海底油氣管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)
2021-06-17 03:13:31
hualin
1 引言
鋼質(zhì)管道由于外界因素或自身因素產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)畸變或者彈塑性形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量應(yīng)力集中區(qū)域，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到材料屈服極限時(shí)，將很可能導(dǎo)致突發(fā)性事故的發(fā)生。海底油氣管道由于其復(fù)雜的地理環(huán)境，在傳統(tǒng)管道缺陷之外，更容易產(chǎn)生管道漂移、振動(dòng)、應(yīng)力集中等情況。常規(guī)的管道內(nèi)缺陷檢測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)管道中較明顯的宏觀缺陷，而難以檢測(cè)管道中由應(yīng)力集中造成的微觀損傷，因此無(wú)法避免由于應(yīng)力集中引起的管道危害事故。管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)可以在非勵(lì)磁條件下（地磁環(huán)境下），通過(guò)檢測(cè)鐵磁性材料在應(yīng)力狀態(tài)下的弱磁信號(hào)，來(lái)判斷材料的應(yīng)力變形和損傷狀態(tài)，預(yù)判危害發(fā)生，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管道內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的不足，且具有設(shè)備輕便、無(wú)需專門磁化、快速便捷、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn) 。我公司對(duì)弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究和工程應(yīng)用，介紹如下。
2 管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)
2.1 管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)機(jī)理
在地磁場(chǎng)環(huán)境下，鐵磁性金屬構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)會(huì)產(chǎn)生不同于非應(yīng)力集中區(qū)的微弱磁信號(hào)，弱磁檢測(cè)方法的檢測(cè)機(jī)理是通過(guò)檢測(cè)該種微弱磁信號(hào)，來(lái)判斷鐵磁性構(gòu)件的應(yīng)力損傷區(qū)域和應(yīng)力損傷程度。在地磁場(chǎng)下的鐵磁構(gòu)件，應(yīng)力會(huì)使其內(nèi)部的磁疇形狀和分布發(fā)生改變，在其表面以漏磁場(chǎng)的形式出現(xiàn)自磁化的增長(zhǎng)，在應(yīng)力集中區(qū)會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力集中區(qū)處磁信號(hào)的軸向分量Hx出現(xiàn)極值，而徑向分量Hy過(guò)零點(diǎn)的現(xiàn)象，弱磁信號(hào)特征如圖1所示。
圖1 弱磁信號(hào)特征
2.2 管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)
管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)由管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)裝置、里程標(biāo)定裝置和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三部分組成。
管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)裝置以管道內(nèi)所輸送介質(zhì)為動(dòng)力，基于弱磁應(yīng)力檢測(cè)原理對(duì)管道內(nèi)的應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，其裝置如圖2所示。
圖2管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)裝置
里程標(biāo)定裝置包括管道外標(biāo)記標(biāo)定、管道內(nèi)外時(shí)間同步標(biāo)定和里程輪記錄三部分，對(duì)行進(jìn)里程等信息進(jìn)行記錄，從而精確定位管道上應(yīng)力集中區(qū)及管道特殊部件。
數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)裝置上的弱磁傳感器檢測(cè)得到的弱磁信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行可視化處理，從而對(duì)管道應(yīng)力集中區(qū)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)判讀人員通過(guò)觀測(cè)可視化結(jié)果中的弱磁信號(hào)特征，判斷應(yīng)力集中區(qū)的分布，根據(jù)對(duì)應(yīng)的里程信息判定應(yīng)力集中區(qū)所在位置并進(jìn)行標(biāo)記。
