儲氣庫間斷調(diào)峰作業(yè)會引起管道工作壓力、流速、管體溫度等參數(shù)的變化，而在閥門、變徑、入地彎頭、支座等部位引起復(fù)雜應(yīng)力承載。長時間運(yùn)行管道受壓力波動、地基沉降等內(nèi)外因素作用與振動的疊加影響，其局部管線承載情況尤為復(fù)雜，而影響儲氣庫安全運(yùn)行。 

目前儲氣庫應(yīng)力研究多關(guān)注于地下儲層應(yīng)力敏感性，對管線應(yīng)力的研究較少。特別是沉降、振動協(xié)同作用對管線應(yīng)力分布的影響仍不明確，獲取現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)力數(shù)據(jù)的變化規(guī)律對于安全評估具有重要意義[1-3]。近年油氣儲運(yùn)設(shè)施多在特定工藝窗口、時間段對重點(diǎn)關(guān)注位置進(jìn)行應(yīng)力檢測，對承載動載管線的長期應(yīng)力變化跟蹤不及時、不連續(xù)[4-8]。 

某含硫氣藏型儲氣庫，地面注采集輸工藝采用 “注采井口雙向計(jì)量，水平井兩級降壓，直井高壓集氣，開工注醇，加熱節(jié)流，三甘醇脫水 ”的主體工藝技術(shù)；管線易腐蝕，進(jìn)口壓力低于設(shè)計(jì)值，部分管線會發(fā)生局部劇烈振動現(xiàn)象。 

文章基于應(yīng)變法的動態(tài)應(yīng)力監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)、建立了一套儲氣庫管線在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，基于該含硫氣藏型儲氣庫場站管線應(yīng)力、振動檢測的大量前期數(shù)據(jù)，選取重點(diǎn)位置，開展應(yīng)力長期監(jiān)測，對壓縮機(jī)切換、地層波動等多種條件下的應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測、分析，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。文章研究結(jié)果為壓縮機(jī)維護(hù)、儲氣庫安全運(yùn)行提供了技術(shù)支撐，為油氣管線運(yùn)行、評估提供了一種有效的輔助方法。 

1.   某儲氣庫工作特點(diǎn)

某儲氣庫是我國低滲、含硫氣藏型儲氣庫，采出氣含H2S、CO2等酸性氣體，該庫儲氣約3.7×109 m3，調(diào)峰期每天可最大供氣4×106 m3，具備季節(jié)調(diào)峰和應(yīng)急儲備雙重功能。根據(jù)規(guī)范SY/T 0599《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》的規(guī)定，計(jì)算H2S分壓，確定管線輸送原料天然氣屬于SSC3級，管線材料選取L360鋼級S類(高質(zhì)量等級)，其彈性模量為260 GPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度約為530 MPa。考慮到管線輸送原料氣和儲氣庫管線要求、設(shè)計(jì)使用年限，此儲氣庫的管線鋼采用QS等級（對原材料進(jìn)行正火＋回火熱處理），采氣系統(tǒng)全部采用抗硫材料管材，確保儲氣庫安全平穩(wěn)運(yùn)行。 

目前，此儲氣庫工作特征表現(xiàn)為：進(jìn)口壓力值低于設(shè)計(jì)值、3臺壓縮機(jī)組振動狀態(tài)有差異、除油器局部管線振動較大、廊架管線短時振動大。其運(yùn)營狀態(tài)有以下需求。 

（1）注采井場內(nèi)管道和雙向輸氣管道均屬注采同管，管道在強(qiáng)注強(qiáng)采的同時將長期承受交變應(yīng)力，需要開展抗硫管材在交變應(yīng)力影響下的狀態(tài)監(jiān)測。 

（2）調(diào)峰、采注轉(zhuǎn)換、多機(jī)組切換等工藝模式下的壓縮機(jī)和管線振動、應(yīng)力特征需要盡快摸清，振動特征與應(yīng)力波動復(fù)合作用需要進(jìn)一步研究。 

因此，需要開展長時間連續(xù)應(yīng)力監(jiān)測的試驗(yàn)研究。 

2.   儲氣庫管線在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

2.1   應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

采用的分布式在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)具有輕便小巧、通訊可靠、傳輸距離遠(yuǎn)，測試精度高、噪聲低、漂移小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可維護(hù)性高等特點(diǎn)，適用于工程測試領(lǐng)域的長期在線監(jiān)測，可用于油氣管線、橋梁建筑、軌道交通等的狀態(tài)監(jiān)測，滿足惡劣環(huán)境下應(yīng)變、應(yīng)力、位移、振動等物理量的監(jiān)測。 

