CN102563356A - 一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统 - Google Patents

一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统 Download PDF

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本发明是一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统。管道(4)埋于活动层(3)地面(2)下；在管道(4)上设置多个安装一支渗压计I(6)的管卡(5)的监测点或监测截面，渗压计I(6)由液体连通管(7)与液罐(15)连接，并由渗压计数据线(11)连接数据采集器(13)；由数据远传装置(12)将数据通过手机信号GPRS(17)或卫星(18)实时传至室内(21)的输出接数据处理服务器(20)的数据远程传输装置(19)；在管道(4)附近稳定区域设置有基准桩(8)的长期稳定的基准点，在基准桩(8)上安装渗压计II(9)。本发明适用于大落差地区、大量程、自动监测的冻土区油气管道竖向位移自动监测。

Description

一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统
技术领域
本发明是一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统。涉及管道系统技术领域。
背景技术
随着我国能源管道的发展，管道逐渐在冻土区敷设，如中俄原油管道漠河-大庆原油管道(下简称漠大线)，遇到了复杂的冻土灾害问题，对管道安全形成严重影响。
国外有60多年冻土区修建、运营管道的历史。均对针对冻土问题进行了周密的考虑，并采取了大量的预防措施，但仍不可避免的发生了大量由于冻胀融沉引起的事故，如罗曼井管道通过长达17年的监测，发现管道沿线多年冻土持续融化和沉降，导致融化深度达3m-5m。我国上世纪70年代修建投产的格拉管道也多次因冻融作用发生变形、破坏。冻胀融沉问题仍是影响高寒地区管道安全运营的重大难题，目前各相关管道公司和研究机构仍在进行研究。
目前而言，管道一旦发生冻胀、融沉，则很难恢复，影响严重时往往需要耗巨资重新敷设管道，因此对管道冻土灾害应以预防为主，尽量避免发生对管道有影响的冻土灾害。冻土灾害对管道的主要影响是导致管道发生竖向隆起或沉降，对管道竖向位移进行监测可以直观反映管道的安全状况和冻土灾害的发展状况。目前已经有很多地面位移监测技术，但由于冻土区冬季往往冰雪覆盖，环境温度极低(可达-50℃)，夏季则成为沼泽湿地，人员难以进入，常规手段无法对管道附近地表位移进行监测。管体位移监测则更加复杂，目前主要采用机械式位移监测技术和内检测器管道中心线检测技术。机械式位移监测方法需要技术人员携带全站仪等监测设备到现场采集数据，监测周期长，受环境因素影响大，且无法实现自动监测。内检测器管道中心线检测技术主要用来检测管道中心线位移变化，由于成本高昂，一般一年或数年检测一次，难以实现管道竖向位移的日常监测。在其他行业用以监测竖向位移的方法主要为使用静力水准仪，该方法要求被监测点基本处于同一水平面，且量程小(不大于1m)，而管道监测段高差可以达到3m-5m，且竖向位移量在1-2年内可以达到1m-2m，常规静力水准仪无法满足冻土区管道竖向位移监测需求。由于环境恶劣，静力水准仪也无法在现场安装。
当前自动沉降监测方法主要为基于静力水准的方法，该方法在基准点设置一个基准水箱，在每个监测点设一个水箱，监测点水箱与基准点水箱联通，通过测量液面变化计算监测点的沉降，该方法监测精度较高，但要求每个要求各监测点高程基本一致，且量程不大于1m。且由于无法埋地，而无法应用极端低温的高寒冻土地区。
发明内容
