中所记录的管道工作内压，MPa；D为管道外径，mm；δ为管道壁厚，mm。
在本发明其中一些实施例中，如图7所示，得到各测点的Von-Mises等效应力。
步骤7：管道应力风险评级，进行管道应力等级划分，便于知道管道应力处于何种水平，以便于防范风险。根据管道应力监测结果与管道Von-Mises应力结果，组合反映当前的管道风险情况，这样可以辨别出管道受沉降和工作内压的影响，哪一种影响占主导因素，就采取具体相应措施。
在本发明的其中一些实施例中，表1所示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级是通过Von-Mises等效应力进行分级，是管道整体的应力水平；A、B、C、D级是监测的沉降附加应力，按应力监测中所得地基沉降引起的管道环向附加应力和轴向附加应力中的最大值作为评判标准，只考虑沉降造成的影响。
表1管道应力等级划分
Figure BDA0003519746510000081
注：应力监测应力数值有正负(正代表拉应力，负代表拉应力)，σs为管道材料最小屈服强度。
两组参考因素，每组4个指标，形成4×4的一个风险矩阵。
表2管道风险矩阵
Figure BDA0003519746510000082
地基沉降的影响是通过应力监测数值体现，管道总应力是通过Von-Mises等效应力体现，管道应力受管道工作内压和地基沉降两方面影响，通过建立风险矩阵可以辨识受哪一个影响严重，采取针对性防范措施，例如AⅢ级，管道应力较大，但沉降产生的影响较小，说明管道受工作内压影响较大，可以通过调整管道工作内压来降低管道应力。
步骤8：利用管道Von-Mises应力值、管道工作内压和地基沉降量，构建管道Von-Mises 应力与管道工作内压和地基沉降量的多项式数学表达式，通过多项式回归拟合出管道应力与管道工作内压和地基沉降的回归表达式；
选择多项式回归预测，将监测的数据组随机分成训练集和验证集，训练集的数据经过逐步回归拟合出最优的管道应力预测关系式，并通过验证集数据进行检验。
我国油气管道规范中要求对管道可能出现的永久载荷、可变载荷和偶然载荷组合考虑，站场埋地管道所受影响主要有工作内压和地基沉降，通过数据处理软件，分析管道应力与地基沉降量与管道工作内压相关性，如图4所示。针对某一天然气站场管道应力监测和沉降监测发现，管道应力与管道工作内压和地基沉降量存在显著的相关性，通过多项式回归可拟合出三者的表达式。
步骤9：利用灰色预测模型的方法，根据监测的地基沉降数据预测未来的地基沉降量，将地基沉降预测数值与管道工作内压代入回归表达式，预测未来沉降条件下管道 Von-Mises等效应力大小，让管道管理者提前预判风险。
管道工作内压可以经管道运营方管理调整，而地基沉降却无法人为控制，通过灰色模型对沉降数据进行预测，将预测的未来地基沉降数据和管道工作内压数据代入步骤8中拟合出的管道应力回归表达式，得到管道预测应力。
步骤10、上述过程可通过程序代码，实现数据可视化，如图8，以窗口的形式在PC端得到应用。
通过编写程序将应力监测数据、地基沉降数据、管道Von-Mises应力、管道工作内压和管道预测数据形成可视化窗口，管道管理人员通过计算机就能直接看到管段应力变化，以及出现波动情况，并预知管道未来应力情况。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方法的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均包含在本发明权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
绘制埋地管道三维模型，导入到有限元分析软件中，确定有限元本构方程，建立有限元模型，并进行有限元数值模拟，得到应力云图，通过应力云图确定埋地管道应力较大的管段，并确定需要应力监测的管段；
在需要进行应力监测的管段布置双轴应变片，用于监测管段因地基沉降而产生的附加环向和轴向应变；
在监测管段地表设置沉降监测装置，进行管道附加应变监测与地基沉降监测，得到附加环向和轴向应变数据和地基沉降数据；
通过应力-应变公式，将监测附加环向和轴向应变数据输出为管道附加环向应力和管道附加轴向应力；
通过无线数据传输装置和信号基站，将监测数据传输至天然气站场中控室，实现实时在线监测；
通过Von-Mises屈服准则，校核计算管道当前的Von-Mises等效应力；
利用管道Von-Mises等效应力、管道工作内压和地基沉降量，构建管道Von-Mises等效应力与管道工作内压和地基沉降量的多项式数学表达式，通过多项式回归拟合出管道应力与管道工作内压和地基沉降的回归表达式；
利用灰色预测模型的方法，根据监测的地基沉降数据预测未来的地基沉降量，将地基沉降预测数值与管道工作内压代入回归表达式，预测未来沉降条件下管道Von-Mises等效应力大小；
其中，Von-Mises等效应力的计算公式为：
Figure FDA0004068711940000011
式中，
Figure FDA0004068711940000012
表示管道的Von-Mises等效应力；σH、σZ、σJ分别表示轴、环、径向的主应力；
由于管道满足薄壁特征，径向的主应力σJ远远小于其它两个方向的应力，忽略径向的主应力σJ，取值为0，轴向的主应力σH和环向的主应力σZ的计算公式为：
σH＝σh+σpH
σZ＝σz+σpZ
式中，
Figure FDA0004068711940000021
其中，σpH为内压导致的管道环向应力；σpZ为内压导致的管道轴向应力，P为管道工作内压；D为管道外径；δ为管道壁厚。
2.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，还建立了管道应力风险评级来对当前管道应力水平进行评价，所述管道应力风险评级包括通过Von-Mises等效应力进行分级以评价管道整体的应力水平，还包括采用应力监测中所得到的管道环向附加应力和轴向附加应力中的最大值来评价沉降附加应力，得到风险等级。
3.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述方法还能通过程序代码将实现数据可视化，通过计算机程序窗口将监测数据、计算数据、预测数据、管道风险等级输出。
4.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，在绘制埋地管道三维模型前还需要搜集天然气站场埋土信息，获取管道物理参数和埋土物理参数。
5.根据权利要求4所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述管道物理参数包括管径、管厚、密度、泊松比、抗拉强度，所述埋土物理参数包括单轴抗拉强度、三轴抗拉强度、密度、内摩擦角、粘聚力。
6.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，所述应力-应变公式为：
Figure FDA0004068711940000022
Figure FDA0004068711940000023
式中，σhc为所测管道环向附加应力；σzc为所测管道轴向附加应力；E为管道的弹性模量；μ为管道的泊松比；εh为所测环向应变；εz为所测轴向应变。
7.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，其特征在于，若管道运行中出现调压过程，则管道工作内压改变会引起管道应力变化，此时应力-应变公式为：
Figure FDA0004068711940000031
式中，σhc为所测管道环向附加应力；σh为地基沉降导致的管道环向附加应力；σzc为所测管道轴向附加应力；σz为地基沉降导致的管道轴向附加应力；ΔP为管道内压变化值，升压为正，D为管道外径；δ为管道壁厚。
8.根据权利要求1所述的地基沉降作用下天然气站场埋地管道应力监测及预警方法，所述沉降监测装置为静力水准仪。
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