摘 要：对穿越地震断裂带的油气管道实施安全监测有助于保证管道的安全运行，最大限度地避免重大灾难性事故的发生。为此，从地震断裂带对穿越其中油气管道的安全影响入手，简要分析了地震断裂带的管道受力特点和国内外管道地震监测技术的发展动态，建立了穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统。该系统兼顾灾害的主、客体，分别对致灾体和承灾体实施监测，监测预警系统由监测传感、数据采集与传输、数据管理与处理和预警信息发布4个子系统构成，采用先进的传感元件，通过北斗卫星和GPRS双信道的通信模式实现数据传输，再由计算和分析软件完成数据处理和分析，自动评价局部管道的安全状态，并在异常时发布预警。同时还详细介绍了各子系统的功能特点以及该系统在国内输气干线某主要地震断裂带上的监测预警效果。现场应用效果表明，管道安全监测预警系统获取的大量管道工作状态参数能够为穿越地震断裂带的管道安全保护提供科学依据。
关键词：油气管道 地震断裂带 管道事故 管道受力特点 监测预警系统 自动化监测 远程无线传输 预警阈值
A safety monitoring and early-warning system for buried pipelines crossing seismic fault belts
Abstract：The implementation of safety monitoring on oil and gas pipelines crossing seismic fault belts contributes a lot to pipeline protection against lnsecurlty and any potential catastrophic incidents．Starting with the safety influcnce analysis of seismic fault belts on oil and gas pipelines，this paper analyzes the characteristics of the force acted on pipelines and development of domestic and overseas earthquake monitoring technologies,and presents a safety monitoring and early warning system for pipelines crossing seismic fault belts.This system gives consideration to both the subject and object of geologieal disasters，and monitors disaster causing and disaster-beanng bodles.Its subsystems include surVeillance sensors，data acquisition and transmission，data management and processing,and early wa rnlng information release.Data acquired by advanced sensing elements is transmittedby Beidou Satcllites or GPRS，then processed and analyzed with calculation and analysis software，thus，the safety status of local pi pelines can be evaluated automatically and tlnally early warnings will be issued when necessary．Furthermore，a detailed introduction is made to the structure of this system,function and characteristics of its subsystems，and the effect of this system applied in a domestic gas trunk-line crossing the major seismic fault belt．On-site application shows that this system obtains a large number of Operating parameters providing the scientific basis for safe operation of oil and gas pipelines．
