張瑩 杜蕭強(qiáng)

北京天然氣管道有限公司內(nèi)蒙古輸氣管理處

摘要：介紹了陜京管道途經(jīng)區(qū)域特殊的地質(zhì)環(huán)境，以及運(yùn)用無人機(jī)技術(shù)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)在預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害方面發(fā)揮的重要作用。

關(guān)鍵詞：陜京管道；無人機(jī)；地質(zhì)災(zāi)害；監(jiān)測(cè)；預(yù)警

陜京管道總里程5 387公里，途經(jīng)陜西、內(nèi)蒙古、山西、河北、北京、天津4省2市。管道干線包括陜京一線、二線、三線、四線和永唐秦、唐山LNG外輸管線、大唐煤制氣北京段等。

1 管道途經(jīng)地質(zhì)環(huán)境

陜京管道大部分管段處于黃土高原半濕潤(rùn)、半干旱和干旱區(qū)的過渡帶，是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重、土壤侵蝕規(guī)律最復(fù)雜的地區(qū)之一；部分管段穿越黃河徑流，區(qū)域內(nèi)黃河支流交錯(cuò)，溝壑縱橫，地形破碎；年均降雨量為400～776 mm、其中60%～70%集中在6～9 月；土地類型以黃綿土為主，土質(zhì)疏松，易于侵蝕。陜京四線管道途經(jīng)內(nèi)蒙古風(fēng)沙草灘、丘陵溝壑區(qū)域，前者土壤侵蝕嚴(yán)重，土壤沙化，植被覆蓋嚴(yán)重不足；而丘陵溝壑段土薄石厚，保水能力差，土壤侵蝕嚴(yán)重，管道上方?jīng)_溝、塌陷頻繁發(fā)生。

2 無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用

2.1 巡檢方式

無人機(jī)周期性巡檢按照固定頻次、固定飛行高度、固定監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行。針對(duì)管道沿線的地形地貌、地質(zhì)環(huán)境、水土保持工程等目標(biāo)進(jìn)行圖像收集，工作人員通過實(shí)時(shí)查看巡檢圖像信息，監(jiān)測(cè)管道沿線情況。定期開展無人機(jī)巡檢，對(duì)比甄別前一期與本期巡檢記錄，篩選出管道周邊地質(zhì)環(huán)境變化較大點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，制定防控方案，據(jù)此納入秋季水害調(diào)查立項(xiàng)工程統(tǒng)一治理，確保管道周邊各類地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)受控。

2.2 應(yīng)用案例

鄂爾多斯作業(yè)區(qū)管轄陜京四線管道逾370公里，穿越庫布其、毛烏素沙漠段180余公里，途經(jīng)丘陵、溝壑105公里，穿越大型河流、鐵路、公路62處，管道沿線水工640余處，具有沿線地貌差異大、線路長(zhǎng)、巡線難度大等特點(diǎn)。以智能巡檢系統(tǒng)管理平臺(tái)、采用縱橫TX-20和TX-10垂直起降固定翼無人機(jī)對(duì)該段管道進(jìn)行巡檢，累計(jì)飛行時(shí)間8.3小時(shí)，總覆蓋面積97平方公里，處理航拍圖片6 666 張。通過圖像識(shí)別發(fā)現(xiàn)多處隱患，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表 1所示。

2.3 應(yīng)急巡檢

近期因新冠病毒疫情導(dǎo)致部分管道巡檢路線封閉，作業(yè)區(qū)無法開展日常巡護(hù)工作。鄂爾多斯作業(yè)區(qū)啟用大疆御二警用版無人機(jī)實(shí)施巡檢及監(jiān)測(cè)。大疆御二警用版無人機(jī)搭載4 K高清視頻成像與1 200像素可見光傳感器，長(zhǎng)達(dá)30 min超長(zhǎng)續(xù)航能力，7 km連續(xù)高清視頻遠(yuǎn)傳，最大時(shí)速72 km/h，人工遠(yuǎn)程控制、低 空飛行、不同角度近距離拍攝等功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。如遇發(fā)生洪水、地震、山體滑坡等威脅管道安全的緊急情況，可執(zhí)行應(yīng)急巡檢，為應(yīng)急搶險(xiǎn)提供第一手信息，利于做好前期應(yīng)急搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。