本发明的目的是发明一种适用于大落差地区(管道在1km范围内落差达到3m-5m)、大量程(1m-2m)、自动监测的冻土区油气管道竖向位移自动监测系统。
本发明建立了基于液体压力的管道竖向位移自动监测方法，该系统通过直接测量处于同一液压系统的基准点和监测点位置的液体压力来计算基准点与监测点的高程差，当监测点发生沉降或抬升时，即可在高程差中反映出来。由于测量液体压力的渗压计的数据可以进行自动实时采集，因此该系统可以实现自动监测。
本发明是基于液体压力的管道竖向位移自动监测方法，该方法在管沟外侧设置监测基准点，并确保基准点长期稳定，高程不会发生变化；在管体设置监测点。在基准点和管体监测点各固定渗压计。所有渗压计通过液体连通管连接到液罐，使所有渗压计采用共同的液体压力系统。通过固定于基准点渗压计可测量基准点渗压计所在位置的液体压力，通过监测点渗压计可以测量监测点渗压计所在高程的液体压力，则基准点与监测点之间的高程差可表示为Δhwi＝hwJZ-hwJCi＝(PwJZ-PwJCi)/ρ，式中ρ为液罐和连通管内液体密度。基准点渗压计的高程长期稳定(视为恒定值)，当管道发生沉降或向上隆起时，固定于管道的渗压计高程同时发生变化，从而与基准点的高程差发生变化，新的高程差可通过测量液体压力计算获得，从而可以计算管道高程变化。通过渗压计定期测量基准点与各监测点的液体压力，即可获得各监测点的管道的高程变化，即竖向位移。
所有渗压计均与数据采集装置连接，均实现数据实时采集，并通过数据远传装置将数据通过移动信号(GPRS)或卫星实时传输至室内数据远程传输装置，经数据处理服务器处理后，向用户实施发布监测预警信息，从而实现管道竖向位移的自动实时监测预警。
基于液体压力的管道位移自动监测系统的构成如图1所示。输油气管道4埋设于冻土地区季节性活动层3中，埋设深度一般为地面2以下2m。在管道4上设置多个监测点或监测截面，在各监测点或监测截面上安装管卡5，在管卡5固定一支渗压计I 6，渗压计I 6通过液体连通管7与液罐15连接，并由渗压计数据线11连接数据采集器13；同时在管道4附近稳定区域设置基准点，基准点设置基准桩8，并确保基准桩8长期稳定，不会发生位移，在基准桩8的固定装置10上固定安装渗压计II 9。所有渗压计均通过液体连通管7与液罐15连接，液罐15内灌注防冻液(凝点为不高于-45℃)。所有渗压计数据线11连接到数据采集器13。所有渗压计均与数据采集装置13连接，均实现数据实时采集，并通过数据远传装置12将数据通过手机信号(GPRS)17或卫星18实时传输至位于室内21的数据远程传输装置19，数据远程传输装置19输出接数据处理服务器20，经数据处理服务器20处理后，向用户实施发布监测预警信息。
其中数据采集器13、数据远程传输模块12、蓄电池14和液罐15放置在密封地埋箱16内，并与其他所有现场装置一起埋置于地下，避免了大气恶劣环境1的影响，可以应用于高寒冻土地区。
该系统的监测原理为：安装于基准桩8的渗压计II 9和安装于管体监测点的渗压计I 6通过液体连通管11连接于液罐15，所有渗压计均处于同一液压系统。通过基准桩8渗压计II 9可测量基准桩8渗压计所在高程的液体压力PwJZ，从而可计算该点的水头hwJZ＝PwJZ/ρ，式中ρ为防冻液液体密度。通过监测点渗压计12()可以测量监测点渗压计所在高程的液体压力PwJCi，从而可计算该点的水头hwJCi＝PwJCi/ρ，则基准点与监测点之间的水头差Δhwi可表示为Δhwi＝hwJZ-hwJCi＝(PwJZ-PwJCi)/ρ，水头差Δhwi即为两点的高程差Δhi，如图2所示。由于基准桩8长期位移不变，其固定的渗压计II 9的高程长期稳定(视为恒定值)，当管道发生沉降或向上隆起时，固定于管道上的渗压计I 6高程同时发生变化，从而与基准点的高程差Δhi发生变化，新的高程差可通过测量到的液体压力计算获得，从而可以计算管道高程变化。因此通过渗压计II 9、渗压计I 6定期测量基准点与各监测点的液体压力，即可获得各监测点的管道的高程变化，即竖向位移。
