CN108468320A - 一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法。该装置包括固定杆、振弦式应力计、数据传输线和数据采集器。方法包括：步骤1，选择固定杆；步骤2，振弦式应力计与固定杆连接；步骤3，振弦式应力计安装线缆：利用线缆连接固定杆上的振弦式应力计；步骤4，测定振弦式应力计与土压力的转换系数K；步骤5，钻孔：利用钻机在固定杆安装位置进行钻孔；步骤6，安装固定杆：将固定杆安装于钻孔中；步骤7，安装控制箱：将控制箱安装于滑坡体外安全的位置；步骤8，振弦式应力计数据采集：利用控制箱对振弦式应力计的数据进行采集；步骤9，根据步骤4中的转换系数K，将振弦式应力计数据转化为土压力。

Description

一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置 和方法

技术领域

本发明属于天然气管道安全监测领域，具体涉及一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法。

背景技术

我国自2000年开始实施“西气东输”工程，截止目前共建设天然气管道近4万公里。西气东输推动了沿线城市用清洁燃料代替部分电厂、窑炉、化工企业和居民生活使用的煤气和煤炭，提升了百姓生活质量，有效改善了中国的大气环境。天然气管道一般埋深为1.0米以上，我国是地质灾害多发国家，特别是输气管道途径区域的地质灾害会对地表以下的输气管道安全产生极大影响。

土压力指土体作用在建筑物或构筑物上的力，通常采用土压力计或土压力盒测量土体的压力。在土体稳定的情况下，土压力对其中构筑物的作用是平衡的。当有外力发生时，比如滑坡等地质灾害，土体变得不稳定，此时会对其中的构筑物产生较大影响。特别是作用于天然气管道上的土压力变化较大时，会引起天然气管道扭曲、破裂现象的发生，甚至引起天然气管道的爆炸事故。

地质灾害孕育发展的周期不固定，为了维护管道安全，需要对管道周边面上的土力进行实时监测。然而，土压力计或土压力盒只能对某一点上的土压力进行监测，且必须进行开挖。由于天然气管道通常埋于地表以下，为了维护管道安全，一般禁止进行开挖；开挖时，必须停气，停气会大面积影响居民的生产和生活，这给土压力的监测带了极大的困难。特别是对于经过滑坡体的燃气管道，开挖本身也会打破周围力的平衡，甚至加速滑坡体的下滑速度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法。

本发明的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：

一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置，包括固定杆、振弦式应力计、数据传输线和数据采集器；其中，所述固定杆有多个，每个固定杆上等间距设有多个用于测量固定杆应力变化的振弦式应力计；所述振弦式应力计和用于接收振弦式应力计数据信息的数据采集器通过数据传输线连接。

优选地，固定杆为直径20、25或32mm的钢管。

优选地，每个固定杆上等间距设3个振弦式应力计。

一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的方法，包括：

步骤1，选择固定杆：固定杆通常采用直径20mm、25mm或32mm的空心或实心钢管制作，用于固定振弦式应力计，长度根据天然气管道直径与滑坡体大小确定，通常为4～6米；

步骤2，振弦式应力计与固定杆连接：振弦式应力计用于测量固定杆应力的变化，通常3支振弦式应力一组，等间距采用焊接或螺丝固定于固定杆上；

步骤3，振弦式应力计安装线缆：利用线缆连接固定杆上的振弦式应力计；

步骤4，测定振弦式应力计与土压力的转换系数K；

步骤5，钻孔：利用钻机在固定杆安装位置进行钻孔；

步骤6，安装固定杆：将固定杆安装于钻孔中；

步骤7，安装控制箱：将控制箱安装于滑坡体外安全的位置；

步骤8，振弦式应力计数据采集：利用控制箱对振弦式应力计的数据进行采集；

步骤9，根据步骤4中的转换系数K，将振弦式应力计数据转化为土压力；

其中，转换系数K的计算公式为：

K＝(k+k′)/2

转换系数k的获取方法如下：

取一根等间距设有3个振弦式应力计的固定杆，水平放置于地面上，保证固定杆各部位均与地面接触，3个振弦式应力计朝向天空方向，3个振弦式应力计分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据，将3个500g的砝码分别放置于3个振弦式应力计上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取3个振弦式应力计对应的读数a₁、a₂和a₃：

