海底油氣管道弱磁應力內檢測
2021-06-17 03:13:31
hualin
1 引言(yan)
鋼(gang)質管(guan)(guan)(guan)道由(you)于外(wai)界因(yin)素或(huo)(huo)自(zi)身(shen)因(yin)素產生(sheng)微觀(guan)結(jie)構(gou)畸變(bian)或(huo)(huo)者彈塑性(xing)形變(bian)時(shi)會(hui)產生(sheng)大量應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)區域，當應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)達(da)到材(cai)(cai)料屈服(fu)極限時(shi)，將很可(ke)能(neng)導(dao)致突發性(xing)事故(gu)的發生(sheng)。海底油氣管(guan)(guan)(guan)道由(you)于其復雜的地(di)理(li)環境(jing)，在(zai)傳統管(guan)(guan)(guan)道缺陷(xian)之外(wai)，更容易產生(sheng)管(guan)(guan)(guan)道漂(piao)移、振動、應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)等情況。常規的管(guan)(guan)(guan)道內缺陷(xian)檢(jian)(jian)測(ce)技術只能(neng)檢(jian)(jian)測(ce)管(guan)(guan)(guan)道中(zhong)(zhong)較明顯的宏觀(guan)缺陷(xian)，而難以檢(jian)(jian)測(ce)管(guan)(guan)(guan)道中(zhong)(zhong)由(you)應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)造成的微觀(guan)損(sun)傷(shang)，因(yin)此無(wu)法避免由(you)于應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)引起的管(guan)(guan)(guan)道危害事故(gu)。管(guan)(guan)(guan)道弱磁(ci)應(ying)力內檢(jian)(jian)測(ce)技術可(ke)以在(zai)非勵磁(ci)條件下(xia)（地(di)磁(ci)環境(jing)下(xia)），通過檢(jian)(jian)測(ce)鐵磁(ci)性(xing)材(cai)(cai)料在(zai)應(ying)力狀態下(xia)的弱磁(ci)信號(hao)，來判斷材(cai)(cai)料的應(ying)力變(bian)形和損(sun)傷(shang)狀態，預判危害發生(sheng)，彌補(bu)了傳統管(guan)(guan)(guan)道內檢(jian)(jian)測(ce)技術的不足(zu)，且具(ju)有設(she)備輕(qing)便、無(wu)需專門磁(ci)化(hua)、快速便捷、靈(ling)敏(min)度高等優點 。我公(gong)司對弱磁(ci)應(ying)力內檢(jian)(jian)測(ce)技術進行了研究和工(gong)程應(ying)用(yong)，介(jie)紹如下(xia)。
2 管道弱(ruo)磁應力(li)內檢測技術(shu)
2.1 管道(dao)弱磁應(ying)力內檢測機(ji)理(li)
在(zai)(zai)(zai)(zai)地磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)環境下，鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)金屬構件(jian)的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中區(qu)會產生(sheng)不(bu)同于非應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中區(qu)的(de)(de)微弱(ruo)(ruo)磁(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)(hao)，弱(ruo)(ruo)磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測方法的(de)(de)檢(jian)測機(ji)理(li)是通過檢(jian)測該種(zhong)微弱(ruo)(ruo)磁(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)(hao)，來判(pan)斷(duan)鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)構件(jian)的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)損傷區(qu)域和應(ying)(ying)力(li)(li)損傷程度。