输气管道沉降的磁应力快速评估技术应用

2020-06-27庞洪晨许继凯山东省天然气管道有限责任公司济南250000

化工设计 2020年3期

杨涛庞洪晨许继凯山东省天然气管道有限责任公司济南 250000

于洪伟中石化中原石油勘探局有限公司濮阳 457000

天然气场站内管道一般敷设在软基回填土中，受设计、安装及地质等因素影响，投产运行后管道发生沉降的现象普遍，管道因沉降而产生的应力集中，可能会导致材料屈服变形甚至破坏，成为安全运行的高风险因素[1]。对发生沉降的管道进行弱磁场应力检测，分析局部管道应力分布情况，评估应力集中区域的管道安全风险，能够为制定管道沉降防护与治理措施、消除管道安全隐患提供建议与指导。

1 磁应力评估技术

钢质管道磁应力评估(PMDT)采用无接触式扫描力计进行作业，同时通过RD8000管道定位仪准确测量检测区域内的管线走向、埋深，用PCM+防腐层检测仪对管道外防腐层完整性进行检测，结合RTK定位系统对管道进行测量定位[2-3]，实现对管道应力集中区域分布情况的准确记录与分析。

1.1 管道探测基本原理

可采用英国雷迪公司RD8000定位仪对管道走向与埋深进行探测。RD8000基于电磁法工作原理，通过发射机(TX10)向管道施加特定的电流信号，电流信号沿管道延伸，在管道周围形成电磁场，该磁场的强度与管道中的电流信号存在函数关系，在地面上通过接收机内置线圈感应磁场来识别管中电流、计算管道位置。接收机对管道进行精确定位后，可以进一步计算出接收机底部与管道中心轴线的距离和该处地下管中电流的大小，并显示在接收机屏幕上。检测工作图见图1。

图1 RD8100检测工作图

1.2 RTK技术精确定位

RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供被测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度，用以实现磁应力检测结果的定位与分析。

1.3 弱磁场应力检测基本原理

铁磁性金属材料在加工和运行时，由于地磁场和内部应力的共同作用，在应力集中区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在内部应力消除后不仅会保留，还与最大作用应力有关。铁磁材料表面的这种磁状态“记忆”着材料微观缺陷或应力集中的位置，即所谓的金属磁记忆效应。

金属结构的各种微观缺陷和局部应力集中是导致机械结构和设备失效乃至发生事故的重要原因(国内外数据统计应力集中导致的管道失效事件约占失效事件总数的70%以上)。铁磁材料在拉力、压力和剪切力等外力作用下，其材料内部的磁畴结构发生变化，导致磁特性发生相应变化的现象被称为逆磁致伸缩效应。磁场强度与应力关系见图2。

图2 磁场强度与应力关系

弱磁场应力检测技术是以金属磁记忆效应和逆磁致伸缩效应为基本原理[4]。处于地磁环境下的铁磁性材料受到工作载荷的作用时，由于金属磁记忆效应与逆磁致伸缩效应，在应力集中与变形区产生最大的附加磁场，其法向分量改变符号且过零点，而切向分量出现最大值[5-6]。应力集中处磁场法向分量梯度见图3。

图3 在应力集中处磁场法向分量梯度

根据铁磁材料周围磁场来判断应力集中主要有两种不同的方式，一是通过磁场法向分量过零点来判断，二是利用磁场法向分量的梯度值来判断，即利用磁场法向分量在应力集中处会出现很大的梯度值这一特点。磁场法向分量，以及磁场法向分量梯度的变化曲线见图4。

图4 磁场法向分量梯度的变化曲线

埋地敷设的输气管道受地磁场磁化后，在出现应力集中的管段将会产生叠置于地磁场之上的、反映其应力状态的附加磁场。PMDT磁应力检测技术的核心则是扫描采集这种“附加磁场”，虽然其强度较弱，但由于在任意一点处地磁场的最大变化率(即地磁场的梯度)与管道磁场的梯度相比小得多，因此当采用梯度测量时，采集的数据所携带的主要是管道磁场的信息。