CN103090830A - 冻土区油气管道位移监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种冻土区油气管道位移监测方法及装置。涉及线性尺寸的测量和管道系统技术领域。它是采用全站仪对冻土区管道的位移进行监测；在监测区域安装基准桩和照准桩，在要监测的管道上安装管道卡箍装置；以基准桩和照准桩建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置的坐标，若管道发生位移，则管道卡箍装置的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道的位移。本发明低成本、稳定可靠、操作方便、可有效监测冻土区管道位移。

Description

冻土区油气管道位移监测方法及装置

技术领域

本发明是一种冻土区油气管道位移监测方法及装置。涉及线性尺寸的测量和管道系统技术领域。

背景技术

冻土是一种特殊的土类，温度为负温或零温，并且含有冰的土，称为冻土。按土的冻结状态保持时间的长短，冻土一般又可分为短时冻土(数小时至半月)、季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(两年以上)。我国冻土非常发育，多年冻土面积约为211万平方公里，占我国国土总面积的23％，在世界上占第三位，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭；季节性冻土面积约为514万平方公里，约占国土总面积的53.5％。其中，中深度季节冻土(＞1m)约占国土面积的1/3，主要分布于东北三省、内蒙古、甘肃、宁夏、新疆北部、青海和川西等地。

近百年来，世界气候有转暖的趋势，因而引起了包括东北地区在内的一些地区多年冻土的退化。象东北的多年冻土南界附近，由于气候转暖，地下冰在天然条件下融化，因而形成热融湖、热融沉陷等现象，多年冻土的南界亦发生向北的推移。南界一些原来有多年冻土的地段，经过几年或几十年后多年冻土自然消失。在多年冻土地区兴修工程建筑物，如果设计时未能预知因地基融化可能发生的沉降，并且在运营过程中，沉降量超过建筑物的容许极限，那么可以想象，其基础及其上部结构物将出现不允许的变形，甚至破坏。

发达国家输油管道建设已有100多年历史，很多冻土地区蕴藏有巨大的油气资源，相应地油气管道工程设计和施工成为这些地区石油工业最新的挑战。从20世纪60年代开始，大口径管道开始主导北美北部和西伯利亚多年冻土地区油气田输运市场。二战期间，克努儿(Canol)管道从加拿大罗曼井输运原油到美国的阿拉斯加州费尔班克斯市(Fairbanks)；1956年管径为203mm的油管从阿拉斯加州海因斯市(Haines)到费班克斯市修筑成功；20世纪70年代早期，前苏联多年冻土区已有输油管道；1977年，长1280km、直径为1220mm的输油管道将美国阿拉斯加州北坡低温多年冻土区的原油源源不断地输运到阿拉斯加南部的天然不冻港瓦尔迪斯(Valdez)，然后油轮将原油输运到加州。20世纪80年代中期，从加拿大罗曼井到加拿大阿尔波特(Alberta)省北部咱马(Zama)湖、长869km、口径30.5cm的环境温度管道按时完成铺设，罗曼井管道是加拿大多年冻土区第一条完全埋设的输油管道。这些管道在运营期间，均受到冻土区冻胀融沉灾害的威胁甚至破坏。其中，克努儿(Canol)管道在开始运行后前9个月，管道沿线约有700x104L原油泄漏。Mackenzie河岸上一个12700m3的储油库破裂，大部分储油流入河流中。1945年日本投降后，该管道很快就被拆除；罗曼井管道沿线途经不连续多年冻土，施工和运行中遇有冻胀和融沉问题，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3-5m(湖相沉积)或5-7m(粗颗粒矿质土)，以及显著的地面沉降。

我国在多年冻土地区修建的第一条长输油气管道，即格尔木-拉萨输油管道(简称格拉线)，格拉线于1972年由中国人民解放军施工，1977年基本建成，长达1076km，管径159mm，管壁厚6mm，投资2.3x108元。格拉线工程修建和维护十分困难，全线穿越河流108条，穿越公路123处，900多公里管线在海拔4000m以上(最高处海拔5200m)，560km位于多年冻土区，冻结期长达8个月。格拉线自1977年运行以来，冻胀、融沉问题已经造成多次“露管”现象。

