王維國 陳崎奇 裴 斌 韓 雷 施 展

（國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道昆明輸油氣分公司，云南 昆明 650000）

0 引言

管道是國家油氣能源運(yùn)輸?shù)闹匾绞絒1]。由于施工問題、管材缺陷、地質(zhì)災(zāi)害、腐蝕、介質(zhì)壓力等原因，管道容易形成局部應(yīng)力集中區(qū)域，這些區(qū)域在長時(shí)間作用下，會(huì)引起管道失效，進(jìn)而造成泄漏爆炸等嚴(yán)重后果[2]。因此，對管道應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行檢測，長期監(jiān)控其應(yīng)力安全狀態(tài)，保障管道的安全生產(chǎn)運(yùn)行，對國家能源安全意義重大。

1 應(yīng)力集中檢測與長期應(yīng)力監(jiān)測方法

1.1 非接觸式管道磁檢測技術(shù)

1.1.1 檢測原理

鐵磁性管道在應(yīng)力和地磁場的共同作用下，會(huì)因受到磁化在其周圍形成漏磁場。當(dāng)管道存在缺陷或者應(yīng)力集中時(shí)，漏磁場的信號會(huì)發(fā)生改變。管道工作應(yīng)力撤除后，缺陷或應(yīng)力集中處的應(yīng)力減小，該處的漏磁場也隨之變?nèi)?，但由于鐵磁性材料存在磁滯效應(yīng)，該處的磁場無法恢復(fù)到原來的數(shù)值，而是比原磁場強(qiáng)度少量的增大[3]。

非接觸式管道磁力檢測工作原理基于維拉里效應(yīng)，即磁彈性效應(yīng)，是指由變形和內(nèi)部應(yīng)力影響產(chǎn)生的鐵磁材料磁化強(qiáng)度變化的物理現(xiàn)象[4]。運(yùn)用磁力計(jì)對磁場異常進(jìn)行識別，磁力計(jì)組件建立在磁阻傳感器基礎(chǔ)上，測量管道上方空間磁感應(yīng)強(qiáng)度及梯度分布，通過獲取管道漏磁場變化信號，確定管道缺陷或應(yīng)力集中位置，如圖1所示。

圖1 管道局部應(yīng)力集中磁信號分布

1.1.2 磁異常等級劃分

利用三維磁場高精度檢測儀，獲得損傷位置的磁信號后，通過式（1）對損傷位置的損傷程度進(jìn)行評估。G＞0，G越大表示損傷程度越高。

式中：G為損傷程度大小的度量值；

i、j為x，y，z方向；

△Hij為i方向排列的傳感器之間磁矢量j分量的差值；

△li為i方向排列的傳感器之間的距離。

結(jié)合管道信息、現(xiàn)場檢測記錄等，利用檢測分析軟件對檢出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定被檢管道各部位的損傷等級指標(biāo)和異常等級，損傷等級指標(biāo)F可由式

（2）計(jì)算。

式中：A為修正系數(shù)；

G為損傷程度的度量值。

非接觸式管道磁力檢測方法通過直接量化評估應(yīng)力變化水平?jīng)Q定損傷的相對危險(xiǎn)度，根據(jù)GB/T 35090-2018 《無損檢測 管道弱磁檢測方法》[5]，確定管道應(yīng)力集中部位損傷等級指標(biāo)F分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 缺陷損傷等級指標(biāo)F分級標(biāo)準(zhǔn)

Ⅰ級：高風(fēng)險(xiǎn)。這種管道屬于緊急情況，需要優(yōu)先修復(fù)；

Ⅱ級：中風(fēng)險(xiǎn)。存在一定的風(fēng)險(xiǎn)但不會(huì)很快發(fā)生事故，這種管道的特點(diǎn)在于可靠性降低，需要列入計(jì)劃修復(fù)；

Ⅲ級：低風(fēng)險(xiǎn)?？赡艽嬖跓o關(guān)緊要的缺陷或者應(yīng)力集中區(qū)，這種管道可以在監(jiān)控缺陷發(fā)展的情況下，無需修復(fù)繼續(xù)運(yùn)行。

1.1.3 檢測流程與步驟

非接觸式磁異常現(xiàn)場檢測工作如圖2所示，主要包括以下步驟：

（1）非接觸式磁異常檢測基礎(chǔ)資料收集；

（2）非接觸式磁異常檢測方案制定；

（3）勘察管線檢測路徑；

（4）采用高精度三維高精度磁力測試系統(tǒng)進(jìn)行檢測；

（5）背景參數(shù)獲取；

（6）磁異常綜合指數(shù)確定。

圖2 非接觸式磁異?，F(xiàn)場檢測工作

1.1.4 檢測設(shè)備

非接觸式三維高精度磁力測試系統(tǒng)

利用高精度三維磁力測試系統(tǒng)確定管段的磁異常分布特征、綜合應(yīng)力水平以及安全等級。檢測人員手持儀器在管道上方沿管道軸向進(jìn)行檢測，獲得磁場信號數(shù)據(jù)，測試點(diǎn)的間距≤0.25m，檢測速度≤0.5m/s，測量精度為1nT，如圖3所示。

