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海底油气管道弱磁应力内检测

    钢质管道由于外界因素或自身因素产生微观结构畸变或者弹塑性形变时会产生大量应力集中区域,当应力集中达到材料屈服极限时,将很可能导致突发性事故的发生。海底油气管道由于其复杂的地理环境,在传统管道缺陷之外,更容易产生管道漂移、振动、应力集中等情况。常规的管道内缺陷检测技术只能检测管道中较明显的宏观缺陷,而难以检测管道中由应力集中造成的微观损伤,因此无法避免由于应力集中引起的管道危害事故。管道弱磁应力内检测技术可以在非励磁条件下(地磁环境下),通过检测铁磁性材料在应力状态下的弱磁信号,来判断材料的应力变形和损伤状态,预判危害发生,弥补了传统管道内检测技术的不足,且具有设备轻便、无需专门磁化、快速便捷、灵敏度高等优点 。我公司对弱磁应力内检测技术进行了研究和工程应用,介绍如下。
2 管道弱磁应力内检测技术
    2.1  管道弱磁应力内检测机理
    在地磁场环境下,铁磁性金属构件的应力集中区会产生不同于非应力集中区的微弱磁信号,弱磁检测方法的检测机理是通过检测该种微弱磁信号,来判断铁磁性构件的应力损伤区域和应力损伤程度。在地磁场下的铁磁构件,应力会使其内部的磁畴形状和分布发生改变,在其表面以漏磁场的形式出现自磁化的增长,在应力集中区会出现最大应力集中区处磁信号的轴向分量Hx出现极值,而径向分量Hy过零点的现象,弱磁信号特征如图1所示。
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图1  弱磁信号特征
    2.2  管道弱磁应力内检测系统
    管道弱磁应力内检测系统由管道弱磁应力内检测装置、里程标定装置和数据分析处理系统三部分组成。
    管道弱磁应力内检测装置以管道内所输送介质为动力,基于弱磁应力检测原理对管道内的应力集中区进行检测,其装置如图2所示。
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图2管道弱磁应力内检测装置
    里程标定装置包括管道外标记标定、管道内外时间同步标定和里程轮记录三部分,对行进里程等信息进行记录,从而精确定位管道上应力集中区及管道特殊部件。
    数据分析处理系统通过实时传输管道弱磁应力内检测装置上的弱磁传感器检测得到的弱磁信号,并对其进行可视化处理,从而对管道应力集中区检测结果进行分析。数据判读人员通过观测可视化结果中的弱磁信号特征,判断应力集中区的分布,根据对应的里程信息判定应力集中区所在位置并进行标记。
3 外界磁场和探头提离值对弱磁信号的影响
    3.1  模型的建立
    弱磁信号是在地磁场环境下铁磁性金属构件应力集中区产生的微弱磁信号。在管道中,管壁由铁磁性金属组成,外界磁场复杂,而且在检测过程中,弱磁应力检测探头与管壁之间存在一定提离值。为了保证检测数据的准确性,对外界磁场以及探头提离值对弱磁信号的影响进行分析。
    为了模拟管道中应力集中区的磁信号特征,进而研究应力集中区的磁信号变化规律,建立了含应力集中区的1/4钢管模型,钢管上应力集中区尺寸3×3×3 mm,如图3所示。
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图3  含应力集中区的钢管模型
    在钢板研究区域上方1 mm提离值沿径向方向设置扫描路径,研究此路径上方弱磁信号分布情况。应力集中区弱磁信号分布如图4所示,发现在应力集中区处的弱磁信号轴向分量存在最大值、径向分量过零点,与弱磁应力内检测机理信号特征一致,模型建立成功。
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a)轴向磁场强度
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b)径向磁场强度
图4  应力集中区弱磁信号分布
    3.2  外界磁场对弱磁信号的影响
    在建立的仿真模型区域上方1 mm提离值沿轴向方向设置扫描路径,研究此路径上方弱磁信号在不同外界磁场强度下的变化规律,当研究区域处于地磁场环境下,结果如图5所示,随着铁磁性构件表面所受应力的增加,构件表面的弱磁信号变化幅值增加,弱磁信号在应力集中区表现出的特征越明显。
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图5  地磁场环境下的磁力学关系
    为了分析图3所标记的研究区域在不同外界磁场下的磁信号变化特征,设置外界磁场为单一变量,在应力集中程度、试件检测位置等其余影响因素保持一致的情况下,提高空间磁场强度,不同外界磁感应作用下的磁力学关系曲线如图6所示,横坐标-5~5 mm范围内为应力集中区域。
