分享：某储气库压缩机管线的服役应力监测数据分析

储气库间断调峰作业会引起管道工作压力、流速、管体温度等参数的变化，而在阀门、变径、入地弯头、支座等部位引起复杂应力承载。长时间运行管道受压力波动、地基沉降等内外因素作用与振动的叠加影响，其局部管线承载情况尤为复杂，而影响储气库安全运行。 

目前储气库应力研究多关注于地下储层应力敏感性，对管线应力的研究较少。特别是沉降、振动协同作用对管线应力分布的影响仍不明确，获取现场实际应力数据的变化规律对于安全评估具有重要意义[1-3]。近年油气储运设施多在特定工艺窗口、时间段对重点关注位置进行应力检测，对承载动载管线的长期应力变化跟踪不及时、不连续[4-8]。 

某含硫气藏型储气库，地面注采集输工艺采用 “注采井口双向计量，水平井两级降压，直井高压集气，开工注醇，加热节流，三甘醇脱水 ”的主体工艺技术；管线易腐蚀，进口压力低于设计值，部分管线会发生局部剧烈振动现象。 

文章基于应变法的动态应力监测方法，设计、建立了一套储气库管线在线应力监测系统，基于该含硫气藏型储气库场站管线应力、振动检测的大量前期数据，选取重点位置，开展应力长期监测，对压缩机切换、地层波动等多种条件下的应力变化进行监测、分析，促进实现数字化管理。文章研究结果为压缩机维护、储气库安全运行提供了技术支撑，为油气管线运行、评估提供了一种有效的辅助方法。 

1.   某储气库工作特点

某储气库是我国低渗、含硫气藏型储气库，采出气含H2S、CO2等酸性气体，该库储气约3.7×109 m3，调峰期每天可最大供气4×106 m3，具备季节调峰和应急储备双重功能。根据规范SY/T 0599《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求》的规定，计算H2S分压，确定管线输送原料天然气属于SSC3级，管线材料选取L360钢级S类(高质量等级)，其弹性模量为260 GPa，泊松比为0.3，屈服强度约为530 MPa。考虑到管线输送原料气和储气库管线要求、设计使用年限，此储气库的管线钢采用QS等级（对原材料进行正火＋回火热处理），采气系统全部采用抗硫材料管材，确保储气库安全平稳运行。 

目前，此储气库工作特征表现为：进口压力值低于设计值、3台压缩机组振动状态有差异、除油器局部管线振动较大、廊架管线短时振动大。其运营状态有以下需求。 

（1）注采井场内管道和双向输气管道均属注采同管，管道在强注强采的同时将长期承受交变应力，需要开展抗硫管材在交变应力影响下的状态监测。 

（2）调峰、采注转换、多机组切换等工艺模式下的压缩机和管线振动、应力特征需要尽快摸清，振动特征与应力波动复合作用需要进一步研究。 

因此，需要开展长时间连续应力监测的试验研究。 

2.   储气库管线在线应力监测系统

2.1   应力监测系统

采用的分布式在线应力监测系统具有轻便小巧、通讯可靠、传输距离远，测试精度高、噪声低、漂移小，环境适应性强、可维护性高等特点，适用于工程测试领域的长期在线监测，可用于油气管线、桥梁建筑、轨道交通等的状态监测，满足恶劣环境下应变、应力、位移、振动等物理量的监测。 

应力在线监测系统由前端传感器、采集器、控制器和计算机构成，每个采集器支持4路信号输入，各个采集器之间、采集器与控制器均采用RS485总线通讯，每台控制器支持4路总线信号输入，每一路总线最多支持8个采集器（满通道128通道），采集器最大 同步采样频率为100 Hz，支持控制器之间同步扩展。数据通过数采设备和通讯模块发送至主机。监测软件部署在主机，实现对采集数据的分析、存储、展示。传感器安装在指定点位，信号线连接数采模块，数采模块内置通信模块接入站内局域网，数据通过光缆发送至监测软件，实现对数据的在线采集，以及分析、存储、展示。 

2.2   现场安装、传感器及防爆设计

为满足此项目的多点应力检测要求，开发了一致性高的金属应变计，每个传感器进行了延长接线的校准试验；对部分高温测点，进行了温度补偿校准试验。对多种黏合剂进行了优选试验，优选满足大气暴露、风沙打击、高温管线、长时连续耦合要求的优质稳态黏合剂，保障传感器的高质量信号状态。开发了多通道及通道编组技术，远程应力监测系统可并行进行多个点位的应力在线测量，也可进行任意点位信号的编组、切换。系统可进行两种跟踪测量，一种是连续测量，即在监测过程中连续监控管体动态应力变化；另外一种为间隔测量，即在固定时间段内，对指定观察点的应力进行静态测量，跟踪水压试验对管体残余应力的释放效果。 

所有电源线、数据线采用金属套管防护，埋入地下；主机箱为防爆配电柜，设防水外壳，防护等级为IP65，机壳、信号、电源均接地处理。爆炸危险区域内安装的电动仪表、电动执行机构等电气设备均符合相关标准的规定。储气库管线在线应力监测系统结构示意如图1所示，应力监测系统点位的布局如图2所示，应力监测现场如图3所示，传感器实物如图4所示。 