圖3 非接觸式磁異常三維高精度磁力測試系統(tǒng)

1.2 長期應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

根據(jù)非接觸式磁力檢測和金屬磁記憶檢測結(jié)果，選擇綜合安全狀態(tài)較嚴(yán)重的管段設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。采用應(yīng)力應(yīng)變在線監(jiān)測的方法進(jìn)行長期應(yīng)力監(jiān)測，系統(tǒng)主要組成如圖4所示。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)、配套設(shè)備及監(jiān)測軟件構(gòu)成。傳感器和采集器之間通過屏蔽信號線連接，采集器與控制器采用RS485總線通訊，控制器通過網(wǎng)線接入4G路由器，客戶可在監(jiān)控中心通過Internet遠(yuǎn)程連接儀器并控制儀器采集數(shù)據(jù)。

2 工程應(yīng)用

將前文所述技術(shù)和方法應(yīng)用于中緬管道某高后果區(qū)管段檢測與監(jiān)測，檢測管線共計(jì)8.3km。

2.1 管線概況

管道設(shè)計(jì)參數(shù)

管線規(guī)格為Φ1016×18.2mm，管材為X80。防腐層為3PE。管道設(shè)計(jì)壓力為10MPa。檢測管段具體參數(shù)如表2所示。

表2 管線概況

2.2 非接觸式磁力檢測

共檢測的8.3km高后果區(qū)管段，部分檢測結(jié)果如圖5、圖6所示。根據(jù)GB/T 35090-2018 《無損檢測 管道弱磁檢測方法》和РД 102-008-2009《運(yùn)用非接觸式磁檢測方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》（俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)），采用檢出數(shù)據(jù)計(jì)算缺陷損傷等級指標(biāo)F。共發(fā)現(xiàn)22個(gè)磁異常管段，其中“Ⅰ”級磁異常管段有5個(gè)，對應(yīng)的磁異常編號分別為2、6、7、8、9的管段，F(xiàn)值為0.1～0.16；“Ⅱ”級磁異常管段有6個(gè)，對應(yīng)的磁異常編號分別為1、4、5、11、12、13的管段，F(xiàn)值為0.32～0.55；“Ⅲ”級磁異常管段有11個(gè)，對應(yīng)的磁異常編號分別為3、10、14、15、16、17、18、19、20、21、22的管段，F(xiàn)值分別為0.56～0.81。

2.2.1 管道綜合安全狀態(tài)評估

（1）高后果區(qū)等級

根據(jù)GB/T 35090-2018 《無損檢測 管道弱磁檢測方法》和РД 102-008-2009《運(yùn)用非接觸式磁檢測方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南》（俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)），采用檢出數(shù)據(jù)計(jì)算缺陷損傷等級指標(biāo)F，管道缺陷損傷等級評定結(jié)果如表3所示；

（2）地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級

根據(jù)SY/T 6828-2011《油氣管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)規(guī)范》中要求，管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級分為五級，具體分級原則如表4所示。

圖4 應(yīng)力長期監(jiān)測系統(tǒng)組成

圖5 K714陰保樁～坡腳管道與公路交匯處管段檢測結(jié)果

圖6 K726+41～K727+367+30管段檢測結(jié)果

表3 檢測管段高后果區(qū)分級

表4 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分級原則

通過前期排查，共發(fā)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共計(jì)19處；較高2處、中等3處、較低7處、低7處；

（3）綜合安全狀態(tài)值與等級劃分

基于非接觸磁檢測分析結(jié)果確定的管道缺陷損傷等級F，結(jié)合高后果區(qū)以及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級，確定磁異常段的綜合安全狀態(tài)。按照表5規(guī)定的評分項(xiàng)及其關(guān)系、評分的權(quán)重和評分細(xì)則進(jìn)行評分，分別確定磁異常得分C、高后果區(qū)得分G、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)得分D，計(jì)算評分項(xiàng)得分之和，確定綜合安全狀態(tài)值Z；

按下式計(jì)算綜合安全狀態(tài)值：

綜合安全狀態(tài)分值及等級劃分如表6所示。

表5 綜合安全狀態(tài)評分表

表6 綜合安全狀態(tài)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 綜合安全狀態(tài)等級評估結(jié)果

根據(jù)綜合安全狀態(tài)值計(jì)算方法計(jì)算出22段磁異常管道的綜合安全狀態(tài)分值，確定其綜合安全狀態(tài)等級，全線磁異常管段的綜合安全狀態(tài)等級評估結(jié)果如表7所示。

