CN113898823B - 一种用于x80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油化工和天然气领域，具体地，涉及一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法；保护装置包括X80埋地管道、保护管道、端锥管道、法兰结构、位移传感器、气压传感器、气动增压泵、储气罐、进气管、出气管、信号传输及接受装置、微型控制器、电磁阀。在X80埋地管道穿越地震断裂带时，断层位移会导致X80埋地管道发生屈曲变形甚至破坏。本发明可确定X80埋地管道受断层位移影响的区域，在此区域加设保护管道，保护管道间空腔中充入氮气，并可根据X80埋地管道应变的大小调节管间气压以对埋地管道进行保护。本发明可以有效减轻断层位移对X80埋地管道造成的影响，阻止管道应变进一步增大，并在管道危险的情况下及时发出警告。

Description

一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法
技术领域
本发明属于石油化工和天然气领域，具体地，涉及一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法。
背景技术
长输埋地管道所跨地域广泛，其沿线复杂的地质环境往往使得管道不可避免的会遭受地震、断层运动、滑坡、软土湿陷、地质构造性上升或下降、砂土液化等各种地质灾害的威胁(也称之为永久地面变形PGD)，其中地震断裂带的断层位移是造成管道失效的主要原因。
断层位移会使得土体在很小的范围内产生较大的相对位移，导致与断层相交的埋地管道产生大的轴向应变和弯曲应变，进而发生屈曲或者破裂，严重威胁人民的生命财产安全和环境安全，所以有必要对穿越地震断裂带的埋地管道进行保护。
近年来，随着管道性能的不断提高，管道逐渐向高强度、大口径、薄壁厚方向发展，X80钢管就是其中的典型代表。目前针对X80埋地管道穿越地震断裂带时受到断层位移作用而发生屈曲甚至破裂的这一情况进行保护的装置还很少，而且无法确定保护装置的位置及长度。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法，本发明能够有效地减轻断层位移对X80埋地管道造成的影响，阻止管道应变的进一步增大，并可以在危险情况下及时发出警告。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：包括管道系统、储气装置系统、简易传感控制系统、法兰结构、环形挡板、密封圈；管道部分包括X80埋地管道、保护管道、端锥管道，X80埋地管道受断层位移影响的区域通过端锥管道与保护管道相连。储气装置系统包括储气罐、进气管、出气管、以及保护管道内的空腔，保护管道内的空腔与储气罐通过进、出气管相连。简易传感控制系统包括电磁阀、气动增压泵、微型控制器、信号传输及接受装置、位移传感器、气压传感器，电磁阀位于进、出气管与储气罐相连的位置，控制气体的进出；气动增压泵上方与储气罐相连，左右两侧分别与进出气管相连；微型控制器与信号传输及接受装置分别与气动增压泵通过导线相连；位移传感器均匀布置在X80埋地管的径向，气压传感器布置在保护管道内。
优选的，X80埋地管道与保护管道间采用橡胶密封圈保证保护管道的气密性。
优选的，进气管、出气管均为X80管线钢材。
优选的，采用有限元软件确定断层位移作用下，X80埋地管道破坏时的应变最大处，在此处沿埋地管道环向均匀布置12个位移感应器。
优选的，信号传输及接收装置能够接受来自X80管道上位移传感器的应变信号，以及保护管道内气压传感器的气压信号。
优选的，用下述公式确定断层位移影响的管道区域，以及保护管道的加设位置及长度：
式中：L为“断层位移对X80埋地管道的影响区域”，m；k为无量纲化参数，k＝1m-1；δ为断层位移，m；ψ为断层倾角，°；D为管道直径，m；t为管道壁厚，m；h为管道埋深，m；P为管道内压，MPa；σs为管材屈服强度，MPa。
优选的，用下述公式确定保护管间实时压力：
式中：εt为管道拉应变；为管道的临界拉应变，取2％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以确定断层位移作用对X80埋地管道的影响范围，确定保护管道的加设位置及长度。X80埋地管道与保护管道之间有进气口和出气口，外接储气罐、气动增压泵、微型控制器、信号传输及接受装置、电磁阀，管道间气压大小可根据需要进行调整，无断层位移作用时，管间气压保持较低水平；有断层位移作用时，增大管间气压起到保护作用，并确定了应变与气压的关系，根据管道的应变情况对管间气压进行准确调整。预先确定X80埋地管道的应变最大值，当X80埋地管道应变达到此限值时，即发出警告。
附图说明
图1为一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置示意图
图2为保护装置的1-1截面剖面图
图3为保护装置管道部分三维结构示意图
图中：1、X80埋地管道；2、保护管道；3、端锥管道；4、法兰结构；5、环形挡板；6、密封圈；7、位移传感器；8、气压传感器；9、氮气；10、套箍；11、锁紧螺栓；12、储气罐；13、气动增压泵；14、进气管；15、出气管；16、电磁阀；17、微型控制器；18、信号传输及接受装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。
请参阅图1、图2所示，一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置包括：管道部分、储气装置部分以及简易传感控制系统部分。
管道部分包括X80埋地管道1以及外套的保护管道2，两者通过一段端锥管道3连接在一起；保护管道2与端锥管道3的结合部位通过法兰结构4连接；使用套箍10以及锁紧螺栓11将端锥管道3固定在X80埋地管道1上，如此将三种管道连接为一个整体。
在X80埋地管道1受断层位移作用影响下产生最大应变位置的外表面沿环向均匀布置12个位移传感器7，用于监控X80埋地管道1应变情况；在X80埋地管道1与保护管道2之间的空腔段，充入氮气9，保持一定气压，并布置一个气压传感器8，该气压传感器的型号可为BA5803，用于随时监控X80埋地管道1和保护管道2之间腔体内的气压大小；在X80埋地管道1与保护管道2之间加设环形挡板5用于阻止X80埋地管道1与保护管道2的接触；加设密封圈6，防止氮气泄漏，使腔体内气压保持稳定。
储气装置部分包括储气罐12用于储存氮气9，外接气动增压泵13，该气动增压泵的型号可为STA100，通过进气管14、出气管15连接到保护管间腔体，可以根据需要充入或排出氮气9以加大或减小管间腔体内气压。进气管14、出气管15均安装有电磁阀16，可随时开启或关闭输气管。
简易传感控制系统部分主要包括微型控制器17和信号传输及接收装置18。信号传输及接收装置18与位移传感器7、气压传感器8相连，可以随时记录管间腔体内气压大小及X80埋地管道位移应变，并发送给X80埋地管道监控人员。微型控制器17连接储气罐12、气动增压泵13和电磁阀16，当需要调整管间腔体内气压时，监控人员将命令信号发送到信号传输及接收装置18，通过微型控制器17控制储气罐12、电磁阀16的打开以及气动增压泵13的启动，气压调整完毕后，即将其关闭。
用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置的保护原理如下：
首先通过有限元模拟得到了断层位移对X80埋地管道的影响区域，在此区域内加设保护装置，并且确定了管道应变与管间气压的关系。
保护装置在X80埋地管道1受断层位移影响的区域外部加设保护管道2，二者用端锥管道3连接，其中保护管空腔内充入氮气9，使保护管道间腔体内保持一定的气压。管道受断层位移影响后，保护管道2和管间气压的存在最先对X80埋地管道起到保护作用，断层位移的作用首先使保护管道2产生变形，当断层位移作用影响到X80埋地管道1后，X80埋地管道1开始出现应变，信号传输及接收装置18将位移传感器7测量到的X80埋地管道1的应变情况发送给管道监控人员，监控人员发出命令到信号传输及接收装置18(或者通过编程实现自动加压)，通过微型控制器17打开储气罐12、进气管14的电磁阀16，启动气动增压泵13充入氮气增大保护管道间的气压，阻止管道应变进一步增大；当气压传感器8测量到管间气压达到预定值后，即停止加压；若断层位移较大，位移传感器7测得X80埋地管道1应变达到管道极限应变值时，即认为X80埋地管道1破坏，通过信号传输及接收装置18向控制中心发出报警，提醒工作人员进行维修及更换管道。
断层位移对X80埋地管道的影响区域确定方法为：
利用有限元软件模拟，通过数值回归拟合，得到了断层位移对X80埋地管道的影响区域的回归拟合公式。
式中：L为“断层位移对X80埋地管道的影响区域”，m；k为无量纲化参数，k＝1m-1；δ为断层位移，m；ψ为断层倾角，°；D为管道直径，m；t为管道壁厚，m；h为管道埋深，m；P为管道内压，MPa；σs为管材屈服强度，MPa。
X80埋地管道应变与管间气压关系式确定方法为：
保护管间的实时压力公式为
式中：εt为管道拉应变；为管道的临界拉应变，取2％。
结合以上对于本发明的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置及方法具有以下优点：可以确定断层位移对于X80埋地管道的影响区域；可以根据X80埋地管道应变大小调节管间气压以对埋地管道进行保护；可以有效减轻断层位移对X80埋地管道造成的影响，阻止管道应变进一步增大，并可以在危险情况下及时发出警告。

