本發(fā)明給出在油氣管道上安裝振弦式應(yīng)變計的一種方案，用于優(yōu)化管道彎曲部分的應(yīng)力監(jiān)測，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、幾百千米至幾千千米長的長距離油氣管道需要穿越各種地形，包括山脈、河流、湖泊、平原等，是國家能源輸送的大動脈。對長距離油氣管道的完整性監(jiān)測是保障能源安全輸送的一個重要環(huán)節(jié)。在絕大部分地形環(huán)境下，油氣管道鋪設(shè)在地面以下，周圍有土壤包裹；按照管道鋪設(shè)路線的規(guī)劃管道會拐彎轉(zhuǎn)向，但絕大部分情況下管道的轉(zhuǎn)彎半徑很大，對應(yīng)的彎曲曲率很小，對管道進(jìn)行力學(xué)分析時可將這種小曲率的彎曲管道近似為直管道。當(dāng)這些管道受到滑坡、地面沉降、地震等地質(zhì)災(zāi)害時，周圍土壤會給管道施加彎曲載荷和軸向載荷，其中彎曲載荷的方向在管道徑向的整個360o方向都有可能。

2、中俄東線天然氣管道穿越長江的工程項目采用盾構(gòu)隧道穿越方式。用盾構(gòu)機(jī)在長江底部巖土下挖掘一個用于鋪設(shè)輸氣管道的隧道。這種在隧道中鋪設(shè)油氣管道的工程項目與常見的埋地油氣管道有兩個顯著不同點(diǎn)。第一個不同點(diǎn)在于隧道中的油氣管道通過支架的形式固定在隧道中而不是埋在土壤里；第二個不同點(diǎn)是過江隧道路線的特征導(dǎo)致油氣管道有較小的轉(zhuǎn)彎半徑。對這種小轉(zhuǎn)彎半徑的管道進(jìn)行力學(xué)分析時，將彎管道近似為直管道的方法不再合適。隧道中的管道沒有周圍土壤的作用，彎管道在受到外加載荷時，更傾向于在原有彎曲形狀基礎(chǔ)上進(jìn)一步彎曲，與原有形狀的彎曲趨勢保持一致。這種小轉(zhuǎn)彎半徑管道的彎曲部分更容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力水平較大，對管道彎曲部分的監(jiān)測更加重要。

3、管道的應(yīng)力監(jiān)測是油氣管道完整性監(jiān)測的一個重要內(nèi)容。油氣管道的應(yīng)力監(jiān)測可以通過在管道本體上焊接振弦式應(yīng)變計來實(shí)現(xiàn)。在油氣管道待監(jiān)測截面的三個點(diǎn)位各焊接一支振弦式應(yīng)變計，通過測量這三個點(diǎn)位的應(yīng)變能夠計算出這個截面的應(yīng)力絕對值的最大值，這里稱為最大應(yīng)力。這三個應(yīng)變測量點(diǎn)位置的選擇對最大應(yīng)力計算的精度有影響：當(dāng)測量的這三點(diǎn)應(yīng)變的絕對值越大時，最大應(yīng)力計算的精度越高。在油氣管道待監(jiān)測截面，振弦式應(yīng)變計常見的安裝方式有“品字形”，即在截面的0o、90o、180o方位焊接安裝三支應(yīng)變計。

4、振弦式應(yīng)變計的工作原理是通過測量一個預(yù)拉應(yīng)變的內(nèi)置弦的共振頻率的變化量得到應(yīng)變值；當(dāng)待測量的應(yīng)變?yōu)槔鞈?yīng)變時，共振頻率增加；當(dāng)待測量的應(yīng)變?yōu)閴嚎s應(yīng)變時，共振頻率減小。通過調(diào)節(jié)弦上的預(yù)拉應(yīng)變可以設(shè)置不同的應(yīng)變測量量程。一個典型的振弦式應(yīng)變計在預(yù)拉應(yīng)變?yōu)槟J(rèn)的2500微應(yīng)變時，能測量的應(yīng)變量程為±1500微應(yīng)變；在預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為2000微應(yīng)變時，能測量的應(yīng)變量程為-1000微應(yīng)變至2000微應(yīng)變；在預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為3000微應(yīng)變時，能測量的應(yīng)變量程為-2000微應(yīng)變至1000微應(yīng)變。隨著待測應(yīng)變值的絕對值逐漸增加，誤差的大小也顯著增加，具體分為以下三個范圍：小于振弦式應(yīng)變計的80%、介于80%至100%之間、以及超出量程。

5、對于常見的埋地大轉(zhuǎn)彎半徑油氣管道，即埋地直管道，安裝三支振弦式應(yīng)變計時，由于管道受力后彎曲方向不確定，無法知道應(yīng)變絕對值最大點(diǎn)位，因此在截面的0o、90o、180o方位安裝應(yīng)變計和在截面的 α+0o、 α+90o、 α+180o方位安裝應(yīng)變計效果一樣,其中 α為參考偏移角。而且由于彎曲方向不確定，待測應(yīng)變點(diǎn)承受拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變的概率相等，所以焊接振弦式應(yīng)變計前無需調(diào)節(jié)其默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：使用振弦式應(yīng)變計監(jiān)測油氣管道應(yīng)力的工程項目大都基于埋地直管道，缺少針對非埋地油氣管道彎曲部分的振弦式應(yīng)變計調(diào)節(jié)方案。