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图6  不同磁感应强度作用下的磁力学关系曲线
    从图6可以看出,随外界磁感应强度增加,构件表面的应力集中区附近,弱磁信号数值增加,但是应力集中区域弱磁信号与附近信号的差值减小;当外界磁场达到100 μT时,应力集中区域的弱磁信号与附近信号的差值不明显,弱磁信号被覆盖,难以识别应力集中区。
    因此,使用弱磁应力内检测器进行检测时,应保证外界磁场强度低于100 μT,否则,将影响弱磁信号的识别。
    3.3  提离值对弱磁信号的影响
    为了研究不同提离值情况下弱磁信号的变化规律,在应力集中程度一定的情下,弱磁信号在提离值为0~15 mm的范围内的变化规律如图7所示。图中横坐标180~220 mm为应力集中区。由图7可见,当测量点距离表面具有一定提离值的时候仍然存在弱磁信号,且在提离值较小时,能明显分辨出应力集中区。随着提离值逐渐增加,磁感应强度逐渐减小,当提离值小于10 mm时,可以看出模型计算的曲线有较好的重复性,能够识别应力集中区。随着提离值增加,钢板表面磁感应强度明显下降,应力集中区辨识度降低,弱磁信号不可检。
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图7不同提离值下的磁信号变化规律
    通过建立三维磁荷模型并加入磁传递因子研究空间中弱磁信号的传递规律,对不同提离值下的弱磁信号进行仿真计算,可得传递因子与传播距离的一阶下降指数函数关系如图8所示。
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a)轴向峰值分布
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b)径向峰值分布
图8 传递因子空间传递特性
    由图8可见,弱磁信号在空间中传播时,随提离值增加,弱磁信号呈衰减趋势,且与提离值为一阶指数关系。0~5 mm提离范围内,弱磁信号衰减较快;提离提离大于5 mm时,弱磁信号逐渐趋于稳定。
    结合图7、图8可知,为了保证应力集中区弱磁信号的可识别性和信号稳定性,提离值在5~10 mm范围内最优。
4  管道弱磁应力内检测技术的工程应用
     前年,检测公司研制了弱磁应力内检测器(见图9)对某海底油气管道进行检测。通过对检测数据进行分析,发现本次检测中,弱磁应力检测器能很好的识别局部应力集中区域以及海底悬空段应力分布情况。
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图9 Φ762弱磁应力内检测器
    4.1  局部应力集中区域
    管材上出现应力集中时,磁信号会发生突然变化,根据本次弱磁内检测弱磁信号特征,共发现32处应力集中点,图10是其中的一处应力集中点图像。从检测图像中,不仅可以看出明显的应力集中区域,还能看出环焊缝和螺旋焊缝,这是因为在焊缝及附近热影响区,应力集中很明显。
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图10 应力集中点图像
    4.2  悬空段应力检测结果
    将海底油气管道漏磁检测结果和海底路由检测结果对齐后,在里程90.3 km及45.5 km发现两处海底悬空管段,长度分别为36 m和7 m。海底管线出现悬空管段后,在海流作用下将会发生涡激振动及长期疲劳破坏的危险。在本次弱磁应力检测中,悬空管段附近有明显弱磁信号变化,如图11和图12所示。
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图11  里程90.3km悬空管段弱磁信号
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图12  里程45.5km悬空管段弱磁信号
    管道弱磁应力内检测器在管道中检测后得到的图像不仅能清晰的分辨出管道中的典型特征如环焊缝、螺旋焊缝等,对应力集中区十分敏感,除此之外,还能发现海底管道由于悬空段造成的应力集中,排除安全隐患。
5  前景展望
    海底油气管道在使用过程中,因潮汐、洋流、第三方施工等因素,管道容易发生振动、悬空、应力集中等现象。而一旦应力集中过大,容易造成管道变形甚至发生断裂。弱磁应力内检测器能检测出海底油气管道中的应力集中区,预判危害的发生,对管道安全进行提前预警。
    弱磁应力内检测的优势,能发现传统检测器发现不了的,对管道强度已经产生影响的应力集中区,提前发现潜在的危险源并在今后的管道运营过程中进行重点的监护,这对维护海底管道安全平稳运行具有非常重大的意义。

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