圖 1 儲氣庫管線在線應力監測系統結構示意
分享：某儲氣庫壓縮機管線的服役應力監測數據分析
儲氣庫間斷調峰作業會引起管道工作壓力、流速、管體溫度等參數的變化，而在閥門、變徑、入地彎頭、支座等部位引起復雜應力承載。長時間運行管道受壓力波動、地基沉降等內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雜，而影響儲氣庫安全運行。
目前儲氣庫應力研究多關注于地下儲層應力敏感性，對管線應力的研究較少。特別是沉降、振動協同作用對管線應力分布的影響仍不明確，獲取現場實際應力數據的變化規律對于安全評估具有重要意義[1-3]。近年油氣儲運設施多在特定工藝窗口、時間段對重點關注位置進行應力檢測，對承載動載管線的長期應力變化跟蹤不及時、不連續[4-8]。
某含硫氣藏型儲氣庫，地面注采集輸工藝采用 “注采井口雙向計量，水平井兩級降壓，直井高壓集氣，開工注醇，加熱節流，三甘醇脫水 ”的主體工藝技術；管線易腐蝕，進口壓力低于設計值，部分管線會發生局部劇烈振動現象。
文章基于應變法的動態應力監測方法，設計、建立了一套儲氣庫管線在線應力監測系統，基于該含硫氣藏型儲氣庫場站管線應力、振動檢測的大量前期數據，選取重點位置，開展應力長期監測，對壓縮機切換、地層波動等多種條件下的應力變化進行監測、分析，促進實現數字化管理。文章研究結果為壓縮機維護、儲氣庫安全運行提供了技術支撐，為油氣管線運行、評估提供了一種有效的輔助方法。
1. 某儲氣庫工作特點
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，調峰期每天可最大供氣4×106 m3，具備季節調峰和應急儲備雙重功能。根據規范SY/T 0599《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和抗應力腐蝕開裂的金屬材料要求》的規定，計算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(高質量等級)，其彈性模量為260 GPa，泊松比為0.3，屈服強度約為530 MPa。考慮到管線輸送原料氣和儲氣庫管線要求、設計使用年限，此儲氣庫的管線鋼采用QS等級（對原材料進行正火＋回火熱處理），采氣系統全部采用抗硫材料管材，確保儲氣庫安全平穩運行。
目前，此儲氣庫工作特征表現為：進口壓力值低于設計值、3臺壓縮機組振動狀態有差異、除油器局部管線振動較大、廊架管線短時振動大。其運營狀態有以下需求。
（1）注采井場內管道和雙向輸氣管道均屬注采同管，管道在強注強采的同時將長期承受交變應力，需要開展抗硫管材在交變應力影響下的狀態監測。
（2）調峰、采注轉換、多機組切換等工藝模式下的壓縮機和管線振動、應力特征需要盡快摸清，振動特征與應力波動復合作用需要進一步研究。
因此，需要開展長時間連續應力監測的試驗研究。
2. 儲氣庫管線在線應力監測系統
2.1 應力監測系統
采用的分布式在線應力監測系統具有輕便小巧、通訊可靠、傳輸距離遠，測試精度高、噪聲低、漂移小，環境適應性強、可維護性高等特點，適用于工程測試領域的長期在線監測，可用于油氣管線、橋梁建筑、軌道交通等的狀態監測，滿足惡劣環境下應變、應力、位移、振動等物理量的監測。
應力在線監測系統由前端傳感器、采集器、控制器和計算機構成，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展。數據通過數采設備和通訊模塊發送至主機。監測軟件部署在主機，實現對采集數據的分析、存儲、展示。傳感器安裝在指定點位，信號線連接數采模塊，數采模塊內置通信模塊接入站內局域網，數據通過光纜發送至監測軟件，實現對數據的在線采集，以及分析、存儲、展示。
2.2 現場安裝、傳感器及防爆設計