2、與已公開的工程應(yīng)用相比，本發(fā)明的特點(diǎn)和益處有：根據(jù)非埋地油氣管道彎曲部分的受力特點(diǎn)，通過設(shè)定振弦式應(yīng)變計在管道截面上的安裝方位和調(diào)節(jié)振弦式應(yīng)變計的預(yù)拉應(yīng)變，不僅使得測量得到的應(yīng)變更加準(zhǔn)確，而且提高截面三點(diǎn)應(yīng)變算最大應(yīng)力的計算精度，更好的服務(wù)于油氣管道的應(yīng)力監(jiān)測。

3、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：在油氣管道彎曲部分的一個截面的外表面安裝三支振弦式應(yīng)變計，呈“品字形”；根據(jù)油氣管道彎曲的軌跡，在彎曲軌跡的最外側(cè)安裝一支預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較低值的振弦式應(yīng)變計，在彎曲軌跡的最內(nèi)側(cè)安裝一支預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較高值的振弦式應(yīng)變計，在這兩只應(yīng)變計的中間位置安裝第三支采用默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值的振弦式應(yīng)變計。

4、上述油氣管道彎曲部分的彎曲半徑在1m至10m之間。

5、上述安裝預(yù)拉應(yīng)變較低、較高的振弦式應(yīng)變計的依據(jù)是彎曲管道在受到外加載荷時外側(cè)傾向于發(fā)生拉應(yīng)變，內(nèi)側(cè)傾向于發(fā)生壓應(yīng)變。

6、上述三支應(yīng)變計呈現(xiàn)“品字形”，即在截面的 α+0o、 α+90o、 α+180o方位，但是參考偏移角 α的選擇不是任意的，而是要保證預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較低值的振弦式應(yīng)變計安裝在彎曲軌跡的最外側(cè)，預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較高值的振弦式應(yīng)變計安裝在彎曲軌跡的最內(nèi)側(cè)，這樣有助于這兩支振弦式應(yīng)變計分別測量到彎曲產(chǎn)生的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變，從而提高最大應(yīng)力計算的精度。

7、上述振弦式應(yīng)變計測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線由數(shù)據(jù)采集儀記錄，再通過網(wǎng)線、4g網(wǎng)絡(luò)或者wifi傳送到本地或者云端計算機(jī)，進(jìn)行截面應(yīng)力的計算，計算的方法在國家標(biāo)準(zhǔn)《gb/t?40702-2021油氣管道地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出。

8、優(yōu)選的，振弦式應(yīng)變計的默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值為2500微應(yīng)變，設(shè)置為較低值的預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變，設(shè)置為較高值的預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變。

技術(shù)特征：

1.一種用于油氣管道彎曲部分進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測的優(yōu)化的振弦式應(yīng)變計調(diào)節(jié)方案，其特征在于，在油氣管道彎曲部分的一個截面的外表面安裝三支振弦式應(yīng)變計，呈“品字形”；根據(jù)油氣管道彎曲的軌跡，在彎曲軌跡的最外側(cè)安裝一支預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較低值的振弦式應(yīng)變計，在彎曲軌跡的最內(nèi)側(cè)安裝一支預(yù)拉應(yīng)變設(shè)置為較高值的振弦式應(yīng)變計，在這兩只應(yīng)變計的中間位置安裝第三支采用默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值的振弦式應(yīng)變計；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其特征在于，所述振弦式應(yīng)變計的默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值為2500微應(yīng)變，設(shè)置為較低值的預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變，設(shè)置為較高值的預(yù)拉應(yīng)變?yōu)?000微應(yīng)變。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方案，其特征在于，所述振弦式應(yīng)變計測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過導(dǎo)線由數(shù)據(jù)采集儀記錄，再通過網(wǎng)線、4g網(wǎng)絡(luò)或者wifi傳送到本地或者云端計算機(jī)，進(jìn)行截面應(yīng)力的計算。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明給出一種優(yōu)化的振弦式應(yīng)變計調(diào)節(jié)方案，用于對油氣管道彎曲部分的應(yīng)力監(jiān)測。與埋地直油氣管道不同，通過支架固定的彎曲油氣管道在受到外加載荷時，更傾向于在原有彎曲形狀基礎(chǔ)上進(jìn)一步彎曲，與原有形狀的彎曲趨勢保持一致。因此可以預(yù)測在受到外加載荷后，油氣管道彎曲軌跡的外側(cè)易于承受拉伸應(yīng)變，彎曲軌跡的內(nèi)側(cè)易于承受壓縮應(yīng)變。通過調(diào)節(jié)振弦式應(yīng)變計內(nèi)置弦的預(yù)拉應(yīng)變值可以調(diào)節(jié)振弦式應(yīng)變計測量的應(yīng)變值范圍。與默認(rèn)預(yù)拉應(yīng)變值相比，預(yù)拉應(yīng)變值較低的振弦式應(yīng)變計能夠測量更大的拉伸應(yīng)變，適合部署在油氣管道彎曲軌跡的外側(cè)；預(yù)拉應(yīng)變值較高的振弦式應(yīng)變計能夠測量更大的壓縮應(yīng)變，適合部署在油氣管道彎曲軌跡的內(nèi)側(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：凌尉珈,毛東,何津
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9