應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)由前端傳感器、采集器、控制器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，每個采集器支持4路信號輸入，各個采集器之間、采集器與控制器均采用RS485總線通訊，每臺控制器支持4路總線信號輸入，每一路總線最多支持8個采集器（滿通道128通道），采集器最大 同步采樣頻率為100 Hz，支持控制器之間同步擴(kuò)展。數(shù)據(jù)通過數(shù)采設(shè)備和通訊模塊發(fā)送至主機(jī)。監(jiān)測軟件部署在主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析、存儲、展示。傳感器安裝在指定點(diǎn)位，信號線連接數(shù)采模塊，數(shù)采模塊內(nèi)置通信模塊接入站內(nèi)局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)通過光纜發(fā)送至監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的在線采集，以及分析、存儲、展示。 

2.2   現(xiàn)場安裝、傳感器及防爆設(shè)計(jì)

為滿足此項(xiàng)目的多點(diǎn)應(yīng)力檢測要求，開發(fā)了一致性高的金屬應(yīng)變計(jì)，每個傳感器進(jìn)行了延長接線的校準(zhǔn)試驗(yàn)；對部分高溫測點(diǎn)，進(jìn)行了溫度補(bǔ)償校準(zhǔn)試驗(yàn)。對多種黏合劑進(jìn)行了優(yōu)選試驗(yàn)，優(yōu)選滿足大氣暴露、風(fēng)沙打擊、高溫管線、長時連續(xù)耦合要求的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)態(tài)黏合劑，保障傳感器的高質(zhì)量信號狀態(tài)。開發(fā)了多通道及通道編組技術(shù)，遠(yuǎn)程應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)可并行進(jìn)行多個點(diǎn)位的應(yīng)力在線測量，也可進(jìn)行任意點(diǎn)位信號的編組、切換。系統(tǒng)可進(jìn)行兩種跟蹤測量，一種是連續(xù)測量，即在監(jiān)測過程中連續(xù)監(jiān)控管體動態(tài)應(yīng)力變化；另外一種為間隔測量，即在固定時間段內(nèi)，對指定觀察點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行靜態(tài)測量，跟蹤水壓試驗(yàn)對管體殘余應(yīng)力的釋放效果。 

所有電源線、數(shù)據(jù)線采用金屬套管防護(hù)，埋入地下；主機(jī)箱為防爆配電柜，設(shè)防水外殼，防護(hù)等級為IP65，機(jī)殼、信號、電源均接地處理。爆炸危險區(qū)域內(nèi)安裝的電動儀表、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等電氣設(shè)備均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。儲氣庫管線在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)點(diǎn)位的布局如圖2所示，應(yīng)力監(jiān)測現(xiàn)場如圖3所示，傳感器實(shí)物如圖4所示。 

圖  1  儲氣庫管線在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖  2  應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的點(diǎn)位布局示意

圖  3  應(yīng)力監(jiān)測現(xiàn)場

圖  4  傳感器實(shí)物

2.3   系統(tǒng)報警設(shè)置

系統(tǒng)可定義測點(diǎn)，包括測點(diǎn)基本信息，可設(shè)置采集、傳感器參數(shù)。系統(tǒng)可通過視圖觀測實(shí)時圖譜，與典型異常圖譜特征對比，結(jié)合預(yù)設(shè)判據(jù)，判斷監(jiān)測點(diǎn)位狀態(tài)是否正常。如果觸發(fā)報警閾值，則會顯示報警級別。 

3.   監(jiān)測點(diǎn)位確定

針對該儲氣庫的運(yùn)行狀態(tài)，某年度分別采用壓電振動法、超聲法、應(yīng)變法采集設(shè)備進(jìn)行振動、應(yīng)力檢測。振動檢測采用三向IEPE（集成電路型壓電式）加速度傳感器，采集實(shí)時加速度數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)曲線，再進(jìn)行積分計(jì)算輸出振動數(shù)據(jù)均方根速度值（Root Mean Square）。應(yīng)力檢測設(shè)備采用URS-XSM04型超聲波法應(yīng)力檢測儀，先后完成主壓縮機(jī)21處、除油器附屬管線7處、北部廊架管線22處振動測點(diǎn)的檢測；主壓縮機(jī)出口、除油器管線、廊架彎頭11處管環(huán)應(yīng)力檢測；小計(jì)應(yīng)力檢測120點(diǎn)，振動檢測240點(diǎn)。涵蓋調(diào)峰工藝轉(zhuǎn)換、多機(jī)組切換、采注轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵窗口壓縮機(jī)及管線關(guān)鍵位置的振動、應(yīng)力檢測，基于以上數(shù)據(jù)，對場站重點(diǎn)關(guān)心區(qū)域進(jìn)行了識別、選取，檢測現(xiàn)場及儲氣庫振動、應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)如圖5所示。例如，從超聲波法管線應(yīng)力檢測結(jié)果中觀察到，測點(diǎn)編號“2-2# ”處（即除油器水平直管處），最低應(yīng)力值與最大應(yīng)力值比值約0.461 5。 

