一种埋地管道安全状态监测与预警方法与流程

本发明涉及埋地管道监测
技术领域：
，具体涉及一种埋地管道安全状态监测与预警方法。
背景技术：
：埋地管道沿线地质环境错综复杂，自然条件恶劣，管道容易遭受山体滑坡等危险因素的影响，极易造成管道局部变形或应力集中，甚至导致管道断裂，严重威胁管道的安全运行，为防止埋地管道失效事故的发生，需要针对管道安全状态采取长期有效的监测。目前，在油气管道安全状态监测方法中，应用较为广泛的技术手段是管道应力应变监测技术。管道应变监测技术是管道完整性管理的重要技术之一，它能直观、定量地获得埋地管道管体本身的实时应力应变数据，能够及时发现管道变形，还可以指导滑坡灾害的治理过程，评价灾害治理的实际效果，在监测领域具有一定的技术价值。目前，采用应力应变监测技术对埋地管道的安全状态进行监测的主要步骤是：①在敏感地灾点范围(1-2km)内，根据工程经验确定高风险管段的位置；②开挖监测管段安装应变传感器，清除监测管段周围覆土，在监测管段表面每隔一定距离(如5m)安装一组传感器，每组传感器分别安装在管道的0、3和9点钟方向。③回填土方后安装数据采集与通讯设备以及供电系统，数据采集设备对传感器的应变数据进行采集后，利用通讯设备通过无线网络将数据上传到远程监控中心；供电系统持续为数据采集设备与通讯设备提供电量。通过以上所述可知，现有技术中主要存在以下缺陷：1、监测点选择的盲目性。在选择监测点(管段)时，一般根据工程经验确定高风险管段位置，由于缺乏科学有效的识别依据，而无法准确识别管道的当前真实风险状态，可能造成实施监测的管段安全状态良好，而遗漏了存在应力隐患的管段。2、应变计全覆盖安装的高成本。由于无法提前知晓监测管段的应力分布，所以每间隔一定距离需要安装一组应变计，将应变传感器在监测管段上进行全覆盖，增加了安装成本，无法针对应力状态相对严重的管道截面进行监测。3、常规应力应变监测技术的监测数据为管道表面的应变值，只能计算得到管道的应力变化值，而不能确定当前管道的应力总值，因此无法进行应力超限预警。4、单一的应变监测方式无法完全保障管道的安全运行，一旦应变传感器失效，监测系统无法工作，需要重新开挖安装新的应变传感器，维修耗时长，且由于只有单一的应变监测值，难以验证监测数据的正确性。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供一种埋地管道安全状态监测与预警方法，该方法通过非接触式磁力检测技术确定风险管段位置，结合内外荷载作用下埋地管道初始应力状态的有限元模拟计算方法和应力变化监测值，确定管道的实时应力总值，实现应力超限预警，从而保障高风险管段的安全运行；本发明采用下述的技术方案：一种埋地管道安全状态监测与预警方法，包括以下步骤：s1、收集待检测管道基础资料，对资料中处于“ⅱ”级以上高后果区和“中”风险等级以上地质灾害区叠加状态的管道进行非接触式磁应力检测；s2、获取非接触式磁应力检测基准数据，建立消除背景磁场梯度模量值后的磁场梯度模量与管道应力值判别准则，并将管道应力损伤划分为不同的等级；s3、根据非接触式磁检测确定的应力集中管段及步骤s2中确定的应力损伤等级，结合监测管段所在的高后果区和地质灾害风险区等级，按照以下公式评价应力集中管段的综合风险状态：z＝0.5c+0.2g+0.3d(4)式中，c为应力损伤风险得分，无量纲；g为高后果风险得分，无量纲；d为地质灾害风险得分，无量纲；z为综合风险状态值，无量纲；s4、利用有限元分析软件ansys模拟计算内外荷载作用下监测管段的初始应力，利用公式(5)确定管道的应力变化极限阈值，并利用公式(6)计算得到管道的应变极限阈值；δσmax＝0.8σs-σ0(5)式中，δσmax为应力变化极限阈值，mpa；σs为监测管段材质的屈服强度，mpa；σ0为监测管段的初始应力值，mpa；|εmax|为应变极限阈值(绝对值)；e为弹性模量，mpa。s5、对监测管段安装安全状态实时监测系统；s6、根据监测管段的微应变、土体位移、降雨量、土壤含水率参数，建立监测分级预警标准。