海底油氣管道弱磁應力內檢測
2021-06-17 03:13:31
hualin
1 引言
鋼質管道由于外界因素或自身因素產(chǎn)生微觀結構畸變或者彈塑性形變時會產(chǎn)生大量應力集中區(qū)域，當應力集中達到材料屈服極限時，將很可能導致突發(fā)性事故的發(fā)生。海底油氣管道由于其復雜的地理環(huán)境，在傳統(tǒng)管道缺陷之外，更容易產(chǎn)生管道漂移、振動、應力集中等情況。常規(guī)的管道內缺陷檢測技術只能檢測管道中較明顯的宏觀缺陷，而難以檢測管道中由應力集中造成的微觀損傷，因此無法避免由于應力集中引起的管道危害事故。管道弱磁應力內檢測技術可以在非勵磁條件下（地磁環(huán)境下），通過檢測鐵磁性材料在應力狀態(tài)下的弱磁信號，來判斷材料的應力變形和損傷狀態(tài)，預判危害發(fā)生，彌補了傳統(tǒng)管道內檢測技術的不足，且具有設備輕便、無需專門磁化、快速便捷、靈敏度高等優(yōu)點 。我公司對弱磁應力內檢測技術進行了研究和工程應用，介紹如下。
2 管道弱磁應力內檢測技術
2.1 管道弱磁應力內檢測機理
在地磁場環(huán)境下，鐵磁性金屬構件的應力集中區(qū)會產(chǎn)生不同于非應力集中區(qū)的微弱磁信號，弱磁檢測方法的檢測機理是通過檢測該種微弱磁信號，來判斷鐵磁性構件的應力損傷區(qū)域和應力損傷程度。在地磁場下的鐵磁構件，應力會使其內部的磁疇形狀和分布發(fā)生改變，在其表面以漏磁場的形式出現(xiàn)自磁化的增長，在應力集中區(qū)會出現(xiàn)最大應力集中區(qū)處磁信號的軸向分量Hx出現(xiàn)極值，而徑向分量Hy過零點的現(xiàn)象，弱磁信號特征如圖1所示。
圖1 弱磁信號特征
2.2 管道弱磁應力內檢測系統(tǒng)
管道弱磁應力內檢測系統(tǒng)由管道弱磁應力內檢測裝置、里程標定裝置和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三部分組成。
管道弱磁應力內檢測裝置以管道內所輸送介質為動力，基于弱磁應力檢測原理對管道內的應力集中區(qū)進行檢測，其裝置如圖2所示。
圖2管道弱磁應力內檢測裝置
里程標定裝置包括管道外標記標定、管道內外時間同步標定和里程輪記錄三部分，對行進里程等信息進行記錄，從而精確定位管道上應力集中區(qū)及管道特殊部件。
數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過實時傳輸管道弱磁應力內檢測裝置上的弱磁傳感器檢測得到的弱磁信號，并對其進行可視化處理，從而對管道應力集中區(qū)檢測結果進行分析。數(shù)據(jù)判讀人員通過觀測可視化結果中的弱磁信號特征，判斷應力集中區(qū)的分布，根據(jù)對應的里程信息判定應力集中區(qū)所在位置并進行標記。
3 外界磁場和探頭提離值對弱磁信號的影響
3.1 模型的建立
弱磁信號是在地磁場環(huán)境下鐵磁性金屬構件應力集中區(qū)產(chǎn)生的微弱磁信號。在管道中，管壁由鐵磁性金屬組成，外界磁場復雜，而且在檢測過程中，弱磁應力檢測探頭與管壁之間存在一定提離值。為了保證檢測數(shù)據(jù)的準確性，對外界磁場以及探頭提離值對弱磁信號的影響進行分析。
為了模擬管道中應力集中區(qū)的磁信號特征，進而研究應力集中區(qū)的磁信號變化規(guī)律，建立了含應力集中區(qū)的1/4鋼管模型，鋼管上應力集中區(qū)尺寸3×3×3 mm，如圖3所示。
圖3 含應力集中區(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置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號分布情況。應力集中區(qū)弱磁信號分布如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在應力集中區(qū)處的弱磁信號軸向分量存在最大值、徑向分量過零點，與弱磁應力內檢測機理信號特征一致，模型建立成功。
a）軸向磁場強度
b）徑向磁場強度
圖4 應力集中區(qū)弱磁信號分布
3.2 外界磁場對弱磁信號的影響
在建立的仿真模型區(qū)域上方1 mm提離值沿軸向方向設置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號在不同外界磁場強度下的變化規(guī)律，當研究區(qū)域處于地磁場環(huán)境下，結果如圖5所示，隨著鐵磁性構件表面所受應力的增加，構件表面的弱磁信號變化幅值增加，弱磁信號在應力集中區(qū)表現(xiàn)出的特征越明顯。
圖5 地磁場環(huán)境下的磁力學關系