圖  5  檢測現(xiàn)場及儲氣庫振動、應(yīng)力檢測結(jié)果

依據(jù)某年度4月、5月、9月三次工藝窗口壓縮機(jī)及其輔助管線、廊架管線幾十處點(diǎn)位的振動、應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)，確定長期監(jiān)測點(diǎn)位(見表1)，主要有以下3處。 

（1）壓縮機(jī)一級出口高溫管線（斜管處）測點(diǎn)：此處臨近壓縮機(jī)出口，管線表面溫度約70 ℃。 

（2）轉(zhuǎn)角測點(diǎn)（彎頭處），橫梁測點(diǎn)（僅1#壓縮機(jī)）：管內(nèi)流體在彎頭處流向會發(fā)生改變，可能導(dǎo)致彎頭處氣流壓力發(fā)生周期性變化而引發(fā)裂紋損傷。 

（3）除油器水平直管段處測點(diǎn)：前期檢測時發(fā)現(xiàn)此處管環(huán)的腰線3、9點(diǎn)鐘處應(yīng)力值大、振動大。 

（4）北部廊架出地面處1處：地下管線出地面，管線拘束度發(fā)生變化處。 

4.   監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

所提方法基于彈性應(yīng)變原理，監(jiān)測值為測點(diǎn)應(yīng)力變動值。對典型工藝窗口應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括波動、機(jī)組切換、測點(diǎn)比較、壓縮機(jī)差異分析。 

4.1   壓縮機(jī)運(yùn)行（間錯開機(jī)）

應(yīng)力數(shù)據(jù)開始采集時，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)為：1#、3#壓縮機(jī)開機(jī)，2#壓縮機(jī)停機(jī)；三臺壓縮機(jī)之間為串連接；進(jìn)口壓力約4.42 MPa，出口壓力約17.4 MPa。由于未在壓縮機(jī)機(jī)組啟動前開機(jī)監(jiān)測，零應(yīng)力狀態(tài)未捕捉到。對一周數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開始時刻為某年3月26日上午11時28分，截止時間168 h后，分析管線受力特征。采樣頻率為/次·S–1；數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果即應(yīng)力監(jiān)測單周分析（3月26日-4月2日）結(jié)果如圖6所示。 

圖  6  應(yīng)力監(jiān)測單周分析結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果可以得到以下結(jié)論。 

（1）運(yùn)行壓縮機(jī)組管線服役應(yīng)力特征 

3#壓縮機(jī)測點(diǎn)比1#壓縮機(jī)的穩(wěn)定。出口斜管處測點(diǎn)，應(yīng)力波動范圍為-5 MPa~+5 MPa；1#壓縮機(jī)部分時間段接近或超過10 MPa；其中測點(diǎn)“AI-3-01#”穩(wěn)定性好于測點(diǎn)“AI-1-01#”的，如圖6（a）所示。

彎頭處測點(diǎn)，1#機(jī)組彎頭處應(yīng)力大于3#機(jī)組的。3#壓縮機(jī)應(yīng)力波動范圍為-2.5 MPa~+5 MPa；1#壓縮機(jī)應(yīng)力波動范圍為0 MPa~15 MPa；其中測點(diǎn)“AI-3-02# ”穩(wěn)定性明顯好于測點(diǎn)“AI-1-02# ”的，如圖6（b）所示。 

除油器水平直管處測點(diǎn)，3#壓縮機(jī)應(yīng)力波動范圍為-10 MPa~+20 MPa；1#壓縮機(jī)應(yīng)力波動范圍為+20 MPa~+50 MPa；半振動幅度約15 MPa，如圖6（c）所示。 