在(zai)(zai)(zai)(zai)地磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)下的(de)(de)鐵磁(ci)(ci)(ci)(ci)構件(jian)，應(ying)(ying)力(li)(li)會使其內部(bu)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)疇形(xing)狀和分布發生(sheng)改(gai)變，在(zai)(zai)(zai)(zai)其表面以漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)形(xing)式出(chu)(chu)現(xian)自(zi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化的(de)(de)增長(chang)，在(zai)(zai)(zai)(zai)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中區(qu)會出(chu)(chu)現(xian)最(zui)大應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中區(qu)處磁(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)軸向(xiang)分量(liang)Hx出(chu)(chu)現(xian)極(ji)值(zhi)，而(er)徑向(xiang)分量(liang)Hy過零點的(de)(de)現(xian)象，弱(ruo)(ruo)磁(ci)(ci)(ci)(ci)信(xin)號(hao)(hao)特(te)征如圖1所示。
圖1 弱磁信號(hao)特征
2.2 管(guan)道弱磁(ci)應力內檢測系統
管(guan)(guan)道(dao)弱磁(ci)應力(li)內檢(jian)測系統由(you)管(guan)(guan)道(dao)弱磁(ci)應力(li)內檢(jian)測裝置、里程標定裝置和數(shu)據分析處理系統三部分組成。
管(guan)道(dao)弱(ruo)磁應(ying)(ying)力(li)內(nei)檢(jian)測裝置以(yi)管(guan)道(dao)內(nei)所輸送介質為(wei)動力(li)，基于弱(ruo)磁應(ying)(ying)力(li)檢(jian)測原理對管(guan)道(dao)內(nei)的(de)應(ying)(ying)力(li)集中(zhong)區進行檢(jian)測，其裝置如圖2所示。
圖2管(guan)道弱(ruo)磁應力內檢(jian)測裝置(zhi)
里程標(biao)定裝置(zhi)包括管(guan)道(dao)(dao)外標(biao)記(ji)標(biao)定、管(guan)道(dao)(dao)內外時(shi)間同步標(biao)定和里程輪記(ji)錄三部分(fen)，對行進(jin)里程等信息(xi)進(jin)行記(ji)錄，從(cong)而精確定位管(guan)道(dao)(dao)上應力集中區及管(guan)道(dao)(dao)特殊部件。
數(shu)據分(fen)析處理(li)系統通過實(shi)時傳(chuan)輸(shu)管道(dao)弱(ruo)磁應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)內檢測裝(zhuang)置(zhi)上的(de)弱(ruo)磁傳(chuan)感器檢測得到的(de)弱(ruo)磁信號，并對(dui)其(qi)進行可(ke)視(shi)化(hua)處理(li)，從而對(dui)管道(dao)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中區(qu)檢測結果(guo)進行分(fen)析。數(shu)據判(pan)讀人員通過觀測可(ke)視(shi)化(hua)結果(guo)中的(de)弱(ruo)磁信號特征，判(pan)斷應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中區(qu)的(de)分(fen)布，根(gen)據對(dui)應(ying)(ying)(ying)的(de)里程信息(xi)判(pan)定應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中區(qu)所在(zai)位置(zhi)并進行標記。
3 外界磁(ci)場(chang)和(he)探(tan)頭提離值對弱(ruo)磁(ci)信號的影響
3.1 模型的建立
弱(ruo)磁(ci)信號(hao)是(shi)在地磁(ci)場環(huan)境下鐵磁(ci)性金屬(shu)構件應(ying)力集中區產生(sheng)的(de)微弱(ruo)磁(ci)信號(hao)。在管道中，管壁(bi)(bi)由鐵磁(ci)性金屬(shu)組(zu)成，外界磁(ci)場復雜，而(er)且在檢(jian)測過程中，弱(ruo)磁(ci)應(ying)力檢(jian)測探(tan)頭與(yu)管壁(bi)(bi)之間存在一定提離(li)值(zhi)。為(wei)了保(bao)證(zheng)檢(jian)測數據的(de)準(zhun)確(que)性，對外界磁(ci)場以及(ji)探(tan)頭提離(li)值(zhi)對弱(ruo)磁(ci)信號(hao)的(de)影響進行分(fen)析。