图  1  储气库管线在线应力监测系统结构示意

图  2  应力监测系统的点位布局示意

图  3  应力监测现场

图  4  传感器实物

2.3   系统报警设置

系统可定义测点，包括测点基本信息，可设置采集、传感器参数。系统可通过视图观测实时图谱，与典型异常图谱特征对比，结合预设判据，判断监测点位状态是否正常。如果触发报警阈值，则会显示报警级别。 

3.   监测点位确定

针对该储气库的运行状态，某年度分别采用压电振动法、超声法、应变法采集设备进行振动、应力检测。振动检测采用三向IEPE（集成电路型压电式）加速度传感器，采集实时加速度数据并绘制相应曲线，再进行积分计算输出振动数据均方根速度值（Root Mean Square）。应力检测设备采用URS-XSM04型超声波法应力检测仪，先后完成主压缩机21处、除油器附属管线7处、北部廊架管线22处振动测点的检测；主压缩机出口、除油器管线、廊架弯头11处管环应力检测；小计应力检测120点，振动检测240点。涵盖调峰工艺转换、多机组切换、采注转换等关键窗口压缩机及管线关键位置的振动、应力检测，基于以上数据，对场站重点关心区域进行了识别、选取，检测现场及储气库振动、应力检测数据如图5所示。例如，从超声波法管线应力检测结果中观察到，测点编号“2-2# ”处（即除油器水平直管处），最低应力值与最大应力值比值约0.461 5。 

图  5  检测现场及储气库振动、应力检测结果

依据某年度4月、5月、9月三次工艺窗口压缩机及其辅助管线、廊架管线几十处点位的振动、应力检测数据，确定长期监测点位(见表1)，主要有以下3处。 

（1）压缩机一级出口高温管线（斜管处）测点：此处临近压缩机出口，管线表面温度约70 ℃。 

（2）转角测点（弯头处），横梁测点（仅1#压缩机）：管内流体在弯头处流向会发生改变，可能导致弯头处气流压力发生周期性变化而引发裂纹损伤。 

（3）除油器水平直管段处测点：前期检测时发现此处管环的腰线3、9点钟处应力值大、振动大。 

（4）北部廊架出地面处1处：地下管线出地面，管线拘束度发生变化处。 

4.   监测数据及分析

所提方法基于弹性应变原理，监测值为测点应力变动值。对典型工艺窗口应力状态监测数据进行分析，包括波动、机组切换、测点比较、压缩机差异分析。 

4.1   压缩机运行（间错开机）

应力数据开始采集时，机组运行状态为：1#、3#压缩机开机，2#压缩机停机；三台压缩机之间为串连接；进口压力约4.42 MPa，出口压力约17.4 MPa。由于未在压缩机机组启动前开机监测，零应力状态未捕捉到。对一周数据进行分析，开始时刻为某年3月26日上午11时28分，截止时间168 h后，分析管线受力特征。采样频率为/次·S–1；数据监测结果即应力监测单周分析（3月26日-4月2日）结果如图6所示。 

图  6  应力监测单周分析结果

从监测结果可以得到以下结论。 

（1）运行压缩机组管线服役应力特征 

3#压缩机测点比1#压缩机的稳定。出口斜管处测点，应力波动范围为-5 MPa~+5 MPa；1#压缩机部分时间段接近或超过10 MPa；其中测点“AI-3-01#”稳定性好于测点“AI-1-01#”的，如图6（a）所示。

弯头处测点，1#机组弯头处应力大于3#机组的。3#压缩机应力波动范围为-2.5 MPa~+5 MPa；1#压缩机应力波动范围为0 MPa~15 MPa；其中测点“AI-3-02# ”稳定性明显好于测点“AI-1-02# ”的，如图6（b）所示。 

除油器水平直管处测点，3#压缩机应力波动范围为-10 MPa~+20 MPa；1#压缩机应力波动范围为+20 MPa~+50 MPa；半振动幅度约15 MPa，如图6（c）所示。 

北部廊架下出地面处管线测点，应力振荡范围为-10 MPa~+40 MPa，此处曲线波动趋势和除油器水平直管测点处趋势相同，如图6（d）所示。 

（2） 2#停机压缩机管线服役应力分析 

停机压缩机管线服役应力呈周期疲劳承载特征，波动幅值范围不低于开机压缩机管线的。随井口压力波动，2#压缩机的监控测点振荡范围为-20 MPa~+20 MPa；监测点的应力幅值、变化速率（应力曲线一阶导数）表现为：弯头处测点“AI-2-02#”>除油器水平直管处测点“AI-2-04#”>出口斜管处测点“AI-2-01#”，说明弯头处应力拘束度大，升载时，测点承载升率顺序增加，弯头处测点“AI-2-02#”承载升率最快，卸载时三个测点反而降载率接近，如图6（e）所示。 

同时可以看到，数据在一周内存在7个周期性波动，单周期约24 h，根据采集开始时间计算，下午3点半时井口压力最低，晚11时至第2天早8点时压力处于高峰值。在周期末端，测点“AI-2-01# ”、“AI-2-02# ”有应力深坑现象，应力值垂直下降、垂直上升，而除油器后的“AI-2-04# ”测点无此现象，如图6（f）所示。 