3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)概述

管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)利用無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域的管道本體上安裝應(yīng)變計(jì)以及在管道周邊埋設(shè)傳感器（土壓計(jì)、測(cè)斜儀等），監(jiān)測(cè)應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，使管理人員在遠(yuǎn)端及時(shí)掌握管道及周邊情況變化，對(duì)管道實(shí)施監(jiān)測(cè)及預(yù)警。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便；不破壞管道受力、防腐結(jié)構(gòu)；低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠；可根據(jù)需求調(diào)整報(bào)警閾值，可根據(jù)數(shù)據(jù)變化自動(dòng)調(diào)整監(jiān)測(cè)策略。

3.2 報(bào)警閾值設(shè)置

參考中石油企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，三級(jí)預(yù)警閾值設(shè)置原則如下：管體附加應(yīng)力超過允許附加應(yīng)力 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發(fā)布三級(jí)預(yù)警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的60％，發(fā)布二級(jí)預(yù)警；超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的90%，發(fā)布一級(jí)預(yù)警。

如無法提供管道的彈性敷設(shè)應(yīng)力、管道安裝和運(yùn)行時(shí)溫差造成的溫差應(yīng)力、安裝傳感器時(shí)管道原有應(yīng)力，建議二級(jí)預(yù)警增加安全系數(shù)0.9，一級(jí)預(yù)警增加安全系數(shù)0.8，三個(gè)級(jí)別報(bào)警閾值設(shè)置如下：

①超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax 的30％，發(fā)布三級(jí)預(yù)警，標(biāo)為藍(lán)色。此時(shí)管道出現(xiàn)較小變形，需要密切關(guān)注。

②超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的54％，發(fā)布二級(jí)預(yù)警，標(biāo)為黃色。此時(shí)管道出現(xiàn)較大的變形，需要進(jìn)行警示，并且根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步綜合判斷是否需要采取措施。

③超過 [σ ]Tmax或[σ ]Cmax的72%，發(fā)布一級(jí)預(yù)警，標(biāo)為紅色。此時(shí)管道出現(xiàn)嚴(yán)重變形并且極易發(fā)生事故，需要立即采取措施。

以陜京四線管道為例，鋼管外徑1 219 mm,設(shè)計(jì)壓力12 MPa，鋼材材質(zhì)X80，最小屈服強(qiáng)度555 MPa，由表 2管道參數(shù)計(jì)算得出報(bào)警閾值。

3.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

目前陜京管道共安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)100多處，覆蓋陜京一線、二線、三線、四線和大唐煤制氣管線、永唐秦管線等（圖 1）。陜京四線內(nèi)蒙古輸氣管理處已安裝16處，系統(tǒng)運(yùn)行良好。由圖 2烏審旗監(jiān)測(cè)點(diǎn)28個(gè)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，管道所受最大附加應(yīng)力均在60 MPa以下，遠(yuǎn)不及三級(jí)應(yīng)力報(bào)警閾值126 MPa。該監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)期間無地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

2014年11月底至2015年2月初，陜京管道某壓氣站下游的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1a-1330和S1a-1333-7應(yīng)力數(shù)據(jù)變化較大，局部數(shù)據(jù)達(dá)到了三級(jí)報(bào)警閾值，從圖 3可 以明顯看出數(shù)據(jù)成間歇波峰狀，表明管道在特定時(shí)間段受到較大附加應(yīng)力。

通過對(duì)壓氣站的日常運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力變化與壓縮機(jī)組啟機(jī)時(shí)間段重合，壓氣站的出站溫度與燃?jí)簷C(jī)組的出口溫度呈正相關(guān)（圖 4），表明溫度是導(dǎo)致管道附加應(yīng)力上升的主要因素。本次預(yù)警直觀、真實(shí)反映了管道的應(yīng)力狀態(tài)。

4 結(jié)語

利用無人機(jī)技術(shù)、管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可有效監(jiān)控災(zāi)變體的穩(wěn)定狀態(tài)及變化趨勢(shì)。結(jié)合洪水預(yù)警系統(tǒng)提前掌握復(fù)雜、特殊天氣預(yù)警信息，為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害做好防護(hù)措施，做到未雨綢繆。

作者：張瑩， 1987年生，管道保護(hù)工程師。聯(lián)系方式： 15561124591，395137802@qq.com。