Keywords：oil and gas pipelines，seismic fauIt belts，pipelines aecidents，characteristics of the force acted on pipelines，monitoring and warning system，automatic monitoring，remote wireless transmission，early warning threshold
我国输油气管道敷设距离长，途经地貌单元多样，地质构造复杂，沿线崩塌、滑坡、泥石流、地震断裂、采空塌陷、湿陷性黄土等地质灾害对管道安全运行构成了极大威胁[1-2]。其中地震断裂带因其难以预见性、破坏性强，往往对管道危害严重。以西气东输一线、西气东输二线西段管道为例，管道累计长度达4248.47km，途经新疆、甘肃，跨越天山地槽系一级构造单元和祁连地槽系一级构造单元，区域构造活动强烈，地震断裂带发育，是强震发生的主要场所[3]。经现场调查该区域已查明的管道沿线地震断裂带有28条之多，其中不乏全新世活动断裂以及地震峰值加速度大于或等于0.2g(g为重力加速度，下同)的地震断裂带。
地震作为地壳内部构造运动引起的地质灾害是造成管道重大事故的主要因素之一，对长输油气管道产生的危害包括直接危害和次生危害，可能造成管道断裂、屈曲失稳及拉断等损坏，严重威胁管道安全运行[4-9]。长期以来穿越地震断裂带的长输油气管道安全备受关注，有关学者已就穿越地震断裂带的管道受力特点进行了深入研究，一些国家已建成了穿越地震断裂带的管道地震监测系统。国内众多学者已从管土相互作用、力学模型建立等方面开展了地震断裂带对埋地管道的影响研究，但针对穿越地震断裂带的埋地管道开展动态、长期的力学监测尚不多见。因此，重点针对穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统开展研究，目的在于为国内战略油气管道的安全保护提供一种新的技术手段。
1 地震对管道的影响
概括起来，地震埘长输油气管道产生的危害包括直接危害和次生危害[10]。
1)直接危害。地震引发的地表错动、破裂和地震波使管道承受强烈的压缩或拉伸作用，极有可能错断、拉断管道或使管道出现褶皱屈曲；地震诱发的砂土液化还可引起管道基土沉陷，造成管道悬空、不均匀沉降，进一步使管体轴向拉力增大，威胁管道安全。
2)次生危害。地震可使场地失效，引起塌方、岩体崩塌、岩体开裂、深层土体滑坡等，引发油气管线爆裂、动力供应中断等。
地表破裂及错动的影响范围虽不如地震波影响的范围广，但却能在小范围内产牛较大的岩土体相对位移。因此，上述危害中以地表断裂对埋地管道的影响最大，其次是地基液化，最后是地震波。
虽然在管道设计和施工阶段，已经充分考虑了地震断裂带对管道可能产生的影响和危害，并采取了相应措施，如避让、浅埋、架空、合适角度穿越、宽沟、松散砂土换填等，尽可能降低了风险和危害，但地震对管道的影响无法完全规避。据文献资料记载，历史上曾经发生过许多地震断裂带损坏管道的事件，表1列出了白1971年美国圣费尔南多谷发生地震至今地震灾害造成的主要管道事故[10]。
地震灾害造成的管道事故严重，国内外多年的长输油气管道运行经验表明，对地面移动条件下的管道应力应变状态了解不足，未能及时掌握管道的变形信息，是造成不良后果和经济损失的直接原因。
2 穿越地震断裂带的管道受力特点
针对埋地管道在断层作用下的破坏机理，有关学者已经进行了深入研究，指出穿越地震断裂带的管土相互作用十分复杂[11-16]。在地震作用下，下伏基岩破裂使得地表土在其薄弱处破裂并产生相对位移，埋设于表层土中的管道受到沿管道纵向和横向的土反力作用，随土体一同变形，出现纵向和横向应变，并持续增大。当应变达到一定程度时，管体出现应力集中，管体拉伸、弯曲，防护体损伤；当应变快速临近甚至超过许用值时，管道将出现局部拉裂或屈曲破裂。
若两盘发生相对运动，断裂带内管土作用强烈、复杂，管道多出现大变形。而远离地震断裂带的管道受到管土作用力趋向简单，出现以轴向变形为主的管土小变形段(图1)。以正断层为例，断层上盘下移使得断裂带内的管道因受土反力纵向作用主要承受轴向拉应力；在逆断层中，断层上盘推覆于下盘之上，使得断裂带内的管道主要承受轴向压应力；平移断层两盘水平移动时，管道承受拉力和剪切力双重作用，产生较大的拉伸和弯曲变形(图2)。
3 管道地震监测系统的现状
鉴于地震断裂带可能对管道产生严重影响，国内外对穿越地震断裂带的油气管道已开展动态监测和预警。俄罗斯萨哈林2号管道、美国阿拉斯加管道、东京煤气公司等已建成了油气管道地震监测系统[17-18]。以美国阿拉斯加管道为例，自1977年建成投产起，阿拉斯加管道就建设了一套地震监测系统(Earthquake Monitoring Systern，EMS)，至今已更新至第3代。这套地震监测系统由分布在管道沿线不同烈度区的11座数字式大地强烈运动加速度记录仪组成，用以监测地震的强烈程度，判断是否需要关闭管道，并在震后根据监测数据分析管道沿线的震害程度及主要受损管段[10，19]。
