摘要：基于國家油氣發展戰略和工程教育背景，開發了油氣管道應變測試實驗平臺，提出了基于應變檢測的安全評價方法，并將其用于自主設計實驗和開放型實驗教學，為工科學生創造了良好的實踐條件。結果表明，管道安全評價實踐有助于學生掌握應變的檢測原理、過程及在石油工程領域的應用，加深了學生對專業知識在實際應用的認識，提高了其對于專業知識學習的興趣，培養了團隊合作意識和探索積極性。

　　關鍵詞：油氣管道;應變檢測;安全評價;實驗平臺

　　近年來，隨著以西氣東輸為代表的一批新管道項目的建設，管道作為油氣的主要運輸載體之一，在油氣輸送與行業發展中發揮著越來越重要的作用[1]。長輸油氣管道覆蓋面廣，需要穿越各種復雜的地質環境，因此在役的油氣管道不可避免受到地質災害帶來的潛在威脅，如斷層錯動、山體滑坡、泥石流、凍土等[2-4]。

　　當地質災害發生時，土體會因剪切破壞和體積膨脹產生不可逆的變形，埋地管道會受到土體的推動作用發生破壞[5-7]，架空管道也會因土體沉降不均勻變形受到不同程度的附加載荷作用。為掌握地質災害引發油氣管道的變形規律與失效模式，管道的應變檢測與安全評價方法尤為關鍵[8-9]。

　　管道應力、應變檢測是學生理解并應用力學理論解決工程實際問題的有效嘗試，也是我校油氣儲運、工程力學專業管線力學課程及開放型實驗課程的重點內容。結合我校行業背景和科研資源，同時也為了促進科研與教學協調發展，我校工程力學系與中油遼河工程有限公司聯合研發了管道應變檢測與安全評價實驗平臺(以下簡稱“實驗平臺”)，并在實驗教學和科研實踐中取得了良好效果。

　　1實驗平臺設計原理

　　地質災害誘發油氣管線的主要破壞形式有拉裂破壞、局部屈曲破壞和彎曲破壞等[10]。國內外管道設計規范對管道設計過程中對拉裂、局部屈曲、彎曲引起的橢圓度等有嚴格要求[11-12]。然而，管道的實際破壞往往同時存在多種變形，常常處于復雜的應力狀態下，給災后管道安全評價帶來諸多困難。為保證地質災害多發區油氣管道的安全運行，需要對運營狀態下的管體進行應力應變檢測，判斷管道危險截面與危險點位置，并采取相關的治理措施。目前工程實踐對油氣管道檢測與安全評價的總體實施計劃如下：

　　①對被測管道進行現場工況分析，根據被測管道初步有限元模型，分析管道大致變形規律與危險截面;②根據管道的失效類型，提出應變計貼片的布置方案，選擇和安裝合適的應變計;③確定危險截面計算管道最大等效應力，對管道進行安全校核。油氣管道檢測與安全評價的整體方案設計及實施流程。該方法需要通過有限元建模確定管道的測點布置和管道截面應變計的分設，測點確定過程比較繁瑣，存在一定的誤差[13-14]。此外，管道變形有限元分析需要一定的理論知識和專業背景，不利于短學時的實驗教學。

　　實驗平臺利用相似性原理[15-16]，設計了一套由于地質災害引發的管道變形加載和應變檢測裝置，可以模擬管道在地質災害情況下多向位移載荷的施加、管道應變檢測，并基于檢測結果提出管道的安全評價方法。實驗過程具有實時可見、檢測方案簡單高效等特點，既適用于管線力學的實驗教學，也可用于管道模型的檢測示范，也可在工程中推廣應用。

　　2實驗平臺設計與流程

　　針對以上實施過程，設計了一套管道位移加載和應變檢測裝置，開展管道安全評價研究。所設計的管道安全評價實驗平臺包括：實驗架、管道、管道固定及軸向位移加載裝置、橫向位移加載裝置、管道內壓加載裝置、應變檢測及分析裝置。實驗架可通過底部螺栓固定在實驗桌上。管道采用無縫鋼管，左右兩端采用法蘭連接，管道左端法蘭與實驗架左立柱連接固定。管道軸向位移主要通過管道右側法蘭與實驗架右立柱的連接螺栓進行加載，右法蘭與實驗臺右立柱之間有聚合物圈間隔，同時右法蘭與右立柱之間裝有位移傳感器，可測定所施加的管道軸向位移載荷大小。

　　在通過實驗架右側立柱焊接3塊圓弧形加強筋，每塊加強筋加工兩個螺紋孔，通過3組加強筋的加載螺栓推動右側法蘭產生橫向位移。實驗臺右側立柱加工7×7排直孔，孔間距為6mm，可以通過調整法蘭與直孔的連接測定管道橫向變形量。