為了模擬管道中(zhong)應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)區(qu)(qu)的磁信(xin)號特征，進而研究應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)區(qu)(qu)的磁信(xin)號變化規律，建立了含應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)區(qu)(qu)的1/4鋼管模型，鋼管上應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)區(qu)(qu)尺寸3×3×3 mm，如圖3所示。
圖3 含應力集(ji)中區(qu)的鋼管模型
在(zai)鋼板研究區域上方(fang)1 mm提離(li)值沿徑向(xiang)方(fang)向(xiang)設置(zhi)掃描路徑，研究此(ci)路徑上方(fang)弱磁信(xin)號(hao)分(fen)布(bu)情(qing)況(kuang)。應(ying)力(li)集(ji)中區弱磁信(xin)號(hao)分(fen)布(bu)如圖4所示，發(fa)現在(zai)應(ying)力(li)集(ji)中區處的弱磁信(xin)號(hao)軸向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)存(cun)在(zai)最大值、徑向(xiang)分(fen)量(liang)(liang)過(guo)零點，與弱磁應(ying)力(li)內(nei)檢測(ce)機理(li)信(xin)號(hao)特征(zheng)一致，模(mo)型建立(li)成功。
a）軸向磁場強度
b）徑向磁場強度
圖4 應力集中區弱磁(ci)信號分布
3.2 外(wai)界磁場對弱磁信號(hao)的影響
在建立的(de)仿真模(mo)型區域(yu)上方(fang)1 mm提離(li)值(zhi)沿軸向方(fang)向設置掃描路(lu)徑，研究此(ci)路(lu)徑上方(fang)弱(ruo)磁(ci)(ci)信號在不同外(wai)界磁(ci)(ci)場(chang)強度下(xia)的(de)變化(hua)規律，當研究區域(yu)處(chu)于地磁(ci)(ci)場(chang)環境下(xia)，結果如圖5所示，隨(sui)著(zhu)鐵磁(ci)(ci)性構件表(biao)面(mian)(mian)所受(shou)應(ying)(ying)力(li)的(de)增(zeng)加，構件表(biao)面(mian)(mian)的(de)弱(ruo)磁(ci)(ci)信號變化(hua)幅值(zhi)增(zeng)加，弱(ruo)磁(ci)(ci)信號在應(ying)(ying)力(li)集中區表(biao)現出的(de)特(te)征越(yue)明顯(xian)。
圖5 地磁場環境下的磁力學關系(xi)
為(wei)了分析(xi)圖(tu)3所標(biao)記(ji)的(de)研究(jiu)區域在不同外(wai)界磁(ci)(ci)場下(xia)的(de)磁(ci)(ci)信號變(bian)化特征(zheng)，設置外(wai)界磁(ci)(ci)場為(wei)單一變(bian)量(liang)，在應(ying)力集中程度(du)、試件檢測位置等(deng)其余影響因(yin)素保持(chi)一致的(de)情況下(xia)，提高空間(jian)磁(ci)(ci)場強(qiang)度(du)，不同外(wai)界磁(ci)(ci)感應(ying)作用下(xia)的(de)磁(ci)(ci)力學關系曲線如(ru)圖(tu)6所示，橫坐標(biao)-5～5 mm范圍內為(wei)應(ying)力集中區域。
圖(tu)6 不同磁(ci)感應強(qiang)度作用下的磁(ci)力學關系曲(qu)線
從圖(tu)6可以(yi)看出，隨外界(jie)磁(ci)(ci)感應強(qiang)度增(zeng)(zeng)加，構件表面的(de)應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)附近(jin)(jin)，弱(ruo)磁(ci)(ci)信號(hao)數值增(zeng)(zeng)加，但是應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)域(yu)(yu)弱(ruo)磁(ci)(ci)信號(hao)與(yu)(yu)附近(jin)(jin)信號(hao)的(de)差(cha)值減小；當(dang)外界(jie)磁(ci)(ci)場達到100 μT時，應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)域(yu)(yu)的(de)弱(ruo)磁(ci)(ci)信號(hao)與(yu)(yu)附近(jin)(jin)信號(hao)的(de)差(cha)值不明(ming)顯，弱(ruo)磁(ci)(ci)信號(hao)被覆蓋(gai)，難以(yi)識別應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)。