优选的，步骤s2中，所述获取非接触式磁应力检测基准数据包括以下步骤：s21、选取与待检测管道材质、规格相同的实验管道，并在实验管道上方铺设非铁磁性材料的轨道；s22、在轨道上设置小车并在小车上放置非接触式高精度三维磁应力检测仪，推动小车以0.1m/s以下的速度匀速移动对实验管道进行预检测；s23、沿偏离实验管道中心轴3倍实验管道外径的距离平行于管轴方向检测管周地磁场，检测距离为实验管道长度，取平均值作为背景磁场梯度模量值，消除背景磁场梯度模量值后的磁场梯度模量即为非接触式磁应力检测基准数据。优选的，步骤s2中，磁场梯度模量与管道应力损伤等级指标符合以下关系：式中，a为修正系数，无量纲；gm为管道磁场梯度模量；f为应力损伤等级指标，无量纲；α为正常运行周期系数，无量纲，α＝ln(poper/po)/(td-to)；poper为实际运行压力，mpa；po为设计运行压力，mpa；td为检测时间，a；to为投产时间，a。优选的，根据应力损伤等级指标范围，将应力损伤等级划分为以下等级：0<f≤0.2，应力值为[0.8σs，σs)时，应力损伤等级为ⅰ；0.2<f≤0.6，应力值为[0.4σs，0.8σs)时，应力损伤等级为ⅱ；0.6<f≤1.0，应力值为[0，0.4σs)时，应力损伤等级为ⅲ。优选的，步骤s2中，所述磁场梯度模量的计算公式为：式中，i为磁感应强度的x，y，z方向；bi1为1号传感器i方向的磁感应强度，nt；bi2为2号传感器i方向的磁感应强度，nt；l为探测仪的长度，m。优选的，步骤s3中根据综合风险状态值的范围将综合风险状态等级划分为以下不同等级：0＜z≤2时，综合风险状态等级为一级，低风险；2＜z≤4时，综合风险状态等级为二级，中风险；4＜z≤5时，综合风险状态等级为三级，高风险。优选的，步骤s4中，所述利用有限元分析软件ansys模拟计算内外荷载作用下监测管段的初始应力，包括以下步骤：s41、采集监测管段基础资料，包括监测管段的走向和埋深；测绘监测管段周围山体的高程；管道与山体之间的相对位置关系；管周土体的物理参数；s42、根据采集的资料建立监测管段的物理模型，包括岩土体、管道和管内流体；s43、设置监测管段钢的物理参数，包括管道弹性模量、屈服强度、密度和泊松比等，采用ramberg-osgood模型建立材料应力与应变对应的弹塑性关系；设置土体材料的物理参数，包括土壤弹性模量、密度、泊松比、黏聚力、内摩擦角和膨胀角等，采用mohr-coulomb模型对土体进行模拟分析，符合基于温克乐地基假设的弹塑性地基模型；s44、在管道单元的选择中，采用三维4节点减缩壳单元；由于需要考虑土体的弹塑性变形，所以在土体单元的选择中，采用8节点线性减缩单元。s45、管道模型沿着管道径向方向和轴向方向划分网格；s46、将管道与土体接触方式设置为面-面接触，将管道外表面和土体内表面分别设置为主接触面和从接触面；s47、对模型求解得到监测管段的初始应力值σ0，并对计算结果进行验证。优选的，步骤s5中，所述安装安全状态实时监测系统包括以下步骤：s51、将管段的应力集中区域所在管道截面作为监测截面，安装应变传感器；s52、安装应力应变数据采集、传输系统及其供电系统；s53、在监测管道地面上方安装雨量一体化监测站监测降水量，安装土壤含水率一体化监测站监测土壤水分，安装土体内部位移一体化监测站监测土体深部变形位移。优选的，步骤6中，所述土体位移分级预警阈值分别为：土体深部位移累计变形，水平方向分级预警阈值分别为6mm，9mm，15mm；垂直方向分级预警阈值分别为12mm，18mm，30mm；所述降雨量的分级预警阈值分别为10mm(中雨)、25mm(大雨)、50mm(暴雨)；所述土壤含水率分级预警阈值分别为60％rh、80％rh和100％rh；所述微应变的分级预警阈值分别为0.6|εmax|、0.8|εmax|和|εmax|。本发明的有益效果是：1、本发明基于非接触式磁应力检测技术识别应力损伤管段位置，然后根据综合风险状态评价标准评估应力损伤管段的综合风险状态，从而确定需要监测的高风险管段，科学有效地选择监测管段位置，使得监测能够更加切实有效地保障管道安全。2、本发明通过对开挖后的监测管段进行金属磁记忆检测，检测出应力集中程度较大的管道截面安装应变传感器，将最易发生失效的管道截面优先进行监测，监测数据能够准确反映监测管段的应力危险程度。3、本发明结合有限元分析方法，模拟计算内外荷载作用下监测管段的应力分布状态，确定监测管段的初始应力值，然后计算得到应力变化极限阈值，为高风险管段应力超限预警值的设置提供了科学依据。