　　為模擬復雜應力狀態作用下的位移載荷，配合實驗臺右側立柱的直孔施加橫向位移，分別旋進水平、垂直兩個方向加載螺紋，推動右側法蘭移動，當法蘭上螺紋孔與設定位移載荷位置對應的螺紋孔重合，利用右法蘭與右側立柱之間的連接螺栓固定右法蘭位置，確保測試過程管道的橫向位移保持不變。管道左右兩側下方各開1小孔，右側小孔與內壓加載裝置連接，施加內壓載荷，左側小孔與泄壓閥連接。應變檢測及分析裝置，主要包括應變片組和數據采集分析系統。管道測試段沿長度方向粘貼8組應變片，每組應變片沿環向布置。

　　每一個應變片引出一個接頭，可根據需要選擇所需要的測點。管道安全評價方法分為確定管道危險截面、確定危險點和安全評價3個環節。應變片檢測應力由管道各項載荷引起，在小變形范圍內，每種內力都可以處理成線性變化。學生可結合材料力學理論，確定所需要采集的應變片組數和測點位置，建立危險截面各測點應力與管道內力的方程組，聯立求解確定管道各項內力。每個測點應變片檢測應力由管道各項載荷引起，運用材料力學理論，建立危險截面各測點應力與管道內力的方程組。

　　3實驗教學與實踐

　　通過對實驗平臺的不斷完善，目前已成功應用于油氣儲運專業開放型實驗和自主設計實驗教學。在教學實施過程中，培養了學生實踐動手能力，特別是運用所學知識創造性地解決工程實際問題的能力，同時也通過教學反饋，進一步完善了實驗教學模式。該實驗共設計了8個學時，以兩個學時為一個單元，分別用于基礎理論教學、實驗方案制定、實驗實施和結果反饋。

　　第一單元，指導教師主要向學生介紹長輸油氣管道鋪設形式，地質載荷作用下管道的變形失效規律，現場管道檢測的操作規范和流程、防止管道地質災害損傷采取的控制方法，以及數據采集系統的工作原理等，并結合實驗室教學模型，演示應變片粘貼、接頭焊接、數據采集器的使用。基礎理論教學使學生對問題有一個直觀的認識，對實驗任務的具體實施也形成一個初步的框架。

　　第二單元，學生結合實驗指導書，制定詳細的實驗方案，包括施加在管道模型的載荷種類、應變片測試組選擇、溫度效應補償、測試點數據處理等。要制定合理的實驗方案，學生必須在實驗前通過自學掌握電阻應變片的工作原理、應變檢測的基本流程、應變片橫向效應的修正等。指導教師需要根據學生實驗方案中的具體問題提供指導。

　　第三、四單元為實驗和結果處理與反饋環節。實驗實施過程主要包括：根據實驗方案選擇測點，將對應應變片引線接入應變儀，將溫度補償片接入應變儀公共補償段線路，加載測試，完成結果處理和實驗報告。雖然測試原理在實驗應力分析課程中有介紹，但由于學生平時沒有機會體驗針對工程實際問題開展的測試工作，在第三、四單元實驗中還是遇到了很多困難，諸如補償片選擇位置、正確的接線步驟、加載控制等，同時載荷形式的多樣性選擇也給實驗過程制造了難度。

　　實驗過程考核采取分項記分的方式，主要從查閱文獻、制定實驗方案、搭建測試裝置、處理實驗數據、實驗中臨場問題處理以及實驗報告等幾個方面綜合評定。通過實驗方案、實驗報告等書面文件，可以看出學生對此次實驗的重視程度，每一位學生都做到了真正動手、動腦和團隊協調合作。

　　通過實驗能夠實現：①使學生更好地了解應變檢測、基于應力的安全評價和工程實際問題之間的區別與聯系，進一步加深對理論指導實踐的感性認識;②使學生進一步加深對測試技術在科學研究和實踐過程中作用的理解，熟悉應變檢測系統的組成、檢測原理和使用規范，掌握數據分析及誤差處理的原理及過程;③使學生進一步理解專業知識在實際應用過程中的重要作用，提高學生對于專業知識學習的興趣。

　　4結語

　　通過基于應變檢測的管道安全評價實驗項目，將油氣儲運工程實踐問題、管線應力應變檢測與管線力學有機結合，促使多門課程的專業知識之間的綜合應用。實踐證明，該項目使學生熟悉了本專業的工程背景和需要解決的工程問題，激發了學習興趣，啟發了學生進行更深層次的思考。同時，管道安全評價的開放型實驗提升了本科實驗教學的質量和效果，特別是增強了本科生從事科研工作的興趣。此外，該項目達到了教學和科研互相服務和促進的目的，值得在油田、培訓機構進一步應用和推廣。

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　　作者：張能1，孫峰2