应变检测与油气管道安全评价实验平台研究

　　摘要：基于国家油气发展战略和工程教育背景，开发了油气管道应变测试实验平台，提出了基于应变检测的安全评价方法，并将其用于自主设计实验和开放型实验教学，为工科学生创造了良好的实践条件。结果表明，管道安全评价实践有助于学生掌握应变的检测原理、过程及在石油工程领域的应用，加深了学生对专业知识在实际应用的认识，提高了其对于专业知识学习的兴趣，培养了团队合作意识和探索积极性。

　　关键词：油气管道;应变检测;安全评价;实验平台

　　近年来，随着以西气东输为代表的一批新管道项目的建设，管道作为油气的主要运输载体之一，在油气输送与行业发展中发挥着越来越重要的作用[1]。长输油气管道覆盖面广，需要穿越各种复杂的地质环境，因此在役的油气管道不可避免受到地质灾害带来的潜在威胁，如断层错动、山体滑坡、泥石流、冻土等[2-4]。

　　当地质灾害发生时，土体会因剪切破坏和体积膨胀产生不可逆的变形，埋地管道会受到土体的推动作用发生破坏[5-7]，架空管道也会因土体沉降不均匀变形受到不同程度的附加载荷作用。为掌握地质灾害引发油气管道的变形规律与失效模式，管道的应变检测与安全评价方法尤为关键[8-9]。

　　管道应力、应变检测是学生理解并应用力学理论解决工程实际问题的有效尝试，也是我校油气储运、工程力学专业管线力学课程及开放型实验课程的重点内容。结合我校行业背景和科研资源，同时也为了促进科研与教学协调发展，我校工程力学系与中油辽河工程有限公司联合研发了管道应变检测与安全评价实验平台(以下简称“实验平台”)，并在实验教学和科研实践中取得了良好效果。

　　1实验平台设计原理

　　地质灾害诱发油气管线的主要破坏形式有拉裂破坏、局部屈曲破坏和弯曲破坏等[10]。国内外管道设计规范对管道设计过程中对拉裂、局部屈曲、弯曲引起的椭圆度等有严格要求[11-12]。然而，管道的实际破坏往往同时存在多种变形，常常处于复杂的应力状态下，给灾后管道安全评价带来诸多困难。为保证地质灾害多发区油气管道的安全运行，需要对运营状态下的管体进行应力应变检测，判断管道危险截面与危险点位置，并采取相关的治理措施。目前工程实践对油气管道检测与安全评价的总体实施计划如下：

　　①对被测管道进行现场工况分析，根据被测管道初步有限元模型，分析管道大致变形规律与危险截面;②根据管道的失效类型，提出应变计贴片的布置方案，选择和安装合适的应变计;③确定危险截面计算管道最大等效应力，对管道进行安全校核。油气管道检测与安全评价的整体方案设计及实施流程。该方法需要通过有限元建模确定管道的测点布置和管道截面应变计的分设，测点确定过程比较繁琐，存在一定的误差[13-14]。此外，管道变形有限元分析需要一定的理论知识和专业背景，不利于短学时的实验教学。

　　实验平台利用相似性原理[15-16]，设计了一套由于地质灾害引发的管道变形加载和应变检测装置，可以模拟管道在地质灾害情况下多向位移载荷的施加、管道应变检测，并基于检测结果提出管道的安全评价方法。实验过程具有实时可见、检测方案简单高效等特点，既适用于管线力学的实验教学，也可用于管道模型的检测示范，也可在工程中推广应用。

　　2实验平台设计与流程

　　针对以上实施过程，设计了一套管道位移加载和应变检测装置，开展管道安全评价研究。所设计的管道安全评价实验平台包括：实验架、管道、管道固定及轴向位移加载装置、横向位移加载装置、管道内压加载装置、应变检测及分析装置。实验架可通过底部螺栓固定在实验桌上。管道采用无缝钢管，左右两端采用法兰连接，管道左端法兰与实验架左立柱连接固定。管道轴向位移主要通过管道右侧法兰与实验架右立柱的连接螺栓进行加载，右法兰与实验台右立柱之间有聚合物圈间隔，同时右法兰与右立柱之间装有位移传感器，可测定所施加的管道轴向位移载荷大小。

　　在通过实验架右侧立柱焊接3块圆弧形加强筋，每块加强筋加工两个螺纹孔，通过3组加强筋的加载螺栓推动右侧法兰产生横向位移。实验台右侧立柱加工7×7排直孔，孔间距为6mm，可以通过调整法兰与直孔的连接测定管道横向变形量。

　　为模拟复杂应力状态作用下的位移载荷，配合实验台右侧立柱的直孔施加横向位移，分别旋进水平、垂直两个方向加载螺纹，推动右侧法兰移动，当法兰上螺纹孔与设定位移载荷位置对应的螺纹孔重合，利用右法兰与右侧立柱之间的连接螺栓固定右法兰位置，确保测试过程管道的横向位移保持不变。管道左右两侧下方各开1小孔，右侧小孔与内压加载装置连接，施加内压载荷，左侧小孔与泄压阀连接。应变检测及分析装置，主要包括应变片组和数据采集分析系统。管道测试段沿长度方向粘贴8组应变片，每组应变片沿环向布置。