中俄原油管道北起漠河首站中俄黑龙江边界线，南至大庆末站，全长960多公里，途经两省五市十二个县区，穿越440公里原始森林，11条大中型河流，5个自然保护区。管道沿线地势北高南低，北部地形起伏较大，沿线为大兴安岭低山、丘陵及河谷地貌，南部为松嫩平原，地形平坦开阔；漠河-加格达奇段约460km为山区、林区、多年冻土区，多年冻土总长度约314km，其中少冰、多冰多年冻土209km，饱冰、富冰多年冻土62km，冻土沼泽43km。管道面临着严重的冻胀融沉灾害威胁。

针对管道面临的冻胀融沉问题，国内外运营单位采取了积极的应对措施。罗曼井管道1985年投产后，管道日常监测计划作为项目运行的重要组成部分一直在实施，除每周一次的飞机空中巡线外，还在管道沿线安装了大量的检测仪表以记录运行数据，并在每年9月，即管道沉降最大时进行一次现场勘测以完成管道沿线的实地调查、仪器数据的记录和滑坡地段的现场评估等工作。1989年后，罗曼井管道采用管道内检测器进行每年一次的内检测，以评估不稳定土体运动和差异性融沉对管道的影响程度，随着检测数据的不断积累和扩充，为管道技术性能的评估提供了良好的基础。Norman wells管道是第一条埋设于加拿大北部多年冻土区的油气管道，由加拿Enbridge公司负责管理和运营，在各种条令法规的要求下，已建立了一个计划周密、操作性强的监测系统，其中包括冻土融沉监测、管道内检测、翘曲上拱检测、折皱检测、边坡检测、木屑层状况检测和温度监测等七个方面的内容。格拉管道也通过定期巡线、安装压力、温度传感器等监测冻土的变化。

虽然国内外管道运营单位采取了积极的措施应对冻土区的冻胀融沉灾害，但是由于冻胀融沉灾害的形成机理非常复杂，而且不同地区的冻土特性各不相同，目前国内外并未见有成熟的监测技术，可以监测冻胀融沉灾害对管道的影响。针对上述情况，本发明提出了基于全站仪测量技术的冻土区油气管道位移监测方法和装置。

全站仪，即全站型电子速测仪(Electronic Total Station)，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，能自动地测量角度和距离，并能按一定程序和格式将测量数据传送给相应的数据采集器，因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。全站仪自动化程度高，功能多，精度好，通过配置适当的接口，可使野外采集的测量数据直接进入计算机进行数据处理或进入自动化绘图系统。与传统的方法相比，省去了大量的中间人工操作环节，使劳动效率和经济效益明显提高，同时也避免了人工操作，记录等过程中差错率较高的缺陷。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

全站仪几乎可以用在所有的测量领域。电子全站仪由电源部分、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口及显示屏、键盘等组成。

同电子经纬仪、光学经纬仪相比，全站仪增加了许多特殊部件，因而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。由于这些特点，全站仪已经广泛应用于地质灾害监测，如滑坡表部位移监测、隧道沉降监测等。目前还未见到采用全站仪测量技术监测冻土区管道位移的报道。

发明内容

本发明的目的是发明一种低成本、稳定可靠、操作方便、可有效监测冻土区管道位移的方法和装置。

本发明采用全站仪测量技术，对冻土区管道的位移进行监测。在监测区域安装基准桩和照准桩，在要监测的管道上安装管道卡箍装置。以基准桩和照准桩建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置的坐标，若管道发生位移，则管道卡箍装置的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道的位移。

其中，管道卡箍装置由管卡、标志杆、连接杆、套管、棱镜基座、螺栓组成；基准桩由基准杆、保护套管、全站仪基座组成。套管的作用是避免标志杆和基准杆受到冻土的影响，在套管和标志杆、基准杆之间注入黄油，这样，当套管周围冻土变化时，只会影响到套管，从而保证了标志杆和基准杆是绝对不动的，进而保证了测量的精度。