Claims (5)

1.一种用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：包括管道系统、储气装置系统、简易传感控制系统、法兰结构、环形挡板、密封圈；
所述管道系统包括X80埋地管道、保护管道、端锥管道，保护管道位于X80埋地管道外侧，保护管道的两端通过法兰结构与端锥管道连接，端锥管道通过套箍以及锁紧螺栓固定在X80埋地管道上，如此将三种管道连接为一个整体；
储气装置系统包括储气罐、进气管、出气管、以及保护管道内的空腔，保护管道内的空腔分别通过进气管、出气管与储气罐相连；
简易传感控制系统包括电磁阀、气动增压泵、微型控制器、信号传输及接收装置、位移传感器、气压传感器，电磁阀位于进气管、出气管与储气罐相连的位置，控制气体的进出；气动增压泵上方与储气罐相连，左右两侧分别与进气管、出气管相连；微型控制器与信号传输及接收装置分别与气动增压泵通过导线相连；位移传感器均匀布置在X80埋地管道的环向，气压传感器布置在保护管道内，位移传感器和气压传感器分别通过导线与信号传输及接收装置连接；
用以下公式确定X80埋地管道受断层位移影响的长度，同时确定了保护管道的加设位置及长度；
式中：L为“断层位移对X80埋地管道的影响区域”，m；
k为无量纲化参数，k＝1m-1；
δ为断层位移，m；
ψ为断层倾角，°；
D为管道直径，m；
t为管道壁厚，m；
h为管道埋深，m；
P为管道内压，MPa；
σs为管材屈服强度，MPa；
保护管间实时压力公式为：
式中：εt为X80埋地管道的拉应变；为X80埋地管道的临界拉应变，取2％。
2.根据权利要求1所述的用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：所述X80埋地管道与保护管道中间环空，通过端锥管道进行连接，X80埋地管道与保护管道间采用橡胶密封圈保证保护管道的气密性。
3.根据权利要求1所述的用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：所述进气管、出气管均为X80管线钢材。
4.根据权利要求1-3任一项所述的用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：采用有限元软件确定断层位移作用下，X80埋地管道破坏时的应变最大处，在此处沿埋地管道环向均匀布置12个位移感应器。
5.根据权利要求1所述的用于X80埋地管道穿越地震断裂带的保护装置，其特征在于：所述信号传输及接收装置能够接收位移传感器的应变信号，以及气压传感器的气压信号。
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