為滿足此項目的多點應力檢測要求，開發了一致性高的金屬應變計，每個傳感器進行了延長接線的校準試驗；對部分高溫測點，進行了溫度補償校準試驗。對多種黏合劑進行了優選試驗，優選滿足大氣暴露、風沙打擊、高溫管線、長時連續耦合要求的優質穩態黏合劑，保障傳感器的高質量信號狀態。開發了多通道及通道編組技術，遠程應力監測系統可并行進行多個點位的應力在線測量，也可進行任意點位信號的編組、切換。系統可進行兩種跟蹤測量，一種是連續測量，即在監測過程中連續監控管體動態應力變化；另外一種為間隔測量，即在固定時間段內，對指定觀察點的應力進行靜態測量，跟蹤水壓試驗對管體殘余應力的釋放效果。
所有電源線、數據線采用金屬套管防護，埋入地下；主機箱為防爆配電柜，設防水外殼，防護等級為IP65，機殼、信號、電源均接地處理。爆炸危險區域內安裝的電動儀表、電動執行機構等電氣設備均符合相關標準的規定。儲氣庫管線在線應力監測系統結構示意如圖1所示，應力監測系統點位的布局如圖2所示，應力監測現場如圖3所示，傳感器實物如圖4所示。
圖 2 應力監測系統的點位布局示意
圖 3 應力監測現場
圖 4 傳感器實物
2.3 系統報警設置
系統可定義測點，包括測點基本信息，可設置采集、傳感器參數。系統可通過視圖觀測實時圖譜，與典型異常圖譜特征對比，結合預設判據，判斷監測點位狀態是否正常。如果觸發報警閾值，則會顯示報警級別。
3. 監測點位確定
針對該儲氣庫的運行狀態，某年度分別采用壓電振動法、超聲法、應變法采集設備進行振動、應力檢測。振動檢測采用三向IEPE（集成電路型壓電式）加速度傳感器，采集實時加速度數據并繪制相應曲線，再進行積分計算輸出振動數據均方根速度值（Root Mean Square）。應力檢測設備采用URS-XSM04型超聲波法應力檢測儀，先后完成主壓縮機21處、除油器附屬管線7處、北部廊架管線22處振動測點的檢測；主壓縮機出口、除油器管線、廊架彎頭11處管環應力檢測；小計應力檢測120點，振動檢測240點。涵蓋調峰工藝轉換、多機組切換、采注轉換等關鍵窗口壓縮機及管線關鍵位置的振動、應力檢測，基于以上數據，對場站重點關心區域進行了識別、選取，檢測現場及儲氣庫振動、應力檢測數據如圖5所示。例如，從超聲波法管線應力檢測結果中觀察到，測點編號“2-2# ”處（即除油器水平直管處），最低應力值與最大應力值比值約0.461 5。
圖 5 檢測現場及儲氣庫振動、應力檢測結果
依據某年度4月、5月、9月三次工藝窗口壓縮機及其輔助管線、廊架管線幾十處點位的振動、應力檢測數據，確定長期監測點位(見表1)，主要有以下3處。
Table 1. 確定的儲氣庫應力長期監測點位及其參數
| 點位編號 | 對應壓縮機 | 位置區域 | 特征 | 備注 |
|---|---|---|---|---|
| AI-1-01# | 1號壓縮機 | 斜管處 | 高溫管線 | |
| AI-1-02# | 彎頭處 | 彎頭 | ||
| AI-1-03# | 廊架高處 | 附加點 | ||
| AI-1-04# | 除油器水平直管處 | 振動大 | ||
| AI-2-01# | 2號壓縮機 | 斜管處 | 高溫管線 | ?168×20 mm |
| AI-2-02# | 彎頭處 | 彎頭 | ?168×20 mm | |
| ?168×20 mm | ||||
| AI-2-04# | 除油器水平直管處 | 振動最劇烈 | 2-2# | |
| AI-3-01# | 3號壓縮機 | 斜管處 | 高溫管線 | |
| AI-3-02# | 彎頭處 | 彎頭 | ||
| AI-3-03# | 除油器水平直管處 | 振動大 | ||
| AI-3-04# | 北部廊架下 | 出地面處 | 拘束突變 |
（1）壓縮機一級出口高溫管線（斜管處）測點：此處臨近壓縮機出口，管線表面溫度約70 ℃。