1)管道位移监测装置由管道卡箍装置、反射棱镜、基准桩、照准桩、全站仪组成。管道卡箍装置将管道卡紧后通过螺栓固定，管道卡箍装置上端设有基座用于放置反射棱镜，基准桩上设有基座安装全站仪，全站仪与基座通过螺栓连接。

2)管道卡箍装置由管卡、标志杆、连接杆、套管、棱镜基座、螺栓组成。管卡由两个半圆形的卡套组成，卡套上钻有3个通孔，卡套卡在管道后，通过螺栓连接，将管卡与管道固定在一起。

3)基准桩由基准杆、保护套管、全站仪基座组成。全站仪基座由托盘、支架组成，支架与基准杆、支架与托盘均为焊接。在托盘中心钻有通孔，全站仪与托盘通过螺栓连接。

基于全站仪测量技术的管道位移监测方法原理如图1所示。在冻土区1的管道I2上安装管道卡箍装置3，在管道卡箍装置3上安装反射棱镜4，同时在冻土区1安装基准桩5和照准桩6，在基准桩上架设全站仪7。其中，基准桩5和照准桩6需要安装在基础稳定区域，即不发生位移的区域，因此在安装时需要预先钻直径为110mm孔，然后将基准桩5和照准桩6下放入孔，灌注混凝土至地下2m处，基准桩下部1m可焊几根钢筋以增加桩与混凝土间的锚固。

监测方法是：以基准桩5和照准桩6建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置3的坐标，若管道I2发生位移，则管道卡箍装置3的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道I2的位移。

管道位移监测装置的构成如图1所示，管道位移监测装置由管道卡箍装置3、反射棱镜4、基准桩5、照准桩6、全站仪7组成。管道卡箍装置3将管道I2卡紧后通过螺栓固定，管道卡箍装置3上端设有放置反射棱镜4的基座，基准桩5上设有安装全站仪7的基座，全站仪7与基座通过螺栓连接。

所述管道卡箍装置3的构成如图2所示，管道卡箍装置3由管卡9、标志杆10、连接杆11、套管12、棱镜基座13、螺栓14组成。管卡9的结构如图3所示，管卡9由两个半圆形的卡套I15、卡套II16组成，卡套I15、卡套II16上钻有3个通孔，卡套I15、卡套II16卡在管道II8后，通过螺栓14连接，这样就将管卡9与管道II8固定在一起；在卡套II16的顶部，焊接连接杆11，标志杆10与连接杆11之间通过螺纹连接，标志杆10标准长度为1m，根据监测的需要，可随时增加标志杆10，标志杆10与标志杆10之间为螺纹连接，在最顶部的标志杆10上，焊有棱镜基座11，便于放置棱镜4；标志杆10的外部设有套管12，套管12的作用是避免标志杆10受到冻土冻胀融沉的影响；在连接杆11上包裹多层毛毡，直至毛毡的直径略大于套管12，这样可以保证套管12与毛毡紧密结合；在套管12和标志杆10之间注入黄油，这样，当套管12周围的冻土发生变化时，只会影响到套管12，从而保证了标志杆10真实反应管道的位移；

所述基准桩5的构成如图4所示，基准桩5由基准杆17、保护套管18、全站仪基座19组成；全站仪基座19的结构如图5所示，全站仪基座19由托盘20、支架21组成，支架21与基准杆17、支架21与托盘20均为焊接；在托盘20中心钻有通孔，全站仪与托盘20通过螺栓连接；基准杆17安装时需要钻孔，钻孔的深度取决于监测点季节性冻土的厚度，一般要求钻孔深度不小于季节性冻土厚度的5倍；在基准杆17的外部设有保护套管18，保护套管18的作用同样是避免基准杆17受到冻土的影响，在保护套管18和基准杆17之间注入黄油，这样，当保护套管18周围冻土变化时，只会影响到保护套管18，从而保证了基准杆17是绝对不动的，进而保证了测量的精度。照准桩的结构与基准桩相同。

