管道应力监测系统在机坪加油管道上的应用和研究

摘要：通过建设机坪加油管道应力监测系统，对机坪加油管道受力情况进行实时监控，动态感知机坪加油管道健康状态，实现对管道受力状态的实时评估和动态安全预警，提高设施设备异常情况的应急处置能力。

关键词：机坪加油管道；应力监测系统；安全预警

1.研究背景

管道运输是一种安全、高效、经济、环保的运输方式。航空煤油输送管道是连接油库与航空器的纽带，在机场运营保障中占有重要地位，被喻为机场发展的“大动脉”。有些管道铺设在软土、地基易沉降等容易发生地表位移的区域，随着运行时间的不断增加，管道在长时间的工作中可能会受到载荷和应力的破坏。

2023年6月30日，某机场70号机位地下供油管道出现渗油情况。机场相关部门第一时间启动相关应急预案，立即组织队伍赶到现场开展应急处置，关闭渗油区域供油管道上下游阀门，设置围堰防止含油污水外溢，持续通过专用多功能车辆、吸油棉、吸油索等回收油料，并同步开展渗油点排查。当日20时，渗出到70号机位西侧排水沟中的油料已全部回收，累计回收油水混合物约16立方米，经过沉降排水后，实际回收油料总量约6立方米。

确定漏点位置后，公司立即组织技术人员进行现场查验、分析。结合现场实际情况，并咨询设计院专家，初步认为造成本次事件的主要原因如下：

1. 混凝土道面和水沟铁篦子盖板热膨胀系数不同引起混凝土板块少量位移，在供油主管和支管连接处形成横向剪切力，且由于不均匀沉降，进一步加大了道面的位移量，使剪切力加大。6月30日前连续多日大雨，导致地下水位上升，地下土壤层温度相对较低；6月30日阳光强烈，机坪道面混凝土吸热后温度快速上升；两者形成较大温差，导致热膨胀量不同，突然放大横向剪切力，超出钢管焊接点所能承受极限，造成供油管道支管根部焊接处局部拉裂。

2. 该段供油管线与东区货运机坪于1994年同步建成投用，由于不均匀沉降等原因，长期受到应力集中影响，可能存在金属疲劳影响到管道焊接点强度。

近年来，已有多地机场出现加油栓井体被挤裂或位移导致加油短管渗漏的现象。由于长期受到剪切力导致管道应力集中进而塑性变形或永久性破坏。这种破坏是不可逆的，管道的结构和性能将发生根本性变化，无法恢复到原来的状态。机坪加油管道属于地下隐蔽工程，一旦发生开裂渗漏等安全事故，将带来极其危险的安全隐患和环境危害，易造成航油泄露、机场停航等严重后果。

日常巡检很难及时掌握埋地机坪管道真实的性能状况，往往只有在出现泄露事件影响到机场的安全运行后才会被关注和重视，这大大增加了管理维护成本和难度。机坪加油管道的维修成本通常极高，维修过程中需要破除和恢复道面，处理管道开口等问题，需要大量的资金和人力投入，并且需要多个部门的密切协作。维修时需要暂停机坪的运行，这将对机场正常运营造成严重影响，不利于机场的安全运行和安全管控，航空运行保障力也无法保证，将导致旅客和货物运输资源的流失，造成不良的社会影响。

为确保供油安全、安全供油，建设机坪加油管道受力监测系统，对机坪加油管道受力情况实时监控，动态感知机坪加油管道健康状态，实现对管道受力状态的实时评估和动态安全预警，及时提出应急处置建议，避免可能发生的管道安全事故。

2.管道应力监测系统

2.1监测系统原理

管道应力监测系统一般由传感器系统、数据采集与传输系统、数据处理与预警系统等组成，具体流程为：首先在管道重要部位布置传感器进行实时监测，获得应变、位移、温度等数据；然后对监测数据进行实时处理，以便对管道进行健康评估与安全预警。其中基于监测数据的预警技术至关重要，如通过设置预警指标和控制限，将海量监测数据与这些安全阈值进行对比，以判断是否存在异常或超限，从而对管道的安全状态进行预警[1]。