表7 磁異常管段綜合安全狀態(tài)等級

表7（續(xù)）

由表7可知，全線共有4個(gè)管段的綜合安全狀態(tài)等級為一級，9個(gè)管段為二級，其余管段的綜合安全狀態(tài)等級為三級，一級管段主要分布在K726+41～K727+367+30里程樁范圍內(nèi)，管道應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，發(fā)生危險(xiǎn)后對周圍環(huán)境和居民影響較大。編號為6、7、8和9的管段，綜合安全狀態(tài)等級為一級，本次監(jiān)測點(diǎn)只選取了這4個(gè)中的2個(gè)，另外2個(gè)未進(jìn)行監(jiān)測的管段也需要重點(diǎn)關(guān)注，特別9號管段，處于地下水浸泡之中，同時(shí)管道防腐層是開挖后修復(fù)的，需長期關(guān)注管道的安全狀態(tài)。

2.3 監(jiān)測點(diǎn)開挖與應(yīng)力監(jiān)測

2.3.1 監(jiān)測點(diǎn)的選擇

根據(jù)高后果區(qū)檢測管段的綜合安全狀態(tài)評估結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場開挖條件和地形地貌，選擇2處綜合安全狀態(tài)等級較大的管段進(jìn)行開挖檢測，如表8所示，開挖坑形貌如圖7所示。

表8 監(jiān)測點(diǎn)管段信息

圖7 現(xiàn)場開挖圖

2.3.2 長期應(yīng)力監(jiān)測

本次監(jiān)測系統(tǒng)選用的應(yīng)變片為THY120-5AA（15%）-X30應(yīng)變片，如圖8所示。經(jīng)過對沿線管道的非接觸式磁應(yīng)力檢測結(jié)果，確定了XD-JC01和XDJC02為現(xiàn)場應(yīng)變片的安裝位置（即監(jiān)測位置）。由于管道焊縫位置表面不平整，應(yīng)變片無法緊密貼合管道，可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)無效，所以將貼片位置選定在焊縫熱影響區(qū)。

為確保對管道應(yīng)力狀態(tài)形成全面的監(jiān)測和認(rèn)識，在管道的0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)4個(gè)時(shí)鐘方向加上安裝應(yīng)變片，為防止應(yīng)變片失效，采用“一用一備”的方法，在每個(gè)時(shí)鐘方向上安裝兩張相同的應(yīng)變片，現(xiàn)場安裝如圖9所示。

圖8 THY120-5AA(15%)-X30應(yīng)變計(jì)

本次管道監(jiān)測采用的應(yīng)變片分布四個(gè)時(shí)鐘方向，可實(shí)時(shí)反映管道的應(yīng)變情況，應(yīng)變單位為με，這一單位定義為△L/L×10-6，根據(jù)X80鋼管道彈性模量為2.10×105MPa，可以計(jì)算得到不同應(yīng)變條件下管道對應(yīng)的應(yīng)力值。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)管道雖然最大應(yīng)力點(diǎn)不在監(jiān)測點(diǎn)位置，但是兩者相差不大，同時(shí)用最大點(diǎn)應(yīng)力代替監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力會(huì)更加安全保守，因此使用最大應(yīng)力作為監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力是科學(xué)合理的。

圖9 應(yīng)變片及在管道上的安裝過程

管道XD-JC01監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。從監(jiān)測點(diǎn)可以看出，管道12點(diǎn)與6點(diǎn)方向的應(yīng)變變化趨勢相同，3點(diǎn)方向變化也基本相似，但是9點(diǎn)方向監(jiān)測數(shù)據(jù)變化與其他三個(gè)方向變化不同。各個(gè)方向監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)都存在數(shù)據(jù)突變，考慮為監(jiān)測儀器引起，但不影響整體的監(jiān)測過程。

圖10 XD-JC01管道不同時(shí)鐘方向應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

XD-JC02監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)如圖11所示。本監(jiān)測點(diǎn)各個(gè)方向監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢不同，但應(yīng)變大小保持在合理的范圍內(nèi)，在6點(diǎn)鐘方向存在較大的突變，其他方向變化較緩慢，檢測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場情況接近。

由檢測結(jié)果可知，管道目前處于較為安全的條件下，管道整體上應(yīng)力值不大，管道各個(gè)方向上最大形變不超過200με，對應(yīng)的應(yīng)力變化不超過42MPa，考慮到天氣轉(zhuǎn)暖及晝夜溫差變化帶來的溫度應(yīng)力影響，因此管道本體應(yīng)力變化較小。

圖11 XD-JC02管道不同時(shí)鐘方向應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

本文介紹了高后果區(qū)管段的安全狀態(tài)的檢測與監(jiān)測技術(shù)，并將其應(yīng)用到中緬管道某高后果區(qū)管段。利用非接觸式磁力檢測技術(shù)確定了應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果確定了開挖點(diǎn)位置，對XD-JC01管段和XD-JC02管段進(jìn)行長期監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲取管道的應(yīng)力狀態(tài)數(shù)據(jù)。工程應(yīng)用表明，非接觸式磁力檢測技術(shù)，可以在非開挖的前提下，快速有效的對埋地管道進(jìn)行應(yīng)力集中檢測，而應(yīng)力應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)可以有效的對管道進(jìn)行長期應(yīng)力監(jiān)測，兩種手段相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)管段應(yīng)力安全狀態(tài)檢測與監(jiān)測，保障管道的安全生產(chǎn)運(yùn)行。