本发明不仅适用于冻土区油气管道的位移监测，也可用于通过采空塌陷多发区油气管道的位移监测，有着较为广泛地适用范围。

本发明结构简捷可靠、安装灵活、隐蔽、安全，操作使用方便，维护保养简单，使冻土区油气管道防护工程的投入下降、有效性增高；全站仪自动化程度高，功能全，更重要的，通过测量与管道连接在一起的管道卡箍装置的位移，它可以直观的反映管道的位移，精度可达3mm，而且数据真实可靠。

本发明的优点表现在：

(1)针对冻土区油气管道面临的冻胀融沉灾害无有效监测技术的问题，首次提出基于全站仪测量技术的管道位移监测方法及装置，该方法和装置成本低、稳定可靠、操作方便、可有效监测冻土区管道位移；

(2)管道位移监测装置创新的采用了卡箍装置与管道连接，并采用在标志杆外加套管的方式保护标志杆，进而保证了测量结果真实可靠；

(3)管道位移监测装置创新的采用钻深孔的方式将基准杆埋设至永冻土，并通过混凝土固定，将基准杆与永冻土凝为一体，进而保证了基准杆是绝对不动的，从而保证了测量精度。

附图说明

图1管道位移监测装置构成图

图2管道卡箍装置构成图

图3管卡结构图

图4基准桩构成图

图5全站仪基座结构图

其中1-冻土区       2-管道I

3-管道卡箍装置     4-反射棱镜I II III

5-基准桩           6-照准桩

7-全站仪           8-管道II

9-管卡            10-标志杆

11-连接杆         12-套管

13-棱镜基座       14-螺栓

15-卡套I          16-卡套II

17-基准杆         18-保护套管

19-全站仪基座     20-托盘

21-支架

具体实施方式

实施例.本例是一实验样机。管道位移监测装置的构成如图1所示，管道位移监测装置由管道卡箍装置3、反射棱镜4、基准桩5、照准桩6、全站仪7组成。管道卡箍装置3将管道I2卡紧后通过螺栓固定，管道卡箍装置3上端设有放置反射棱镜4的基座，基准桩5上设有安装全站仪7的基座，全站仪7与基座通过螺栓连接。

所述管道卡箍装置3的构成如图2所示，管道卡箍装置3由管卡9、标志杆10、连接杆11、套管12、棱镜基座13、螺栓14组成。管卡9的结构如图3所示，管卡9由两个半圆形的卡套I15、卡套II16组成，卡套I15、卡套II16上钻有3个通孔，卡套I15、卡套II16卡在管道II8后，通过螺栓14连接，这样就将管卡9与管道II8固定在一起；在卡套II16的顶部，焊接连接杆11，标志杆10与连接杆11之间通过螺纹连接，标志杆10标准长度为1m，根据监测的需要，可随时增加标志杆10，标志杆10与标志杆10之间为螺纹连接，在最顶部的标志杆10上，焊有棱镜基座11，便于放置棱镜4；标志杆10的外部设有套管12，套管12的作用是避免标志杆10受到冻土冻胀融沉的影响；在连接杆11上包裹多层毛毡，直至毛毡的直径略大于套管12，这样可以保证套管12与毛毡紧密结合；在套管12和标志杆10之间注入黄油，这样，当套管12周围的冻土发生变化时，只会影响到套管12，从而保证了标志杆10真实反应管道的位移；

所述基准桩5的构成如图4所示，基准桩5由基准杆17、保护套管18、全站仪基座19组成；全站仪基座19的结构如图5所示，全站仪基座19由托盘20、支架21组成，支架21与基准杆17、支架21与托盘20均为焊接；在托盘20中心钻有通孔，全站仪与托盘20通过螺栓连接；基准杆17安装时需要钻孔，钻孔的深度取决于监测点季节性冻土的厚度，一般要求钻孔深度不小于季节性冻土厚度的5倍；在基准杆的外部设有保护套管18，保护套管18的作用同样是避免基准杆受到冻土的影响，在保护套管18和基准杆17之间注入黄油，这样，当保护套管18周围冻土变化时，只会影响到保护套管18，从而保证了基准杆17是绝对不动的，进而保证了测量的精度。照准桩的结构与基准桩相同。