為了分析圖3所標記的研究區(qū)域在不同外界磁場下的磁信號變化特征，設置外界磁場為單一變量，在應力集中程度、試件檢測位置等其余影響因素保持一致的情況下，提高空間磁場強度，不同外界磁感應作用下的磁力學關系曲線如圖6所示，橫坐標-5～5 mm范圍內為應力集中區(qū)域。
圖6 不同磁感應強度作用下的磁力學關系曲線
從圖6可以看出，隨外界磁感應強度增加，構件表面的應力集中區(qū)附近，弱磁信號數(shù)值增加，但是應力集中區(qū)域弱磁信號與附近信號的差值減??；當外界磁場達到100 μT時，應力集中區(qū)域的弱磁信號與附近信號的差值不明顯，弱磁信號被覆蓋，難以識別應力集中區(qū)。
因此，使用弱磁應力內檢測器進行檢測時，應保證外界磁場強度低于100 μT，否則，將影響弱磁信號的識別。
3.3 提離值對弱磁信號的影響
為了研究不同提離值情況下弱磁信號的變化規(guī)律，在應力集中程度一定的情下，弱磁信號在提離值為0～15 mm的范圍內的變化規(guī)律如圖7所示。圖中橫坐標180～220 mm為應力集中區(qū)。由圖7可見，當測量點距離表面具有一定提離值的時候仍然存在弱磁信號，且在提離值較小時，能明顯分辨出應力集中區(qū)。隨著提離值逐漸增加，磁感應強度逐漸減小，當提離值小于10 mm時，可以看出模型計算的曲線有較好的重復性，能夠識別應力集中區(qū)。隨著提離值增加，鋼板表面磁感應強度明顯下降，應力集中區(qū)辨識度降低，弱磁信號不可檢。
圖7不同提離值下的磁信號變化規(guī)律
通過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的傳遞規(guī)律，對不同提離值下的弱磁信號進行仿真計算，可得傳遞因子與傳播距離的一階下降指數(shù)函數(shù)關系如圖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，弱磁信號在空間中傳播時，隨提離值增加，弱磁信號呈衰減趨勢，且與提離值為一階指數(shù)關系。0～5 mm提離范圍內，弱磁信號衰減較快；提離提離大于5 mm時，弱磁信號逐漸趨于穩(wěn)定。
結合圖7、圖8可知，為了保證應力集中區(qū)弱磁信號的可識別性和信號穩(wěn)定性，提離值在5～10 mm范圍內最優(yōu)。
4 管道弱磁應力內檢測技術的工程應用
2018年，檢測公司研制了弱磁應力內檢測器（見圖9）對某海底油氣管道進行檢測。通過對檢測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)本次檢測中，弱磁應力檢測器能很好的識別局部應力集中區(qū)域以及海底懸空段應力分布情況。
圖9 Φ762弱磁應力內檢測器
4.1 局部應力集中區(qū)域
管材上出現(xiàn)應力集中時，磁信號會發(fā)生突然變化，根據(jù)本次弱磁內檢測弱磁信號特征，共發(fā)現(xiàn)32處應力集中點，圖10是其中的一處應力集中點圖像。從檢測圖像中，不僅可以看出明顯的應力集中區(qū)域，還能看出環(huán)焊縫和螺旋焊縫，這是因為在焊縫及附近熱影響區(qū)，應力集中很明顯。
圖10 應力集中點圖像
4.2 懸空段應力檢測結果
將海底油氣管道漏磁檢測結果和海底路由檢測結果對齊后，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，在海流作用下將會發(fā)生渦激振動及長期疲勞破壞的危險。在本次弱磁應力檢測中，懸空管段附近有明顯弱磁信號變化，如圖11和圖12所示。
圖11 里程90.3km懸空管段弱磁信號
圖12 里程45.5km懸空管段弱磁信號
管道弱磁應力內檢測器在管道中檢測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，對應力集中區(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力集中，排除安全隱患。
5 前景展望
海底油氣管道在使用過程中，因潮汐、洋流、第三方施工等因素，管道容易發(fā)生振動、懸空、應力集中等現(xiàn)象。而一旦應力集中過大，容易造成管道變形甚至發(fā)生斷裂。弱磁應力內檢測器能檢測出海底油氣管道中的應力集中區(qū)，預判危害的發(fā)生，對管道安全進行提前預警。
弱磁應力內檢測的優(yōu)勢，能發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)檢測器發(fā)現(xiàn)不了的，對管道強度已經(jīng)產(chǎn)生影響的應力集中區(qū)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的危險源并在今后的管道運營過程中進行重點的監(jiān)護，這對維護海底管道安全平穩(wěn)運行具有非常重大的意義。