因此，使用弱磁(ci)應力內檢測器(qi)進行檢測時，應保證外界磁(ci)場強度低(di)于100 μT，否則，將(jiang)影響弱磁(ci)信號的(de)識(shi)別。
3.3 提離(li)值對弱磁信號的(de)影響
為了(le)研(yan)究不(bu)同提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)情況下(xia)弱磁(ci)(ci)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)變化(hua)規律，在應力(li)集(ji)(ji)中程度(du)(du)一(yi)定的(de)(de)(de)情下(xia)，弱磁(ci)(ci)信(xin)號(hao)在提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)為0～15 mm的(de)(de)(de)范圍內的(de)(de)(de)變化(hua)規律如圖(tu)7所示。圖(tu)中橫坐標180～220 mm為應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)。由圖(tu)7可(ke)見，當測量點(dian)距離(li)(li)(li)(li)表面(mian)(mian)具有一(yi)定提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)時候仍然存在弱磁(ci)(ci)信(xin)號(hao)，且在提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)較小(xiao)時，能明(ming)顯分(fen)辨出應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)。隨著提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)逐(zhu)(zhu)漸增加(jia)，磁(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)逐(zhu)(zhu)漸減(jian)小(xiao)，當提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)小(xiao)于10 mm時，可(ke)以看出模型計(ji)算的(de)(de)(de)曲線有較好的(de)(de)(de)重復(fu)性，能夠識(shi)別應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)。隨著提(ti)離(li)(li)(li)(li)值(zhi)(zhi)增加(jia)，鋼板(ban)表面(mian)(mian)磁(ci)(ci)感(gan)應強(qiang)度(du)(du)明(ming)顯下(xia)降(jiang)，應力(li)集(ji)(ji)中區(qu)辨識(shi)度(du)(du)降(jiang)低，弱磁(ci)(ci)信(xin)號(hao)不(bu)可(ke)檢。
圖7不同提離(li)值下的磁(ci)信號變化規律(lv)
通過建立三維磁(ci)荷(he)模型(xing)并加入磁(ci)傳遞因子研究空間中(zhong)弱(ruo)(ruo)磁(ci)信(xin)號的傳遞規律，對不(bu)同提離(li)(li)值(zhi)下的弱(ruo)(ruo)磁(ci)信(xin)號進行仿真計算，可得傳遞因子與傳播距離(li)(li)的一階(jie)下降(jiang)指(zhi)數函數關系(xi)如(ru)圖8所示。
a）軸(zhou)向峰值分布
b）徑向峰值(zhi)分布
圖8 傳遞因子空間傳遞特(te)性
由(you)圖8可見，弱(ruo)(ruo)(ruo)磁信(xin)(xin)號(hao)在空間中傳播時，隨提(ti)離(li)值增加，弱(ruo)(ruo)(ruo)磁信(xin)(xin)號(hao)呈(cheng)衰減趨勢(shi)，且(qie)與提(ti)離(li)值為一階指數(shu)關系(xi)。0～5 mm提(ti)離(li)范圍(wei)內(nei)，弱(ruo)(ruo)(ruo)磁信(xin)(xin)號(hao)衰減較(jiao)快；提(ti)離(li)提(ti)離(li)大于5 mm時，弱(ruo)(ruo)(ruo)磁信(xin)(xin)號(hao)逐(zhu)漸(jian)趨于穩定。
結合圖7、圖8可知，為(wei)了(le)保證應力集中區弱磁信(xin)號(hao)的(de)可識別性(xing)和(he)信(xin)號(hao)穩定性(xing)，提離值在5～10 mm范圍內最優。
4 管道弱磁(ci)應力內檢測技術(shu)的工程應用(yong)
2018年，檢(jian)測(ce)公(gong)司(si)研制了(le)弱磁應(ying)(ying)(ying)力內檢(jian)測(ce)器(qi)(qi)（見圖9）對(dui)某海(hai)底油氣管道進行檢(jian)測(ce)。通過(guo)對(dui)檢(jian)測(ce)數據進行分析(xi)，發現本次(ci)檢(jian)測(ce)中，弱磁應(ying)(ying)(ying)力檢(jian)測(ce)器(qi)(qi)能很好的識別(bie)局部應(ying)(ying)(ying)力集中區域(yu)以及海(hai)底懸空段應(ying)(ying)(ying)力分布情況(kuang)。