（2）轉角測點（彎頭處），橫梁測點（僅1#壓縮機）：管內流體在彎頭處流向會發生改變，可能導致彎頭處氣流壓力發生周期性變化而引發裂紋損傷。
（3）除油器水平直管段處測點：前期檢測時發現此處管環的腰線3、9點鐘處應力值大、振動大。
（4）北部廊架出地面處1處：地下管線出地面，管線拘束度發生變化處。
4. 監測數據及分析
所提方法基于彈性應變原理，監測值為測點應力變動值。對典型工藝窗口應力狀態監測數據進行分析，包括波動、機組切換、測點比較、壓縮機差異分析。
4.1 壓縮機運行（間錯開機）
應力數據開始采集時，機組運行狀態為：1#、3#壓縮機開機，2#壓縮機停機；三臺壓縮機之間為串連接；進口壓力約4.42 MPa，出口壓力約17.4 MPa。由于未在壓縮機機組啟動前開機監測，零應力狀態未捕捉到。對一周數據進行分析，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；數據監測結果即應力監測單周分析（3月26日-4月2日）結果如圖6所示。
圖 6 應力監測單周分析結果
從監測結果可以得到以下結論。
（1）運行壓縮機組管線服役應力特征
3#壓縮機測點比1#壓縮機的穩定。出口斜管處測點，應力波動范圍為-5 MPa~+5 MPa；1#壓縮機部分時間段接近或超過10 MPa；其中測點“AI-3-01#”穩定性好于測點“AI-1-01#”的，如圖6（a）所示。
彎頭處測點，1#機組彎頭處應力大于3#機組的。3#壓縮機應力波動范圍為-2.5 MPa~+5 MPa；1#壓縮機應力波動范圍為0 MPa~15 MPa；其中測點“AI-3-02# ”穩定性明顯好于測點“AI-1-02# ”的，如圖6（b）所示。
除油器水平直管處測點，3#壓縮機應力波動范圍為-10 MPa~+20 MPa；1#壓縮機應力波動范圍為+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，應力振蕩范圍為-10 MPa~+40 MPa，此處曲線波動趨勢和除油器水平直管測點處趨勢相同，如圖6（d）所示。
（2） 2#停機壓縮機管線服役應力分析
停機壓縮機管線服役應力呈周期疲勞承載特征，波動幅值范圍不低于開機壓縮機管線的。隨井口壓力波動，2#壓縮機的監控測點振蕩范圍為-20 MPa~+20 MPa；監測點的應力幅值、變化速率（應力曲線一階導數）表現為：彎頭處測點“AI-2-02#”>除油器水平直管處測點“AI-2-04#”>出口斜管處測點“AI-2-01#”，說明彎頭處應力拘束度大，升載時，測點承載升率順序增加，彎頭處測點“AI-2-02#”承載升率最快，卸載時三個測點反而降載率接近，如圖6（e）所示。
同時可以看到，數據在一周內存在7個周期性波動，單周期約24 h，根據采集開始時間計算，下午3點半時井口壓力最低，晚11時至第2天早8點時壓力處于高峰值。在周期末端，測點“AI-2-01# ”、“AI-2-02# ”有應力深坑現象，應力值垂直下降、垂直上升，而除油器后的“AI-2-04# ”測點無此現象，如圖6（f）所示。
根據儲氣庫當周的大氣記錄，氣溫按照每天最大10 ℃波動，L360鋼的膨脹系數為1.2×10−5 mm/℃，傳感器長度為78 mm。計算出溫度應力為0.4 MPa。
因此，2#壓縮機停機狀態的應力波動由井口壓力引起，排除溫度應力影響。
4.2 壓縮機切換開機
數據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。當日上午11時，由1#、3#號壓縮機組運行切換為2#、3#號壓縮機組運行，即1#壓縮機停機、2#壓縮機啟機；切換時間距離數據分析起始時刻約5 000 s左右。壓縮機組切換的數據監測結果如圖7所示。
圖 7 壓縮機切換時應力監測分析結果
（1）機組停止時