其中：

基准桩5的尺寸为Φ0.075×10m；

照准桩6的尺寸为Φ0.075×10m；

保护套管18的尺寸为Φ0.11×3m；

在卡套II16的顶部，焊接300mm的连接杆11；

标志杆10尺寸为Φ0.03×1m，根据监测的需要，可随时增加标志杆10；

套管12的尺寸为Φ0.075×1m。

监测方法是：以基准桩5和照准桩6建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置3的坐标，若管道I2发生位移，则管道卡箍装置3的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道I2的位移。

本例经现场试验，通过测量与管道连接在一起的管道卡箍装置的位移，它可以直观的反映管道的位移，精度可达3mm，而且数据真实可靠。

Claims (5)

1.一种冻土区油气管道位移监测方法，其特征是采用全站仪对冻土区管道的位移进行监测；在监测区域安装基准桩和照准桩，在要监测的管道上安装管道卡箍装置；以基准桩和照准桩建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置的坐标，若管道发生位移，则管道卡箍装置的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道的位移。

2.根据权利要求1所述的冻土区油气管道位移监测方法，其特征是在冻土区(1)的管道I(2)上安装管道卡箍装置(3)，在管道卡箍装置(3)上安装反射棱镜(4)，同时在冻土区(1)安装基准桩(5)和照准桩(6)，在基准桩(6)上架设全站仪(7)；其中，基准桩(5)和照准桩(6)要安装在基础稳定区域，即不发生位移的区域，在安装时要预先钻孔，将基准桩95)和照准桩96)下放入孔，灌注混凝土；

监测方法是：以基准桩(5)和照准桩(6)建立局部坐标系，定期测量各管道卡箍装置(3)的坐标，若管道I(2)发生位移，则管道卡箍装置(3)的坐标发生变化，两次时间间隔的坐标变化即为该时间间隔内管道I(2)的位移。

3.一种使用权利要求1所述方法的冻土区油气管道位移监测装置，其特征是它由管道卡箍装置(3)、反射棱镜(4)、基准桩(5)、照准桩(6)、全站仪(7)组成；管道卡箍装置(3)将管道I(2)卡紧后通过螺栓固定，管道卡箍装置(3)上端设有放置反射棱镜(4)的基座，基准桩(5)上设有安装全站仪(7)的基座，全站仪(7)与基座通过螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的冻土区油气管道位移监测装置，其特征是所述管道卡箍装置(3)由管卡(9)、标志杆(10)、连接杆(11)、套管(12)、棱镜基座(13)、螺栓(14)组成；管卡(9)由两个半圆形的卡套I(15)、卡套II(16)组成，卡套I(15)、卡套II(16)上钻有3个通孔，卡套I(15)、卡套II(16)卡在管道II98)后，通过螺栓(14)将管卡(9)与管道II(8)固定在一起；在卡套II(16)的顶部，焊接连接杆(11)，标志杆(10)与连接杆(11)之间通过螺纹连接，根据监测的需要，随时增加标志杆(10)的数量，标志杆(10)与标志杆(10)之间为螺纹连接，在最顶部的标志杆(10)上，焊有放置棱镜(4)的棱镜基座(11)；标志杆(10)的外部设有套管(12)；在连接杆(11)上包裹多层毛毡，直至毛毡的直径大于套管(12)，以使套管(12)与毛毡紧密结合；在套管(12)和标志杆(10)之间注入黄油。

5.根据权利要求3所述的冻土区油气管道位移监测装置，其特征是所述基准桩(5)和照准桩(6)由基准杆(17)、保护套管(18)、全站仪基座(19)组成；全站仪基座(19)由托盘(20)、支架(21)组成，支架(21)与基准杆(17)、支架(21)与托盘(20)均为焊接；在托盘(20)中心钻有通孔，全站仪(7)与托盘(20)通过螺栓连接；基准杆(17)安装时需要钻孔，钻孔的深度不小于季节性冻土厚度的5倍；在基准杆的外部设有保护套管(18)，在保护套管(18)和基准杆917)之间注入黄油。

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