管道应力常见监测技术和方法主要包括：布拉格光纤光栅法、分布式光纤传感技术和电阻应变法。[2]每种方法各有其优劣势，要根据实际需求选择相对应的、最适合的方法。电阻式应变片体积小，粘贴于管壁表面与管道同步变形以测量管道的变形情况，具有测值精确、操作简单且检测灵敏度高的特点，但存在应变片的防潮、防水性能较差，以及非线性误差大等缺点。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， 缺点是易与管道贴合不紧造成测量误差，光纤传感器比较脆弱，寿命较短，并且光栅解调仪的成本昂贵。振弦式应变计具有测量精度高、稳定性好，抗外界电磁干扰能力强，零点漂移小，抗震和寿命长的优点，且带有温度传感器的弦式应变计可以考虑温度变化对应变的影响，能够适应野外监测环境。

2.2管道应力监测方案

机坪加油管道在使用过程中受到地基不均匀沉降及道面水平位移等影响， 易产生较大剪切应力，带来安全隐患。利用此次改造工程机会，对机坪加油管道自身结构变形以及周围土体、环境等方面进行监测，获取管道应力应变以及变形规律，了解不同施工工况（填土、车辆、压路机）、不同荷载作用（土体自重、道面结构荷载、飞机荷载、车辆荷载、温度）、以及供油对管道的影响规律、影响范围以及影响程度等。

为掌握机坪加油管道受力变形情况及力学行为规律，监测项目包括： ①管道应力应变监测；②支管水平位移监测； ③管体沉降监测 ；④管周土压力监测 ⑤管周土壤温湿度监测。

监测系统使用的传感器有表贴式应变计、电子测斜仪、静力水准仪、土压力盒、土壤温湿度计等 5 类。数据采集与传输采用物联网数据采集系统，实现多监测点集中数据采集和无线远程自动化传输，供电选用太阳能电池组。

在管壁上顶面、下底面和左、右两侧面均匀布设表贴式应变计，用于监测管道在土压力和外部荷载作用下的轴向、环向应变，每个典型截面布设4个监测点（4个轴向应变计、4个环向应变计以及4个备用应变计）。

对于紧邻排水沟的加油栓井、低点放水井，在支管管壁外侧布设电子测斜仪监测其倾斜情况。根据机坪加油设备排查情况中沉降较明显区域，采用静力水准仪监测管道差异沉降。对于每个典型截面，在主管上顶面、下底面和左、右两侧面各布设一个监测点（4用2备），监测管周土压力。采用土壤温度、湿度计，监测管周土壤温湿度。

2.3监测结果

软件安装完成后通过授权账户登陆系统，即可在监测界面读取管道的应变状态信息并计算得到管道的应力状态，也可进一步验证整个监测系统功能的完整性和可靠性。

同时通过图谱分析可以查看实时的和历史的管道应变数据，从而计算得到管道的应力情况。同时在软件基础数据中可以设置相应的预警值，当检测值达到报警点时，会触发软件右上角的报警段，同时可以实现制定收信人的短信报警。[3]

3.研究结论

通过在线管道应力监测系统，可实时监控和评估管道的安全状态，以动态化数据直观展示管道现场变化情况。该系统可实现以下功能：（1）以机坪加油管道为监测对象，形成一套长期、稳定、 精确的应力应变监测系统；（2）配备太阳能电力供给装置，满足电力需求；（3）可视化监测软件，实现数据的实时处理、记录，同时对管道安全状态进行预警和判断。

参考文献

[1]周临风.基于应力监测的油气管道安全评估方法研究[D]；东北石油大学，2020.

[2]邹志豪.滩海天然气管道非均匀沉降应力预测及监测预警研究[D]；华南理工大学，2021.

[3]廖柯熹.管道应力长期监测与报警系统.油气田与油气管道技术装备智能化.2021，增刊：53-61