北部廊架下出地面處管線測點(diǎn)，應(yīng)力振蕩范圍為-10 MPa~+40 MPa，此處曲線波動趨勢和除油器水平直管測點(diǎn)處趨勢相同，如圖6（d）所示。 

（2） 2#停機(jī)壓縮機(jī)管線服役應(yīng)力分析 

停機(jī)壓縮機(jī)管線服役應(yīng)力呈周期疲勞承載特征，波動幅值范圍不低于開機(jī)壓縮機(jī)管線的。隨井口壓力波動，2#壓縮機(jī)的監(jiān)控測點(diǎn)振蕩范圍為-20 MPa~+20 MPa；監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力幅值、變化速率（應(yīng)力曲線一階導(dǎo)數(shù)）表現(xiàn)為：彎頭處測點(diǎn)“AI-2-02#”>除油器水平直管處測點(diǎn)“AI-2-04#”>出口斜管處測點(diǎn)“AI-2-01#”，說明彎頭處應(yīng)力拘束度大，升載時，測點(diǎn)承載升率順序增加，彎頭處測點(diǎn)“AI-2-02#”承載升率最快，卸載時三個測點(diǎn)反而降載率接近，如圖6（e）所示。 

同時可以看到，數(shù)據(jù)在一周內(nèi)存在7個周期性波動，單周期約24 h，根據(jù)采集開始時間計(jì)算，下午3點(diǎn)半時井口壓力最低，晚11時至第2天早8點(diǎn)時壓力處于高峰值。在周期末端，測點(diǎn)“AI-2-01# ”、“AI-2-02# ”有應(yīng)力深坑現(xiàn)象，應(yīng)力值垂直下降、垂直上升，而除油器后的“AI-2-04# ”測點(diǎn)無此現(xiàn)象，如圖6（f）所示。 

根據(jù)儲氣庫當(dāng)周的大氣記錄，氣溫按照每天最大10 ℃波動，L360鋼的膨脹系數(shù)為1.2×10−5 mm/℃，傳感器長度為78 mm。計(jì)算出溫度應(yīng)力為0.4 MPa。 

因此，2#壓縮機(jī)停機(jī)狀態(tài)的應(yīng)力波動由井口壓力引起，排除溫度應(yīng)力影響。 

4.2   壓縮機(jī)切換開機(jī)

數(shù)據(jù)分析時間段起始時刻于4月14日上午9時46分，采樣頻率為/次·S–1，截止時刻在168 h后。當(dāng)日上午11時，由1#、3#號壓縮機(jī)組運(yùn)行切換為2#、3#號壓縮機(jī)組運(yùn)行，即1#壓縮機(jī)停機(jī)、2#壓縮機(jī)啟機(jī)；切換時間距離數(shù)據(jù)分析起始時刻約5 000 s左右。壓縮機(jī)組切換的數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。 

圖  7  壓縮機(jī)切換時應(yīng)力監(jiān)測分析結(jié)果

（1）機(jī)組停止時 

可以看到1#機(jī)組停機(jī)后，測點(diǎn)上的服役應(yīng)力由水平承載變?yōu)椴▌犹卣?，筆者分析認(rèn)為該現(xiàn)象是由機(jī)組之間管線的連接關(guān)系所致。 

（2）機(jī)組啟動時 

可以看到2#機(jī)組啟動開機(jī)后各測點(diǎn)承受一個較大的大脈沖壓力，彎頭處測點(diǎn)“AI-2-02#”受沖擊力最高，躍升最大差值約70 MPa，然后降低。 

2#機(jī)組開機(jī)后，斜角處、彎頭處只承受氣流靜載荷，疲勞載荷特征消失，管線綜合受力由波動應(yīng)力+管線內(nèi)氣流壓力，變?yōu)橹怀惺軞饬鲏毫Γ?#機(jī)水平直管段處除外）。 

圖7（e）為2#機(jī)水平直管段處測點(diǎn)在4月7日—14日（藍(lán)色曲線）、4月14日—21日（紅色曲線）的承載曲線，可以看到，開機(jī)后2#機(jī)水平直管段處（AI-2-04#）的承載疲勞特征得以保留。 

4.3   管線服役應(yīng)力特征分析

4.3.1   管線服役應(yīng)力計(jì)算

設(shè)管線服役應(yīng)力為 

式中：PF為管線服役應(yīng)力（綜合受力）；P氣壓為管線內(nèi)的氣流壓力（在管體上可反映為軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力）；PC可視為波動應(yīng)力（或變動應(yīng)力）；PC1，PC2分別為被測點(diǎn)軸向應(yīng)力變動的最低值和最高值。 