　　每一个应变片引出一个接头，可根据需要选择所需要的测点。管道安全评价方法分为确定管道危险截面、确定危险点和安全评价3个环节。应变片检测应力由管道各项载荷引起，在小变形范围内，每种内力都可以处理成线性变化。学生可结合材料力学理论，确定所需要采集的应变片组数和测点位置，建立危险截面各测点应力与管道内力的方程组，联立求解确定管道各项内力。每个测点应变片检测应力由管道各项载荷引起，运用材料力学理论，建立危险截面各测点应力与管道内力的方程组。

　　3实验教学与实践

　　通过对实验平台的不断完善，目前已成功应用于油气储运专业开放型实验和自主设计实验教学。在教学实施过程中，培养了学生实践动手能力，特别是运用所学知识创造性地解决工程实际问题的能力，同时也通过教学反馈，进一步完善了实验教学模式。该实验共设计了8个学时，以两个学时为一个单元，分别用于基础理论教学、实验方案制定、实验实施和结果反馈。

　　第一单元，指导教师主要向学生介绍长输油气管道铺设形式，地质载荷作用下管道的变形失效规律，现场管道检测的操作规范和流程、防止管道地质灾害损伤采取的控制方法，以及数据采集系统的工作原理等，并结合实验室教学模型，演示应变片粘贴、接头焊接、数据采集器的使用。基础理论教学使学生对问题有一个直观的认识，对实验任务的具体实施也形成一个初步的框架。

　　第二单元，学生结合实验指导书，制定详细的实验方案，包括施加在管道模型的载荷种类、应变片测试组选择、温度效应补偿、测试点数据处理等。要制定合理的实验方案，学生必须在实验前通过自学掌握电阻应变片的工作原理、应变检测的基本流程、应变片横向效应的修正等。指导教师需要根据学生实验方案中的具体问题提供指导。

　　第三、四单元为实验和结果处理与反馈环节。实验实施过程主要包括：根据实验方案选择测点，将对应应变片引线接入应变仪，将温度补偿片接入应变仪公共补偿段线路，加载测试，完成结果处理和实验报告。虽然测试原理在实验应力分析课程中有介绍，但由于学生平时没有机会体验针对工程实际问题开展的测试工作，在第三、四单元实验中还是遇到了很多困难，诸如补偿片选择位置、正确的接线步骤、加载控制等，同时载荷形式的多样性选择也给实验过程制造了难度。

　　实验过程考核采取分项记分的方式，主要从查阅文献、制定实验方案、搭建测试装置、处理实验数据、实验中临场问题处理以及实验报告等几个方面综合评定。通过实验方案、实验报告等书面文件，可以看出学生对此次实验的重视程度，每一位学生都做到了真正动手、动脑和团队协调合作。

　　通过实验能够实现：①使学生更好地了解应变检测、基于应力的安全评价和工程实际问题之间的区别与联系，进一步加深对理论指导实践的感性认识;②使学生进一步加深对测试技术在科学研究和实践过程中作用的理解，熟悉应变检测系统的组成、检测原理和使用规范，掌握数据分析及误差处理的原理及过程;③使学生进一步理解专业知识在实际应用过程中的重要作用，提高学生对于专业知识学习的兴趣。

　　4结语

　　通过基于应变检测的管道安全评价实验项目，将油气储运工程实践问题、管线应力应变检测与管线力学有机结合，促使多门课程的专业知识之间的综合应用。实践证明，该项目使学生熟悉了本专业的工程背景和需要解决的工程问题，激发了学习兴趣，启发了学生进行更深层次的思考。同时，管道安全评价的开放型实验提升了本科实验教学的质量和效果，特别是增强了本科生从事科研工作的兴趣。此外，该项目达到了教学和科研互相服务和促进的目的，值得在油田、培训机构进一步应用和推广。

　　参考文献(References)

　　[1]冯耀荣，霍春勇，吉玲康，等.我国高钢级管线钢和钢管应用基础研究进展及展望[J].石油科学通报，2016(1):143–153.

　　[2]HAD,ABDOUNTH,O’ROURKEMJ,etal.Earthquakefaultingeffectsonburiedpipelines-casehistoryandcentrifugestudy[J].JournalofEarthquakeEngineering,2008,14(5):646–669.

　　[3]LIF,WANGWH,DUBLJEVICS,etal.AnalysisonaccidentcausingfactorsofurbanburiedgaspipelinenetworkbycombiningDEMATEL,ISMandBNmethods[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2019,61(5):49–57.

　　[4]任翔，胡志平，王瑞，等.大口径有压埋地管道穿越活动断层的非线性分析[J].地震工程学报，2019(5):1299–1307.

　　[5]张宏，刘啸奔.地质灾害作用下油气管道设计应变计算模型[J].油气储运，2017(1):91–97.

　　[6]田江平，张东山，雷震，等.斜滑断层作用下埋地管道的力学性能测试研究[J].石油机械，2019(9):123–130.

　　[7]CHENGXD,MAC,HUANGRK,etal.FailuremodeanalysisofX80buriedsteelpipelineunderoblique-reversefault[J].SoilDynamicsandEarthquakeEngineering,2019,125:105-116.

　　[8]张伯君.山体滑坡区域内长输埋地油气管道强度研究[D].杭州：浙江大学，2013.

　　作者：张能1，孙峰2