3 外界磁場(chǎng)和探頭提離值對(duì)弱磁信號(hào)的影響
3.1 模型的建立
弱磁信號(hào)是在地磁場(chǎng)環(huán)境下鐵磁性金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的微弱磁信號(hào)。在管道中，管壁由鐵磁性金屬組成，外界磁場(chǎng)復(fù)雜，而且在檢測(cè)過(guò)程中，弱磁應(yīng)力檢測(cè)探頭與管壁之間存在一定提離值。為了保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)外界磁場(chǎng)以及探頭提離值對(duì)弱磁信號(hào)的影響進(jìn)行分析。
為了模擬管道中應(yīng)力集中區(qū)的磁信號(hào)特征，進(jìn)而研究應(yīng)力集中區(qū)的磁信號(hào)變化規(guī)律，建立了含應(yīng)力集中區(qū)的1/4鋼管模型，鋼管上應(yīng)力集中區(qū)尺寸3×3×3 mm，如圖3所示。
圖3 含應(yīng)力集中區(qū)的鋼管模型
在鋼板研究區(qū)域上方1 mm提離值沿徑向方向設(shè)置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號(hào)分布情況。應(yīng)力集中區(qū)弱磁信號(hào)分布如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)處的弱磁信號(hào)軸向分量存在最大值、徑向分量過(guò)零點(diǎn)，與弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)機(jī)理信號(hào)特征一致，模型建立成功。
a）軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度
b）徑向磁場(chǎng)強(qiáng)度
圖4 應(yīng)力集中區(qū)弱磁信號(hào)分布
3.2 外界磁場(chǎng)對(duì)弱磁信號(hào)的影響
在建立的仿真模型區(qū)域上方1 mm提離值沿軸向方向設(shè)置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號(hào)在不同外界磁場(chǎng)強(qiáng)度下的變化規(guī)律，當(dāng)研究區(qū)域處于地磁場(chǎng)環(huán)境下，結(jié)果如圖5所示，隨著鐵磁性構(gòu)件表面所受應(yīng)力的增加，構(gòu)件表面的弱磁信號(hào)變化幅值增加，弱磁信號(hào)在應(yīng)力集中區(qū)表現(xiàn)出的特征越明顯。
圖5 地磁場(chǎng)環(huán)境下的磁力學(xué)關(guān)系
為了分析圖3所標(biāo)記的研究區(qū)域在不同外界磁場(chǎng)下的磁信號(hào)變化特征，設(shè)置外界磁場(chǎng)為單一變量，在應(yīng)力集中程度、試件檢測(cè)位置等其余影響因素保持一致的情況下，提高空間磁場(chǎng)強(qiáng)度，不同外界磁感應(yīng)作用下的磁力學(xué)關(guān)系曲線如圖6所示，橫坐標(biāo)-5～5 mm范圍內(nèi)為應(yīng)力集中區(qū)域。
圖6 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下的磁力學(xué)關(guān)系曲線
從圖6可以看出，隨外界磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，構(gòu)件表面的應(yīng)力集中區(qū)附近，弱磁信號(hào)數(shù)值增加，但是應(yīng)力集中區(qū)域弱磁信號(hào)與附近信號(hào)的差值減小；當(dāng)外界磁場(chǎng)達(dá)到100 μT時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域的弱磁信號(hào)與附近信號(hào)的差值不明顯，弱磁信號(hào)被覆蓋，難以識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)。
因此，使用弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)保證外界磁場(chǎng)強(qiáng)度低于100 μT，否則，將影響弱磁信號(hào)的識(shí)別。
3.3 提離值對(duì)弱磁信號(hào)的影響
為了研究不同提離值情況下弱磁信號(hào)的變化規(guī)律，在應(yīng)力集中程度一定的情下，弱磁信號(hào)在提離值為0～15 mm的范圍內(nèi)的變化規(guī)律如圖7所示。圖中橫坐標(biāo)180～220 mm為應(yīng)力集中區(qū)。由圖7可見，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)距離表面具有一定提離值的時(shí)候仍然存在弱磁信號(hào)，且在提離值較小時(shí)，能明顯分辨出應(yīng)力集中區(qū)。隨著提離值逐漸增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)提離值小于10 mm時(shí)，可以看出模型計(jì)算的曲線有較好的重復(fù)性，能夠識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)。隨著提離值增加，鋼板表面磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯下降，應(yīng)力集中區(qū)辨識(shí)度降低，弱磁信號(hào)不可檢。