首先，计算a₁、a₂和a₃直接的互差，即：

d_1,2＝a₁-a₂，d_1,3＝a₁-a₃，d_2,3＝a₂-a₃；

这里，d_1,2表示a₁和a₂的差值，d_1,3表示a₁和a₃的差值，d_2,3表示a₂和a₃的差值，

其次，计算a₁、a₂和a₃的中误差Δ，

对Δ值进行判断，当在|Δ|≤1时，认定测量过程合格；如果|Δ|≥1，需要重新进行测量；

最后，计算3个振弦式应力计对应的转换系数k₁、k₂和k₃分别为：

根据k₁、k₂和k₃，取振弦式应力计对应的土压力转换系数k为：

k＝(k₁+k₂+k₃)/3；

转换系数k′的获取方法如下：

取上述等间距设有3个振弦式应力计的固定杆，水平放置于地面上，保证固定杆各部位均与地面接触，3个振弦式应力计背向天空方向，3个振弦式应力计分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据，将3个500g的砝码分别放置于3个振弦式应力计上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取3个振弦式应力计对应的读数a′₁、a′₂和a′₃：

首先，计算a′₁、a′₂和a′₃直接的互差，即：

d′_1,2＝a′₁-a′₂，d′_1,3＝a′₁-a′₃，d′_2,3＝a′₂-a′₃；

这里，d′_1,2表示a′₁和a′₂的差值，d′_1,3表示a′₁和a′₃的差值，d′_2,3表示a′₂和a′₃的差值，

其次，计算a′₁、a′₂和a′₃的中误差Δ′，

对Δ′值进行判断，当在|Δ′|≤1时，认定测量过程合格；如果|Δ′|≥1，需要重新进行测量；

最后，计算3个振弦式应力计对应的转换系数k′₁、k′₂和k′₃分别为：

根据k′₁、k′₂和k′₃，得到振弦式应力计对应的土压力转换系数k′为：

k′＝(k′₁+k′₂+k′₃)/3。

有益效果：

本发明与现有技术相比，其显著优点是，无需对天然气管道周围进行开挖即可采集管道周围土压力的面实时数据。

附图说明

图1为本发明利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法的组成图；图1表示固定杆和天然气管道的分布图，图中1为天然气管道，2、3、4均为固定杆，固定杆安装于天然气管道的作用力一侧，图中箭头表示滑坡体的作用力方向。

图2为本发明振弦式应力计的安装图；图2为振弦式应力计安装图，图中5表示固定杆，固定杆通常词采用直径20mm、25mm或32mm钢管制作，长度根据天然气管道的直径和周围滑坡体大小确定，通常天然气管道的直径3～4倍。振弦式应力计可直接焊接在固定杆上，也可以用螺丝固定在固定杆上，方向与固定杆长度方向平行。每支固定杆上，等间距安装三支振弦式应力计。图中，6、7、8均表示振弦式应力计，6、7、8要求安装在固定杆5的同一方向侧。

图3为本发明振弦式应力计的连接图；图3为本发明振弦式应力计的连接图，图中，2、3、4表示已经安装振弦式应力计的固定杆，图中9、10、11、12、13、14、15、16、17分别表示振弦式应力计，每支振弦式应力计均采用线缆同控制箱相连，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据。2、3、4实际安装时，要求振弦式应力计的朝向一致，均迎面朝向作用力方向侧。

图4为本发明应力对应的土压力转换系数的测试方法图；图4为本发明应力对应的土压力转换系数的测试方法图，图中18表示固定杆，19、20、21表示振弦式应力计，22、23、24表示砝码，砝码通常选用500克。19、20、21采用焊接方法固定于18上。将18水平放置于土地表面，保证18各部位均与地面接触，19、20、21朝向天空方向。图中，19、20、21分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据。将22、23、24分别放置于19、20、21上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取19、20、21对应的读数a₁、a₂和a₃。

首先，计算a₁、a₂和a₃直接的互差，即：

d_1,2＝a₁-a₂，d_1,3＝a₁-a₃，d_2,3＝a₂-a₃；

这里，d_1,2表示a₁和a₂的差值，d_1,3表示a₁和a₃的差值，d_2,3表示a₂和a₃的差值，

其次，计算a₁、a₂和a₃的中误差Δ，

对Δ值进行判断，当在|Δ|≤1时，可以认定测量过程合格。如果|Δ|≥1，需要重新进行测量。

最后，计算22、23、24对应的转换系数k₁、k₂和k₃分别为：

根据k₁、k₂和k₃，取振弦式应力计对应的土压力转换系数k为：

k＝(k₁+k₂+k₃)/3

计算出转换系数k后，即可以根据振弦式应力计的测量数据直接将其转化为土压力。

图5为本发明应力对应的土压力转换系数的测试方法图；图5为本发明应力对应的土压力转换系数的测试方法图，图中18表示固定杆，19、20、21表示振弦式应力计，22、23、24表示砝码，砝码通常选用500克。19、20、21采用焊接方法固定于18上。将18水平放置于土地表面，保证18各部位均与地面接触，19、20、21背向天空方向。图中，19、20、21分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据。将22、23、24分别放置于19、20、21上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取19、20、21对应的读数a′₁、a′₂和a′₃。