本发明针对冻土区冻胀融沉灾害影响油气管道无有效自动监测技术的问题，首次提出基于液体压力的管道竖向位移自动监测系统，该系统能实现冻土区管道竖向位移的自动监测。管道竖向位移监测装置创新的采用了区别于普通静力水准沉降仪的液体压力监测方法，通过在基准点和监测点各设置渗压计，测量基准点和监测点所在高程的液压系统的液体压力，进而计算基准点与监测点的高程差。由于渗压计量程大(采用量程为70KPa的渗压计)，该方法可以在大高差地区(3m-5m)实现大量程(2m)的监测。同时不受大气压力变化影响，也不受液罐液面变化(液体泄漏、容器胀缩等原因导致)影响，保证了监测精度(优于7mm)。该装置全部现场设备均埋置在地下。能确保在高寒地区恶劣气候环境下(冬季冰雪覆盖，极端环境气温可达-50℃，夏季则融化为沼泽湿地)下正常工作。
该系统适用于大落差地区大量程的管道竖向位移自动监测，并不受环境影响。也可推广到其他地区的沉降监测，应用前景广阔。
解决了高寒冻土区油气管道环境恶劣(冬季冰雪覆盖，极端环境气温可达-50℃，夏季则融化为沼泽湿地)而无实时自动监测技术的问题。
发明的优点表现在：
(1)针对冻土区冻胀融沉灾害影响油气管道无有效自动监测技术的问题，首次提出基于液体压力的管道竖向位移自动监测系统，该系统能实现冻土区管道竖向位移的自动监测；
(2)管道竖向位移监测系统创新的采用了区别于普通静力水准沉降仪的液体压力监测方法，通过在基准点和监测点各设置渗压计，测量基准点和监测点所在高程的液压系统的液体压力，进而计算基准点与监测点的高程差；由于渗压计量程大(采用量程为70KPa的渗压计)，该系统可以在大高差地区(3m-5m)实现大量程(2m)的监测；同时不受大气压力变化影响，也不受液罐液面变化(液体泄漏、容器胀缩等原因导致)影响，保证了监测精度(优于7mm)；
(3)该系统全部现场设备均埋置在地下；能确保在高寒地区恶劣气候环境下(冬季冰雪覆盖，极端环境气温可达-50℃，夏季则融化为沼泽湿地)下正常工作。
附图说明
图1冻土区油气管道竖向位移自动监测系统构成图
图2冻土区油气管道竖向位移自动监测原理图
其中  1-大气恶劣环境     2-地面
      3-活动层           4-管道
      5-管卡             6-渗压计I
      7-液体连通管       8-基准桩
      9-渗压计II         10-固定装置
      11-渗压计数据线    12-数据远程传输模块
      13-数据采集器      14-蓄电池
      15-液罐            16-密封地埋箱
17-手机GPRS            18-卫星GPRS
19-数据远程传输装置    20-数据处理服务器
21-室内
具体实施方式
实施例。本例是一种监测系统，并在中俄原油管道漠河至加格达奇区段进行了试验，试验段为冻土沼泽地区，该沼泽地段总长800m，管道直径813mm，壁厚16mm，埋深2.0m。冻土区管道竖向位移自动监测方法和装置构成如图1所示，由基准桩8、固定于基准桩的渗压计9、固定于管道监测点的渗压计I 6、液体连通管7、液罐15、数据线11、数据采集器13、现场数据远程传输模块12、蓄电池14、密封地埋箱16和位于室内的数据远程传输装置19和数据处理服务器20组成内。渗压计I 6和渗压计II 9均采用振弦式渗压计，量程为70KPa，精度为0.1％FS(千分之一满量程)；数据采集装置13采用振弦式读数仪；基准桩8为Φ76mm×6mm无缝钢管(外径×壁厚)，总长9m，其中地下7.8m；液体连通管7为尼龙管，内径10mm；液罐为15为玻璃钢材质，内径20mm，长60mm；渗压计数据线11为四芯屏蔽电缆；数据远程传输模块12、数据远程传输装置19为卫星通讯模块；蓄电池14为12V，24Ah铅酸蓄电池，蓄电池设充电电缆，用以定期充电；埋地密封箱16由304不锈钢制作，圆形，内径0.8m，高1m，防水压力0.1MPa以上，地埋箱内设温度传感器、水位传感器和电压传感器用以监测箱内温度、水位(以防密封失效进水)、蓄电池电压；监测点间距为50m。