靜力學(xué)條件下，管線軸向應(yīng)力為P氣壓；所提方法監(jiān)測值為PC2-PC1，因此，管線服役應(yīng)力為 

式中：σvon Mises為等效米塞斯應(yīng)力。 

例如，在文章4.1節(jié)中壓縮機(jī)交錯開機(jī)工藝窗口時，管線氣流壓力計(jì)算為 

經(jīng)計(jì)算，在此時的管線工作載荷下，小于屈服強(qiáng)度（可計(jì)入安全系數(shù)），可視為安全。在高速流體運(yùn)動時，應(yīng)考慮到伯努利效應(yīng)，內(nèi)壓力低于實(shí)際靜水壓力。 

4.3.2   管線服役應(yīng)力承載特征分析

對管線受力的疲勞特征有新的認(rèn)識，可以分為運(yùn)行管線、非運(yùn)行管線：①運(yùn)行時，斜管處、彎頭處管線承受的服役載荷為固定氣流壓力載荷；②運(yùn)行時，除油器出口水平直管段處承受的服役載荷具有典型疲勞低頻載荷特征，振動幅度達(dá)到其屈服強(qiáng)度的8%左右；3#壓縮機(jī)的水平直管段處應(yīng)力循環(huán)比[P氣壓/（P氣壓+(PC2−PC1)]約為0.46（與單點(diǎn)應(yīng)力檢測吻合），1#壓縮機(jī)的水平直管段處的應(yīng)力比約為0.64，為典型的低周疲勞載荷特征；③運(yùn)行時，出地面管線處承受典型疲勞低頻載荷，振動幅度約為其屈服強(qiáng)度的8%，應(yīng)力循環(huán)比接近0.5；④非運(yùn)行時，斜管處、彎頭處、水平直管段處的管線承受管線串連引起的波動應(yīng)力載荷，在此場站的壓縮機(jī)安裝條件下，仍舊承受低周交變疲勞載荷。未切換3#壓縮機(jī)組的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。 

圖  8  未切換3#壓縮機(jī)組的應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

在振動最大的除油器水平直管處，應(yīng)力檢測、監(jiān)測結(jié)果表明，在運(yùn)行、非運(yùn)行時，管線一直承受疲勞載荷，具體表現(xiàn)如下。 

（1）管環(huán)上的固定單一點(diǎn)鐘承受 

式中：σmin為最小應(yīng)力；σmax為最大應(yīng)力。 

（2）管環(huán)的各點(diǎn)鐘存在應(yīng)力差，同一管環(huán)各點(diǎn)鐘應(yīng)力值不同，呈現(xiàn)氣旋特征（對應(yīng)2-2#測點(diǎn)應(yīng)力值）。 

建議后期應(yīng)力的監(jiān)測點(diǎn)位，在同一管環(huán)的多點(diǎn)鐘的周向安裝多個傳感器，更好地反映氣流的旋轉(zhuǎn)特征。 

5.   結(jié)論

（1）研發(fā)的在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，通過控制中心可掌握天然氣管線各測點(diǎn)的實(shí)際工作狀況，對天然氣管線狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，及時掌握其服役應(yīng)力變化。 

（2）此儲氣庫壓縮機(jī)的穩(wěn)定性有差異，3#壓縮機(jī)測點(diǎn)比1#壓縮機(jī)的穩(wěn)定。停機(jī)時，壓縮機(jī)管線服役應(yīng)力呈周期疲勞承載特征，波動幅值范圍不低于開機(jī)壓縮機(jī)管線的，承受典型低頻疲勞載荷。在運(yùn)行、非運(yùn)行時，應(yīng)力檢測、監(jiān)測結(jié)果表明，在振動最大的除油器水平直管處，振動幅度達(dá)到其屈服強(qiáng)度的8%左右，一直承受疲勞載荷。 

（3）壓縮機(jī)切換時，管線在90 °彎頭處承受著較大應(yīng)力沖擊載荷，為最低值的2.3倍。 

綜上所述，文章所建立的在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)能有效監(jiān)測儲氣庫管線應(yīng)力狀態(tài)，其監(jiān)測數(shù)據(jù)為壓縮機(jī)維護(hù)和儲氣庫安全運(yùn)行提供了有力支撐，對保障油氣管線安全運(yùn)行意義重大。

文章來源——材料與測試網(wǎng)