4、本发明对高风险管道进行多方位监测(土体深部位移、降雨量、土壤含水率和管道应力应变)，全方位获取管道的风险状态信息，持续保障高风险管段的安全运行(一种监测方式失效，其它监测手段仍然保持对高风险管段的监控)；同时基于土体深部位移、降雨量、土壤含水率与管道应力应变之间的正相关关系，可以验证管道应力应变监测数据的正确性。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。图1为本发明获取非接触式磁应力检测基准数据试验示意图；图2为本发明基础数据采集管道梯度模量信号示意图；图3为本发明埋地监测管道物理模型结构示意图；图4为本发明监测管道应力集中区域金属磁记忆信号特征示意图；图5为本发明应变传感器安装结构示意图；图中所示1—实验管道，2—试验槽，3—轨道，4—地面，5—非接触式三维高精度磁力检测仪，6—小车，7—监测管道，8—岩土体,9—应变传感器；具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1至图5所示，一种埋地管道安全状态监测与预警方法，包括以下步骤：s1、收集待检测管道基础资料，包括高后果区管道的起点位置和终点位置(测试桩号+里程)，长度，高后果区等级、类型，管道风险等级和管道周边描述信息，对资料中处于“ⅱ”级以上高后果区和“中”风险等级以上地质灾害区叠加状态的管道进行非接触式磁应力检测；所述风险等级分为低，较低，中，较高，高五个等级，所述高后果区分为ⅰ级，ⅱ级，ⅲ级三个等级。s2、获取非接触式磁应力检测基准数据，建立消除背景磁场梯度模量值后的磁场梯度模量与管道应力值判别准则，并将管道应力损伤划分为不同的等级；非接触式磁应力检测基准数据的获取包括以下步骤：s21、如图1所示，选取与待检测管道材质、规格相同的实验管道放入试验槽内进行预检测，确定磁场梯度模量与管道应力值的定量关系，所述实验管道长度为9m，为保证检测数据的稳定性，在试验槽上方铺设非铁磁性材料的轨道；s22、在轨道上设置小车并在小车上放置非接触式高精度三维磁应力检测计，推动小车以0.1m/s以下的速度匀速移动，使高精度扫描磁力计平稳地从管道上方通过对实验管道进行预检测；试验过程中，由于管道端头效应造成的信号启停处的突变，在数据处理时将端头效应的信号进行屏蔽；若管道自漏磁场信号较微弱，将电流发射机接入管道，增大管道的磁场信号。测量结果为磁感应强度三分量沿垂直于管道轴向的梯度计算得到损伤程度的度量值，即梯度模量gm：式中，i为磁感应强度的x，y，z方向；bi1为1号传感器i方向的磁感应强度，nt；bi2为2号传感器i方向的磁感应强度，nt；l为探测仪的长度，m。s23、沿偏离实验管道中心轴3倍实验管道外径的距离平行于管轴方向检测管周地磁场，检测距离为实验管道长度，取平均值作为背景磁场梯度模量值，消除背景磁场梯度模量值后的磁场梯度模量即为非接触式磁应力检测基准数据。建立应力-磁场梯度模量判别准则：如图2所示，选取预检测管段处理后的梯度模量检测图谱中处于最大峰值、最小峰值和中间峰值的管道径向截面作为取样点进行x射线衍射检测，测定管道表面的残余应力值，由于非接触式扫描磁力计采集的是管道截面磁信号，无法分辨时钟方位，因此取测试点数据的平均值为管道截面的应力值。通过如下公式建立评价标准：式中，a为修正系数，无量纲；gm为管道磁场梯度模量；f为应力损伤等级指标，无量纲；α为正常运行周期系数，无量纲，α＝ln(poper/po)/(td-to)；poper为实际运行压力，mpa；po为设计运行压力，mpa；td为检测时间，a；to为投产时间，a。如表1所示，根据取样点应力值所在的应力损伤等级，使得多个取样点计算出的应力损伤等级指标f值处于对应的等级范围内，从而确定修正系数a的数值大小。应力损伤等级f值安全状况ⅰ0<f≤0.2高应力风险ⅱ0.2<f≤0.6中等应力风险ⅲ0.6<f≤1.0低应力风险表1管道应力损伤等级划分表s3、利用rd8000探管仪对目标管道进行全线非接触式磁应力检测，采集管道磁场数据，根据非接触式磁检测确定的应力集中管段及步骤s2中确定的应力损伤等级，结合其所在的高后果区和地质灾害风险区等级，按照以下公式评价应力集中管段的综合风险状态：z＝0.5c+0.2g+0.3d(4)结合公式4，按照表2中的评分项、评分权重和评分细则进行打分，分别计算应力损伤风险得分c、高后果风险得分g、地质灾害风险得分d，确定综合风险状态值z。