我国于1997年在冀宁联络线上建成了第一套针对管道的地震监测预警系统，该系统由数字强震仪和高精度GPS子系统构成，用于观测地震活动的强烈程度及断层两盘的位移变化情况，并根据地震加速度和断层位移两项参数进行预警[10，20]。
目前已有的监测系统多用于监测地震动的强烈程度，通过比较测量值与设计值定性地判断管道的安全状态，决策是否采用停输方式保证管道安全。冀宁联络线上的地震监测预警系统增加了断裂带两盘位移监测，有助于掌握发震断层两盘的位移变化量，有利于分析管道受力情况。然而，这些监测更多关注了对管道产生影响的地震断裂带，却未能直观反映受地震影响的管道本体情况。
4 管道安全监测预警系统
依照管道地质灾害学的理论，将导致灾害发生的地震断裂视为致灾体，将遭受致灾体破坏的长输油气管道视为承载体。穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统集监测、分析、预警于一体，同时关注致灾体和承灾体，拟采用高效能、经济合理的监测技术手段，对承灾体(管道本体)开展力学变形监测，对致灾体(地震断裂带)开展位移及地震动参数(地震加速度和地震速度)监测。通过监测及时发现因断裂带蠕变导致的管道累积性变形，适时发布预警，以便管理者实时掌握埋地管道的应变(或应力)状态和地震断裂带的运动特征，出现异常时及时采取有效措施，最大可能降低震害造成的损失。同时也为分析地震作用下管道变形或破坏的情况及地震灾害对管线强度和稳定性的影响提供依据，为抢险应急处理和今后管道的抗震设计提供有效的技术支撑。
监测系统以地震断裂带内的管道力学监测为重点，同时辅以地震断裂带两盘位移和地震动强度监测，实现对致灾体和承灾体的双重监控。当管道应变(或应力)变化异常时，可按其状态发出相应级别的预警，最大限度降低震害造成的损失。
管道安全监测预警系统由监测传感、数据采集与传输、数据管理与处理和预警信息发布4个子系统构成(图3)。
4．1 监测传感子系统
监测传感子系统用于监测灾情数据源，是管道风险评价的基础信息保障，因此监测的内容应包含管体应变、管体位移、断层两盘位移和地震动参数等内容(图4)。
管道位移监测：该项监测是一种非实时的手动监测。监测初期暴露部分管段，用RTK测量关键部位(断裂带内，断层上盘、下盘，管道转弯处等)的管顶坐标，作为初始量。后期重新暴露关键部位复测指定点的管顶坐标，通过比较前后数据可以得出管道的位移变化情况，进而反映出管道的变形情况，为后期进行管道有限元力学分析提供重要参数。
管道应变监测：选取地震断裂带内管段和断裂带两盘部分管段进行管体应变监测，以反映管道监测截面上的应变状态，特别是管道轴向应变的变化。通过监测可准确掌握管道在断裂带活动后的真实应变水平。
两盘位移监测：使用高精度GPS监测设备，一方面可以观测断层的活动情况，掌握两盘的活动速率和相对位移情况，另一方面可与管体应变监测结合，分析两盘位移对管道产生的影响。
地震动参数监测：包括地震加速度和地震速度监测，多以地震加速度测量为主。地震加速度是指地震时地面运动的加速度，主要通过场地上安装的加速度计来获取，可作为确定当地烈度的依据，目前常使用微型地震记录仪来测量。地震加速度值有助于分析地震烈度对管道的影响程度，便于直接校核抗震设计参数。
在该系统中，传感器及数据线均做了有效防护，特别对地下传感器使用了多重防护手段，最大限度地防止监测设备在地震发生时发生损毁，保证监测设备的可靠性、有效性。
4．2 数据采集与传输子系统
监测数据自动采集和有效传输是管道安全监测预警系统的关键。不同传感器其监测原理及测量参数各异，在多种传感器共存的监测系统中，需要有效识别并采集不同信号类型的数据采集器。本系统采用面向对象的软件工程思想对远程数据采集软件进行设计与开发，完全实现无人值守及远程控制，有效解决了多传感器数据有效采集和实时陈控等功能。
数据传输依赖于现有的通信技术，如GPRS(CDMA)、GSM短信、Internet、卫星通信等技术。考虑到地质灾害点多处于偏远地带，多采用通信相对简单、传输速率满足需求且费用低廉的GPRS无线传输模式。然而这种无线传输技术存在2大缺陷：①信号网络不能全面覆盖，若遇盲区，则无法实现数据传输；②该技术太过依赖通信基站，一旦通信繁忙或者基站遭到破坏，特别是在通信基础设施遭到地质灾害(如地震、洪水、冰灾等)破坏后，数据传输将严重受阻，整个预警监测系统因此无法正常运转[21-22]。