首先，计算a′₁、a′₂和a′₃直接的互差，即：

d′_1,2＝a′₁-a′₂，d′_1,3＝a′₁-a′₃，d′_2,3＝a′₂-a′₃；

这里，d′_1,2表示a′₁和a′₂的差值，d′_1,3表示a′₁和a′₃的差值，d′_2,3表示a′₂和a′₃的差值，

其次，计算a′₁、a′₂和a′₃的中误差Δ′，

对Δ′值进行判断，当在|Δ′|≤1时，可以认定测量过程合格。如果|Δ′|≥1，需要重新进行测量。

最后，计算19、20、21背向天空方向时，22、23、24对应的转换系数k′₁、k′₂和k′₃分别为：

根据k′₁、k′₂和k′₃，得到振弦式应力计对应的土压力转换系数k′为：

k′＝(k′₁+k′₂+k′₃)/3

根据k和k′进一步计算弦式应力计对应的土压力转换系数K为：

K＝(k+k′)/2。

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体介绍本发明实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。

一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置和方法，流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤1，选择固定杆；固定杆通常采用直径20mm、25mm或32mm的空心或实心钢管制作，用于固定振弦式应力计，长度根据天然气管道直径与滑坡体大小确定，长度通常4～6米。

步骤2，振弦式应力计与固定杆连接；振弦式应力计用于测量固定杆应力的变化，通常3支振弦式应力一组，等间距采用焊接或螺丝固定于固定杆上。

步骤3，振弦式应力计安装线缆；利用线缆连接固定杆上的振弦式应力计。

步骤4，测定振弦式应力计与土压力的转换系数K；利用图4和图5中描述的方法，测定振弦式应力计与土压力的转换系数K。

步骤5，钻孔；利用钻机在固定杆安装位置进行钻孔。

步骤6，安装固定杆；将固定杆安装于钻孔中。

步骤7，安装控制箱；将控制箱安装于滑坡体外安全的位置。

步骤8，振弦式应力计数据采集；利用控制箱对振弦式应力计的数据进行采集。

步骤9，转化为土压力；根据步骤4中转换系数K将振弦式应力计数据转化为土压力。

应用实例

本发明于2017年10月，在中石化“川气东送”工程，湖北省恩施州崔家坝镇公龙坝村与水田坝村交界处滑坡监测中进行了实际应用，滑坡面积约0.5km*1.0km。

本项目共采用9支基康BGK-4210型振弦式应力计。选用直径25mm空心钢管作为固定杆，固定杆长4米。每根固定杆上安置三支振弦式应力计，采用螺丝固定方式进行固定。

根据图4所示的方法，分别测量了500g砝码对应的应力计读数为：

a₁＝-28.8，a₂＝-28.6，a₃＝-29.0；

d_1,2＝a₁-a₂＝-0.2，d_1,3＝a₁-a₃＝0.2，d_2,3＝a₂-a₃＝0.4；

此时，|Δ|≤1时，可以认定测量过程合格。

应力计对应的转换系数k₁、k₂和k₃分别为：

因此，k＝(k₁+k₂+k₃)/3＝-0.1736。

根据图5所示的方法，分别测量了500g砝码对应的应力计读数为：

a′₁＝-28.9，a′₂＝-28.6，a′₃＝-29.1；

d′_1,2＝a′₁-a′₂＝-0.3，d′_1,3＝a′₁-a′₃＝0.2，d′_2,3＝a′₂-a′₃＝0.5；

此时，|Δ′|≤1时，可以认定测量过程合格。

应力计对应的转换系数k′₁、k′₂和k′₃分别为：

因此，k′＝(k′₁+k′₂+k′₃)/3＝-0.1732。

根据k和k′进一步计算弦式应力计对应的土压力转换系数K为：

K＝(k+k′)/2＝(-0.1736-0.1732)/2＝-0.1734。

为了验证方法的可行性，将500g砝码置于现场的土压力计上，测得数据为：4.877。

本发明测量结果为：-28.8*(-0.1734)＝4.9939，

-28.6*(-0.1734)＝4.9592，

-29.0*(-0.1734)＝5.0286，

-28.9*(-0.1734)＝5.0112，

-28.6*(-0.1734)＝4.9592，

-29.1*(-0.1734)＝5.0459；

说明本发明简单、使用，效果良好。

上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。

Claims (4)