监测原理是：监测点与基准点的高差差可由固定于监测点的渗压计I 6和固定于基准点的渗压计II 9测量到的液体压力计算获得。当监测点高程发生变化时，该高程差发生变化，由于基准点位置不变，基准点与监测点的高程差变化即为监测点的高程变化，两次时间间隔的高程差变化即为该时间间隔内管道12的竖向位移。监测装置可以实现自动采集与传输，并将监测数据实时发送给用户。
其构成方法如下：
(1)在拟监测的管道4各监测点开挖监测点安装工作坑，工作坑长×宽为2m×2m，开挖深度要求至管道超过管道2/3；
(2)在管道上安装管卡5，在管卡5上固定渗压计I 6；
(3)在管道外侧稳定区域设置基准桩8，并在基准桩8焊接固定装置10，在固定装置10上固定渗压计II 9；
(4)在监测段中间位置开挖埋地密封箱安装工作坑，长×宽×深为2m×2m×3m；将埋地密封箱16放置在坑中，密封箱16内放置数据采集器13、数据远程传输模块12、蓄电池14和液罐15，并将蓄电池14与数据采集器13、数据远程传输模块12连接，为之供电，将数据采集器13与数据远程传输模块12连接；
(5)在管道外侧开挖线缆沟，宽×深为1m×2m，沟长度与监测段长度相同，将所有渗压计(包括渗压计I 6和渗压计II 9)用液体连通管7连接至液罐15；将所有渗压计(包括渗压计I 6和渗压计II 9)数据线缆11连接到数据采集器13，所有液体连通管7和数据线缆11均放置在线缆沟内；
(6)向液罐15内灌注防冻液，并确保液体连通管充满液体。室内安装数据远程传输装置19和数据处理服务器20，并将系统打开连调，确保数据采集、传输正常；
(7)将现场数据远程传输模块12的天线引出地面，将蓄电池14充电电缆引出地面保护后回填现场所有工作坑，完成安装。
经试验，该系统能实现冻土区管道竖向位移的自动监测；由于渗压计量程大(采用量程为70KPa的渗压计)，该系统可以在大高差地区(3m-5m)实现大量程(2m)的监测；同时不受大气压力变化影响，也不受液罐液面变化(液体泄漏、容器胀缩等原因导致)影响，保证了监测精度(优于7mm)；该系统全部现场设备均埋置在地下；能确保在高寒地区恶劣气候环境下(冬季冰雪覆盖，极端环境气温可达-50℃，夏季则融化为沼泽湿地)下正常工作。

Claims (2)

1.一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统，其特征是输油气管道(4)埋设于冻土地区季节性活动层(3)中，埋设深度为地面(2)2m以下；在管道(4)上设置多个监测点或监测截面，在各监测点或监测截面上安装管卡(5)，在管卡(5)固定一支渗压计I(6)，渗压计I(6)通过液体连通管(7)与液罐(15)连接，并由渗压计数据线(11)连接数据采集器(13)；同时在管道(4)附近稳定区域设置基准点，基准点设置基准桩(8)，并确保基准桩(8)长期稳定，在基准桩(8)的固定装置(10)上固定安装渗压计II(9)；所有渗压计均通过液体连通管(7)与液罐(15)连接，液罐(15)内灌注凝点不高于-45℃的防冻液；所有渗压计数据线(11)连接到数据采集器(13)；所有渗压计均与数据采集装置(13)连接，并通过数据远传装置(12)将数据通过手机信号GPRS(17)或卫星(18)实时传输至位于室内(21)的数据远程传输装置(19)，数据远程传输装置(19)输出接数据处理服务器(20)，向用户实施发布监测预警信息。
2.根据权利要求1所述的一种冻土区油气管道竖向位移自动监测系统，其特征是数据采集器(13)、数据远程传输模块(12)、蓄电池(14)和液罐(15)放置在密封地埋箱(16)内，并与其他所有现场装置一起埋置于地下。
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