圖7不同提離值下的磁信號(hào)變化規(guī)律
通過(guò)建立三維磁荷模型并加入磁傳遞因子研究空間中弱磁信號(hào)的傳遞規(guī)律，對(duì)不同提離值下的弱磁信號(hào)進(jìn)行仿真計(jì)算，可得傳遞因子與傳播距離的一階下降指數(shù)函數(shù)關(guān)系如圖8所示。
a）軸向峰值分布
b）徑向峰值分布
圖8 傳遞因子空間傳遞特性
由圖8可見，弱磁信號(hào)在空間中傳播時(shí)，隨提離值增加，弱磁信號(hào)呈衰減趨勢(shì)，且與提離值為一階指數(shù)關(guān)系。0～5 mm提離范圍內(nèi)，弱磁信號(hào)衰減較快；提離提離大于5 mm時(shí)，弱磁信號(hào)逐漸趨于穩(wěn)定。
結(jié)合圖7、圖8可知，為了保證應(yīng)力集中區(qū)弱磁信號(hào)的可識(shí)別性和信號(hào)穩(wěn)定性，提離值在5～10 mm范圍內(nèi)最優(yōu)。
4 管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用
2018年，檢測(cè)公司研制了弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)器（見圖9）對(duì)某海底油氣管道進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)本次檢測(cè)中，弱磁應(yīng)力檢測(cè)器能很好的識(shí)別局部應(yīng)力集中區(qū)域以及海底懸空段應(yīng)力分布情況。
圖9 Φ762弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)器
4.1 局部應(yīng)力集中區(qū)域
管材上出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，磁信號(hào)會(huì)發(fā)生突然變化，根據(jù)本次弱磁內(nèi)檢測(cè)弱磁信號(hào)特征，共發(fā)現(xiàn)32處應(yīng)力集中點(diǎn)，圖10是其中的一處應(yīng)力集中點(diǎn)圖像。從檢測(cè)圖像中，不僅可以看出明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，還能看出環(huán)焊縫和螺旋焊縫，這是因?yàn)樵诤缚p及附近熱影響區(qū)，應(yīng)力集中很明顯。
圖10 應(yīng)力集中點(diǎn)圖像
4.2 懸空段應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果
將海底油氣管道漏磁檢測(cè)結(jié)果和海底路由檢測(cè)結(jié)果對(duì)齊后，在里程90.3 km及45.5 km發(fā)現(xiàn)兩處海底懸空管段，長(zhǎng)度分別為36 m和7 m。海底管線出現(xiàn)懸空管段后，在海流作用下將會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)及長(zhǎng)期疲勞破壞的危險(xiǎn)。在本次弱磁應(yīng)力檢測(cè)中，懸空管段附近有明顯弱磁信號(hào)變化，如圖11和圖12所示。
圖11 里程90.3km懸空管段弱磁信號(hào)
圖12 里程45.5km懸空管段弱磁信號(hào)
管道弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)器在管道中檢測(cè)后得到的圖像不僅能清晰的分辨出管道中的典型特征如環(huán)焊縫、螺旋焊縫等，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)十分敏感，除此之外，還能發(fā)現(xiàn)海底管道由于懸空段造成的應(yīng)力集中，排除安全隱患。
5 前景展望
海底油氣管道在使用過(guò)程中，因潮汐、洋流、第三方施工等因素，管道容易發(fā)生振動(dòng)、懸空、應(yīng)力集中等現(xiàn)象。而一旦應(yīng)力集中過(guò)大，容易造成管道變形甚至發(fā)生斷裂。弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)器能檢測(cè)出海底油氣管道中的應(yīng)力集中區(qū)，預(yù)判危害的發(fā)生，對(duì)管道安全進(jìn)行提前預(yù)警。
弱磁應(yīng)力內(nèi)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，能發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)檢測(cè)器發(fā)現(xiàn)不了的，對(duì)管道強(qiáng)度已經(jīng)產(chǎn)生影響的應(yīng)力集中區(qū)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)源并在今后的管道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行重點(diǎn)的監(jiān)護(hù)，這對(duì)維護(hù)海底管道安全平穩(wěn)運(yùn)行具有非常重大的意義。