1.一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的装置，其特征在于：包括固定杆、振弦式应力计、数据传输线和数据采集器；其中，所述固定杆有多个，每个固定杆上等间距设有多个用于测量固定杆应力变化的振弦式应力计；所述振弦式应力计和用于接收振弦式应力计数据信息的数据采集器通过数据传输线连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：固定杆为直径20、25或32mm的钢管。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个固定杆上等间距设3个振弦式应力计。

4.一种利用振弦式应力计测量天然气管道周围土体压力的方法，其特征在于，包括：

步骤1，选择固定杆：固定杆通常采用直径20mm、25mm或32mm的空心或实心钢管制作，用于固定振弦式应力计，长度根据天然气管道直径与滑坡体大小确定，通常为4～6米；

步骤2，振弦式应力计与固定杆连接：振弦式应力计用于测量固定杆应力的变化，通常3支振弦式应力一组，等间距采用焊接或螺丝固定于固定杆上；

步骤3，振弦式应力计安装线缆：利用线缆连接固定杆上的振弦式应力计；

步骤4，测定振弦式应力计与土压力的转换系数K；

步骤5，钻孔：利用钻机在固定杆安装位置进行钻孔；

步骤6，安装固定杆：将固定杆安装于钻孔中；

步骤7，安装控制箱：将控制箱安装于滑坡体外安全的位置；

步骤8，振弦式应力计数据采集：利用控制箱对振弦式应力计的数据进行采集；

步骤9，根据步骤4中的转换系数K，将振弦式应力计数据转化为土压力；

其中，转换系数K的计算公式为：

K＝(k+k′)/2

转换系数k的获取方法如下：

取一根等间距设有3个振弦式应力计的固定杆，水平放置于地面上，保证固定杆各部位均与地面接触，3个振弦式应力计朝向天空方向，3个振弦式应力计分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据，将3个500g的砝码分别放置于3个振弦式应力计上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取3个振弦式应力计对应的读数a₁、a₂和a₃：

首先，计算a₁、a₂和a₃直接的互差，即：

d_1,2＝a₁-a₂，d_1,3＝a₁-a₃，d_2,3＝a₂-a₃；

这里，d_1,2表示a₁和a₂的差值，d_1,3表示a₁和a₃的差值，d_2,3表示a₂和a₃的差值，

其次，计算a₁、a₂和a₃的中误差Δ，

对Δ值进行判断，当在|Δ|≤1时，认定测量过程合格；如果|Δ|≥1，需要重新进行测量；

最后，计算3个振弦式应力计对应的转换系数k₁、k₂和k₃分别为：

根据k₁、k₂和k₃，取振弦式应力计对应的土压力转换系数k为：

k＝(k₁+k₂+k₃)/3；

转换系数k′的获取方法如下：

取上述等间距设有3个振弦式应力计的固定杆，水平放置于地面上，保证固定杆各部位均与地面接触，3个振弦式应力计背向天空方向，3个振弦式应力计分别与控制箱连接，控制箱通过3G/4G/5G同电脑端的控制软件相连，并向控制软件传输数据，将3个500g的砝码分别放置于3个振弦式应力计上，静置10分钟后，从电脑端控制软件分别读取3个振弦式应力计对应的读数a₁′、a₂′和a₃′：

首先，计算a₁′、a₂′和a₃′直接的互差，即：

d₁′,₂＝a₁′-a₂′，d₁′,₃＝a₁′-a₃′，d₂′,₃＝a₂′-a₃′；

这里，d₁′,₂表示a₁′和a₂′的差值，d₁′,₃表示a₁′和a₃′的差值，d₂′,₃表示a₂′和a₃′的差值，

其次，计算a₁′、a₂′和a₃′的中误差Δ′，

对Δ′值进行判断，当在|Δ′|≤1时，认定测量过程合格；如果|Δ′|≥1，需要重新进行测量；

最后，计算3个振弦式应力计对应的转换系数k₁′、k₂′和k₃′分别为：

根据k₁′、k₂′和k₃′，得到振弦式应力计对应的土压力转换系数k′为：

k′＝(k₁′+k₂′+k₃′)/3。