可以看到1#機組停機后，測點上的服役應力由水平承載變為波動特征，筆者分析認為該現象是由機組之間管線的連接關系所致。
（2）機組啟動時
可以看到2#機組啟動開機后各測點承受一個較大的大脈沖壓力，彎頭處測點“AI-2-02#”受沖擊力最高，躍升最大差值約70 MPa，然后降低。
2#機組開機后，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力+管線內氣流壓力，變為只承受氣流壓力（2#機水平直管段處除外）。
圖7（e）為2#機水平直管段處測點在4月7日—14日（藍色曲線）、4月14日—21日（紅色曲線）的承載曲線，可以看到，開機后2#機水平直管段處（AI-2-04#）的承載疲勞特征得以保留。
4.3 管線服役應力特征分析
4.3.1 管線服役應力計算
設管線服役應力為
| (1) |
式中：PF為管線服役應力（綜合受力）；P氣壓為管線內的氣流壓力（在管體上可反映為軸向應力、環向應力）；PC可視為波動應力（或變動應力）；PC1，PC2分別為被測點軸向應力變動的最低值和最高值。
靜力學條件下，管線軸向應力為P氣壓；所提方法監測值為PC2-PC1，因此，管線服役應力為
| (2) |
式中：σvon Mises為等效米塞斯應力。
例如，在文章4.1節中壓縮機交錯開機工藝窗口時，管線氣流壓力計算為
| (3) |
經計算，在此時的管線工作載荷下，小于屈服強度（可計入安全系數），可視為安全。在高速流體運動時，應考慮到伯努利效應，內壓力低于實際靜水壓力。
4.3.2 管線服役應力承載特征分析
對管線受力的疲勞特征有新的認識，可以分為運行管線、非運行管線：①運行時，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，振動幅度達到其屈服強度的8%左右；3#壓縮機的水平直管段處應力循環比[P氣壓/（P氣壓+(PC2−PC1)]約為0.46（與單點應力檢測吻合），1#壓縮機的水平直管段處的應力比約為0.64，為典型的低周疲勞載荷特征；③運行時，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度的8%，應力循環比接近0.5；④非運行時，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力載荷，在此場站的壓縮機安裝條件下，仍舊承受低周交變疲勞載荷。未切換3#壓縮機組的應力監測結果如圖8所示。
圖 8 未切換3#壓縮機組的應力監測結果
在振動最大的除油器水平直管處，應力檢測、監測結果表明，在運行、非運行時，管線一直承受疲勞載荷，具體表現如下。
（1）管環上的固定單一點鐘承受
| (4) |
式中：σmin為最小應力；σmax為最大應力。
（2）管環的各點鐘存在應力差，同一管環各點鐘應力值不同，呈現氣旋特征（對應2-2#測點應力值）。
建議后期應力的監測點位，在同一管環的多點鐘的周向安裝多個傳感器，更好地反映氣流的旋轉特征。
5. 結論
（1）研發的在線應力監測系統，通過控制中心可掌握天然氣管線各測點的實際工作狀況，對天然氣管線狀態實時監控，及時掌握其服役應力變化。
（2）此儲氣庫壓縮機的穩定性有差異，3#壓縮機測點比1#壓縮機的穩定。停機時，壓縮機管線服役應力呈周期疲勞承載特征，波動幅值范圍不低于開機壓縮機管線的，承受典型低頻疲勞載荷。在運行、非運行時，應力檢測、監測結果表明，在振動最大的除油器水平直管處，振動幅度達到其屈服強度的8%左右，一直承受疲勞載荷。
（3）壓縮機切換時，管線在90 °彎頭處承受著較大應力沖擊載荷，為最低值的2.3倍。
綜上所述，文章所建立的在線應力監測系統能有效監測儲氣庫管線應力狀態，其監測數據為壓縮機維護和儲氣庫安全運行提供了有力支撐，對保障油氣管線安全運行意義重大。
文章來源——材料與測試網
浙公網安備 33042402000106號