如表3所示，按照综合风险状态等级表划分表分级后，选择综合风险状态等级较大的管段进行多方位监测。表2综合风险状态评分表z值范围综合风险状态等级风险控制措施(0，2]一级，低风险不采取措施(2，4]二级，中风险重点巡检或简易监测(4，5]三级，高风险优先实施监测表3综合风险状态等级划分标准s4、利用有限元分析软件ansys模拟计算内外荷载作用下监测管段的初始应力，包括以下步骤：s41、采集监测管段基础资料，包括监测管段的走向和埋深；测绘监测管段周围山体的高程；管道与山体之间的相对位置关系；管周土体的物理参数；s42、建立监测管段的物理模型：根据采集的资料建立监测管段的物理模型，包括岩土体、管道和管内流体；如图3所示，不考虑管与管之间的焊缝连接，各组成管件直接相连。s43、材料属性设置：设置监测管段钢(管壁材质)的物理参数，包括管道弹性模量、屈服强度、密度和泊松比等，采用ramberg-osgood模型建立材料应力与应变对应的弹塑性关系；设置土体材料的物理参数，包括土壤弹性模量、密度、泊松比、黏聚力、内摩擦角和膨胀角等，采用mohr-coulomb模型对土体进行模拟分析，符合基于温克乐地基假设的弹塑性地基模型；s44、监测管道单元选择：在管道单元的选择中，采用三维4节点减缩壳单元；由于需要考虑土体的弹塑性变形，所以在土体单元的选择中，采用8节点线性减缩单元。s45、网格划分：设置山体网格尺寸为5m，管土接触部分进行局部加密处理。管道模型沿着管道径向方向和轴向方向划分网格，管道径向方向划分24个单元，管道轴线方向每隔dl＝0.3d划分单元(d为监测管道外径)，使用扫掠划分管道。s46、管土相互作用设置：将管道与土体接触方式设置为面-面接触，将管道外表面和土体内表面分别设置为主接触面和从接触面；由于管道和地基变形不一致，法向接触设置为“硬接触”，管土接触后允许分离，切向接触由于土体对管道的摩擦作用，采用罚函数定义，设置为库仑摩擦，管土接触后发生相对滑动。s47、模型求解：管道两端设置为固定约束；山体坡面设置为自由边界，底部固定，四周施加法向约束。对管道施加内外载荷，管道受到的内外载荷包括管内流体引起的内压、管道自身重力、管外土壤压力，求解得到监测管段的初始应力值σ0。s48、对计算结果进行验证：细化网格单元尺寸对模型进行加密，对比模拟结果的误差，当两次模拟计算结果的误差小于预先设定值时，取单元网格尺寸较小的计算模型作为最终模拟结果。s49、应变极限阈值设置：利用公式(5)确定管道的应力变化极限阈值，并利用公式(6)计算得到管道的应变极限阈值；δσmax＝0.8σs-σ0(5)式中，δσmax为应力变化极限阈值，mpa；σs为监测管段材质的屈服强度，mpa；σ0为监测管段的初始应力值，mpa；|εmax|为应变极限阈值(绝对值)；e为弹性模量，mpa。s5、对监测管段安装安全状态实时监测系统；将开挖管段的应力集中区域所在管道截面作为监测截面，安装应变传感器。应力集中区域的特征图谱如图4所示，法向分量达到最大值，切向分量出现“正弦式”波动；如图5所示，在监测截面4个时钟方位(12、3、6、9点钟方向)分别粘贴2个应变传感器，一备一用，安装完成后接入数据采集系统并供电，在监测管道地面上方安装雨量一体化监测站监测降水量，安装土壤含水率一体化监测站监测土壤水分，安装土体内部位移一体化监测站监测土体深部变形位移(现有技术不再赘述)。s6、根据监测管段的微应变、土体位移、降雨量、土壤含水率参数，建立监测分级预警标准。所述土体位移分级预警阈值分别为：土体深部位移累计变形，水平方向分级预警阈值分别为6mm，9mm，15mm；垂直方向分级预警阈值分别为12mm，18mm，30mm；根据国家气象局颁布的强度等级划分标准，所述降雨量的分级预警阈值分别为10mm(中雨)、25mm(大雨)、50mm(暴雨)；所述土壤含水率分级预警阈值分别为60％rh、80％rh和100％rh；所述微应变的分级预警阈值分别为0.6|εmax|、0.8|εmax|和|εmax|。综上，建立如表4所示的综合监测分级预警标准表：以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页12