圖9 Φ762弱磁應(ying)力內檢測器
4.1 局部應力集中區域(yu)
管材(cai)上出(chu)現(xian)(xian)應(ying)力集(ji)(ji)中時，磁(ci)(ci)信號會發生突然變化，根(gen)據本次弱(ruo)磁(ci)(ci)內檢測(ce)弱(ruo)磁(ci)(ci)信號特征，共發現(xian)(xian)32處應(ying)力集(ji)(ji)中點(dian)，圖(tu)(tu)10是其中的一處應(ying)力集(ji)(ji)中點(dian)圖(tu)(tu)像。從(cong)檢測(ce)圖(tu)(tu)像中，不僅(jin)可以看(kan)出(chu)明(ming)顯的應(ying)力集(ji)(ji)中區域(yu)，還(huan)能看(kan)出(chu)環焊(han)縫和螺旋焊(han)縫，這是因為在焊(han)縫及附近(jin)熱影響(xiang)區，應(ying)力集(ji)(ji)中很明(ming)顯。
圖10 應(ying)力集中(zhong)點圖像(xiang)
4.2 懸空(kong)段應力檢測結果
將(jiang)海(hai)底(di)油氣(qi)管(guan)道(dao)漏磁(ci)檢測結(jie)果和(he)(he)海(hai)底(di)路由(you)檢測結(jie)果對齊后，在里(li)程90.3 km及(ji)45.5 km發現兩處海(hai)底(di)懸空(kong)管(guan)段(duan)，長度分別為36 m和(he)(he)7 m。海(hai)底(di)管(guan)線出現懸空(kong)管(guan)段(duan)后，在海(hai)流作(zuo)用(yong)下將(jiang)會發生渦激振(zhen)動及(ji)長期疲勞(lao)破壞的(de)危險。在本次(ci)弱磁(ci)應力檢測中(zhong)，懸空(kong)管(guan)段(duan)附近有明顯弱磁(ci)信(xin)號變(bian)化(hua)，如圖(tu)11和(he)(he)圖(tu)12所(suo)示。
圖11 里程(cheng)90.3km懸空管段弱磁信號
圖12 里程45.5km懸空管段弱磁信號
; 管(guan)道弱(ruo)磁應力(li)內檢(jian)測器在(zai)管(guan)道中(zhong)檢(jian)測后(hou)得到的(de)圖像(xiang)不僅(jin)能清晰的(de)分(fen)辨出管(guan)道中(zhong)的(de)典型特征如環焊縫(feng)(feng)、螺旋焊縫(feng)(feng)等，對應力(li)集(ji)中(zhong)區十分(fen)敏感，除(chu)(chu)此之外，還能發現海底管(guan)道由(you)于(yu)懸空段造成的(de)應力(li)集(ji)中(zhong)，排除(chu)(chu)安全(quan)隱患。
5 前景展(zhan)望
海(hai)底油氣(qi)管(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)在(zai)使用過(guo)程中，因潮(chao)汐、洋流、第三(san)方施工等因素，管(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)容易(yi)發生振動(dong)、懸空、應(ying)力(li)(li)(li)集中等現象(xiang)。而一旦應(ying)力(li)(li)(li)集中過(guo)大，容易(yi)造成管(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)變(bian)形甚至發生斷(duan)裂。弱磁應(ying)力(li)(li)(li)內(nei)檢測(ce)器能檢測(ce)出海(hai)底油氣(qi)管(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)中的應(ying)力(li)(li)(li)集中區，預(yu)判危害(hai)的發生，對管(guan)(guan)(guan)道(dao)(dao)安全(quan)進行提前預(yu)警。
弱磁應力(li)內檢測(ce)的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)，能發(fa)(fa)現傳(chuan)統檢測(ce)器發(fa)(fa)現不了的(de)(de)(de)(de)，對(dui)管道強度已經產生影響的(de)(de)(de)(de)應力(li)集(ji)中區，提前發(fa)(fa)現潛在的(de)(de)(de)(de)危險(xian)源(yuan)并在今后的(de)(de)(de)(de)管道運(yun)營過程(cheng)中進行(xing)重(zhong)(zhong)點的(de)(de)(de)(de)監(jian)護，這對(dui)維護海底(di)管道安全平穩(wen)運(yun)行(xing)具有非常重(zhong)(zhong)大的(de)(de)(de)(de)意義。