为此，该系统采用基于北斗卫星和GPRS双信道的通讯模式。“北斗卫星系统”是我国自主研发的卫星系统，覆盖我国领土及周边地区，具备定位、通信功能，具有安全、可靠、稳定、保密性强等特点。虽然北斗卫星系统通信容量小且有频度限制，但足以满足监测预警系统的需求。一般情况下，在有移动通信信号覆盖时采用GPRS传输模式，若遇信号盲区或通信设施受损破坏时可采用北斗卫星实现通信。这样既降低了单纯使用卫星通信的昂贵费用，又解决了通信设施在地震中损毁监测数据无法传输的难题。
系统中GPS、应变计、加速度计等传感器的监测数据传回到控制中心的计算机上，软件便对所有数据进行同步和实时解算。同时，系统传感器的设置也可通过控制中心的计算机来执行。
在电源保障上，因数据采集与传输子系统硬件均选用低功耗元器件，配备太阳能和蓄电池供电系统便可实现长期野外工作，基本硬件配置如图5所示。
4．3 数据管理与处理子系统
数据管理与处理子系统用于分类管理、计算和保存相关信息数据，是整个监测预警系统的数据中枢。远程数据采集软件将数据导入数据库后，按监测数据类型分别进行数据的整理、计算分析和存储，并在客户端以数据表和趋势图的方式展现。同时，数据管理与处理子系统还可完成监测数据的风险评价分析。
4．4 预警信息发布子系统
当评价结果达到预警阈值时，立即以手机短信和电子邮件的方式发布预警信息，便于相关管理部门及时米取有效措施。
4．4．1管道应变(或应力)预警闽值
基于应变设计的管道，根据管材、管径、壁厚及设计内部输送压力，可计算出监测管道的轴向容许附加应变值，若当前轴向附加应变值达到或超过容许附加应变值的一定比例时即发出预警；基于应力设计的管道，根据管材、管径、壁厚及设计内部输送压力，可计算出监测管道的轴向容许附加应力值(在弹性范围内，可将监测的轴向附加应变转换为轴向附加应力)，若当前轴向附加应力值达到或超过容许附加应力值的一定比例时即发出预警。按照当前管道轴向附加应变(或应力)值占相应容许值的不同比例，将管道安全预警级别分为蓝色、黄色、红色3个等级。当管道轴向附加应变(或应力)值达到相应容许值的30％时，发布蓝色预警；达到相应容许值的60％时，发布黄色预警；达到相应容许值的90％时，发布红色预警。
4．4．2地震加速度预警阈值
依据《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB 50470—2008)，不同活跃程度的地震断裂带对管线可能造成的破坏程度差异显著。一般来说，对管道沿线全新世活动断裂以及地震峰值加速度大于或等于0.2g的地震断裂带要予以重点关注。当地震烈度达到0.2g时，即发出预警信息。
4．5 管道安全监测预警系统的应用
目前穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统已部分应用于国内某基于应力设计的天然气管道穿越牛首山—罗山活动断裂带处。监测传感子系统在断裂带两盘及断裂带内分别安装l组管道应变监测装置，以无线远程遥测方式实时采集穿越断裂带的管道应变数据，并由数据管理与处理子系统对监测数据进行管理、分析和存储，实时计算出管道轴向附加应力的变化情况，出现异常即发布预警。
该处管材为X70钢，管道直径为1016mm，管道壁厚为14.6mm，设计内部输送压力为l0MPa，按操作和安装温差20℃计算的管道容许轴向附加拉、压缩应力分别为383.72MPa和-147.74MPa，相应的应力预警阈值如表2所示。
从系统监测成果看，自2008年12月至今，应变监测Xl、X3截面轴向附加应力未达到过预警阈值；应变监测X2截面在2013年4月1 5日因轴向附加压应力超过容许附加应力的30％，曾出现过l次蓝色预警。管道轴向附加应力总体在温差和输送内压作用的合理范围内波动。相关管道管理部门根据系统监测成果，及时掌握了穿越活动断裂带管道的力学状态。
监测系统输出的各应变监测截面轴向附加应力如图6所示。
5 结束语
穿越地震断裂带的管道安全监测预警系统的设计理念是兼顾灾害的主、客体，分别对致灾体和承灾体开展行之有效的监测。系统利用先进的传感元件和数据采集设备，全天候、不间断地监测管道工作状态，在计算机硬件和软件系统的支持和控制下，通过对测量和采集的数据进行处理和分析，自动评价管线的局部安全状态，并将监测和分析结果自动地存入计算机作为管线运行的历史档案。
在管道应变监测的基础上，结合断层两盘相对位移、地震加速度监测，町以更加准确地了解管道工作状态的变化过程，了解管道损伤累积和安全性下降的状况，为管道维护提供科学依据。
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本文作者：黄建忠 杨永和 刘伟 张照旭 席莎
作者单位：北京科力华安地质灾害监测技术有限公司
中国石油管道联合有限公司西部分公司
中国石油西气东输分公司
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