根据储气库当周的大气记录，气温按照每天最大10 ℃波动，L360钢的膨胀系数为1.2×10−5 mm/℃，传感器长度为78 mm。计算出温度应力为0.4 MPa。 

因此，2#压缩机停机状态的应力波动由井口压力引起，排除温度应力影响。 

4.2   压缩机切换开机

数据分析时间段起始时刻于4月14日上午9时46分，采样频率为/次·S–1，截止时刻在168 h后。当日上午11时，由1#、3#号压缩机组运行切换为2#、3#号压缩机组运行，即1#压缩机停机、2#压缩机启机；切换时间距离数据分析起始时刻约5 000 s左右。压缩机组切换的数据监测结果如图7所示。 

图  7  压缩机切换时应力监测分析结果

（1）机组停止时 

可以看到1#机组停机后，测点上的服役应力由水平承载变为波动特征，笔者分析认为该现象是由机组之间管线的连接关系所致。 

（2）机组启动时 

可以看到2#机组启动开机后各测点承受一个较大的大脉冲压力，弯头处测点“AI-2-02#”受冲击力最高，跃升最大差值约70 MPa，然后降低。 

2#机组开机后，斜角处、弯头处只承受气流静载荷，疲劳载荷特征消失，管线综合受力由波动应力+管线内气流压力，变为只承受气流压力（2#机水平直管段处除外）。 

图7（e）为2#机水平直管段处测点在4月7日—14日（蓝色曲线）、4月14日—21日（红色曲线）的承载曲线，可以看到，开机后2#机水平直管段处（AI-2-04#）的承载疲劳特征得以保留。 

4.3   管线服役应力特征分析

4.3.1   管线服役应力计算

设管线服役应力为 

式中：PF为管线服役应力（综合受力）；P气压为管线内的气流压力（在管体上可反映为轴向应力、环向应力）；PC可视为波动应力（或变动应力）；PC1，PC2分别为被测点轴向应力变动的最低值和最高值。 

静力学条件下，管线轴向应力为P气压；所提方法监测值为PC2-PC1，因此，管线服役应力为 

式中：σvon Mises为等效米塞斯应力。 

例如，在文章4.1节中压缩机交错开机工艺窗口时，管线气流压力计算为 

经计算，在此时的管线工作载荷下，小于屈服强度（可计入安全系数），可视为安全。在高速流体运动时，应考虑到伯努利效应，内压力低于实际静水压力。 

4.3.2   管线服役应力承载特征分析

对管线受力的疲劳特征有新的认识，可以分为运行管线、非运行管线：①运行时，斜管处、弯头处管线承受的服役载荷为固定气流压力载荷；②运行时，除油器出口水平直管段处承受的服役载荷具有典型疲劳低频载荷特征，振动幅度达到其屈服强度的8%左右；3#压缩机的水平直管段处应力循环比[P气压/（P气压+(PC2−PC1)]约为0.46（与单点应力检测吻合），1#压缩机的水平直管段处的应力比约为0.64，为典型的低周疲劳载荷特征；③运行时，出地面管线处承受典型疲劳低频载荷，振动幅度约为其屈服强度的8%，应力循环比接近0.5；④非运行时，斜管处、弯头处、水平直管段处的管线承受管线串连引起的波动应力载荷，在此场站的压缩机安装条件下，仍旧承受低周交变疲劳载荷。未切换3#压缩机组的应力监测结果如图8所示。 

图  8  未切换3#压缩机组的应力监测结果

在振动最大的除油器水平直管处，应力检测、监测结果表明，在运行、非运行时，管线一直承受疲劳载荷，具体表现如下。 

（1）管环上的固定单一点钟承受 

式中：σmin为最小应力；σmax为最大应力。 

（2）管环的各点钟存在应力差，同一管环各点钟应力值不同，呈现气旋特征（对应2-2#测点应力值）。 

建议后期应力的监测点位，在同一管环的多点钟的周向安装多个传感器，更好地反映气流的旋转特征。 

5.   结论

（1）研发的在线应力监测系统，通过控制中心可掌握天然气管线各测点的实际工作状况，对天然气管线状态实时监控，及时掌握其服役应力变化。 

（2）此储气库压缩机的稳定性有差异，3#压缩机测点比1#压缩机的稳定。停机时，压缩机管线服役应力呈周期疲劳承载特征，波动幅值范围不低于开机压缩机管线的，承受典型低频疲劳载荷。在运行、非运行时，应力检测、监测结果表明，在振动最大的除油器水平直管处，振动幅度达到其屈服强度的8%左右，一直承受疲劳载荷。 

（3）压缩机切换时，管线在90 °弯头处承受着较大应力冲击载荷，为最低值的2.3倍。 

综上所述，文章所建立的在线应力监测系统能有效监测储气库管线应力状态，其监测数据为压缩机维护和储气库安全运行提供了有力支撑，对保障油气管线安全运行意义重大。

文章来源——材料与测试网