山地管道安全狀態(tài)識別與監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

陳 哲

（中石油昆侖燃氣有限公司福建分公司，福建 福州 350000）

0 引言

山地油氣管道存在地質(zhì)變化復(fù)雜與人員活動活躍兩大風險[1]。在劇烈變化的地質(zhì)條件與活躍的人員活動的雙重風險疊加條件下，管道的整體應(yīng)力水平極易超出管道的極限承載能力，導(dǎo)致管道變形、斷裂失效，引發(fā)嚴重的事故后果，造成人員傷亡、構(gòu)筑物損壞以及其他財產(chǎn)損失，使得山地管道在安全運營方面面臨著難度和挑戰(zhàn)。因此，亟需對山地管道安全狀態(tài)進行識別與監(jiān)測，保障國家生命線管道工程運營安全。

在管道安全狀態(tài)識別方面，非接觸式磁應(yīng)力檢測技術(shù)能夠有效檢測出埋地管道的應(yīng)力集中區(qū)域，具有良好的應(yīng)用前景。廖柯熹等介紹了非接觸式磁應(yīng)力檢測（NMD）相關(guān)技術(shù)機理、規(guī)范與現(xiàn)場應(yīng)用等方面的研究進展[2]，并將NMD技術(shù)運用到了滑坡管段應(yīng)力集中檢測中，取得了良好的應(yīng)用效果[3]。在管道安全狀態(tài)監(jiān)測方面，已有眾多學(xué)者針對山區(qū)管道應(yīng)變監(jiān)測展開了研究。許濱華等[4]開展了基于分布式光纖傳感技術(shù)的管道受彎變形監(jiān)測試驗研究，提出了一種分布式光纖監(jiān)測管道受彎變形計算方法。張銀輝等[5]設(shè)計了一種基于云服務(wù)平臺的遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)對管道安全狀態(tài)進行遠程實時評估。

基于此，本文提出一種山地管道安全狀態(tài)識別與監(jiān)測方法，首先通過非接觸式磁應(yīng)力檢測技術(shù)確定應(yīng)力集中管段，然后定義磁異常綜合指數(shù)F值評估出高應(yīng)力風險管段，并安裝應(yīng)力應(yīng)變在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，實時掌握其安全狀態(tài)。該方法在某天然氣管道500m山地段開展了現(xiàn)場試驗，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 山地管道安全狀態(tài)識別技術(shù)

1.1 非接觸式磁應(yīng)力檢測原理

如圖1所示，鐵磁管道在地磁場和荷載的作用下發(fā)生磁化，從而在管道上方產(chǎn)生疊加于地磁場之上的自漏磁場（SMFL）。當管道產(chǎn)生由腐蝕、第三方破壞導(dǎo)致的金屬損失、機械損傷或由地面運動引起的屈曲等時，會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中區(qū)域?qū)е妈F磁管道內(nèi)部磁疇組織不可逆的重新取向，從而引起自漏磁場（SMFL）的突變，其在背景磁場中表現(xiàn)為磁異常（即引起地面磁場產(chǎn)生波動）。非接觸式磁應(yīng)力檢測（NMD）技術(shù)可以通過識別這些磁異常來確定管道缺陷的精確位置。與漏磁檢測（MFL）相同的是，NMD通過檢測管道磁場變化來評估管道狀態(tài)。與MFL的不同在于，NMD不需要磁化管道，也不需要通過計算管壁減薄來估算管道的局部應(yīng)力水平，而是通過磁場數(shù)據(jù)直接計算管道的應(yīng)力狀態(tài)。

非接觸式管道磁應(yīng)力檢測（NMD）技術(shù)較傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)而言，具有眾多的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

（1）非接觸式檢測

NMD技術(shù)可以在地面非開挖條件下對管道實現(xiàn)遠程檢測，最大檢測距離可達20D（D為管道外徑，mm），克服了傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)必須與管道接觸的缺點，也不需要對檢測表面進行提前處理。極大地提高了檢測效率，減少了施工成本；

（2）全面的缺陷檢測

大多數(shù)缺陷均可能導(dǎo)致管壁局部應(yīng)力的增加，NMD技術(shù)通過分析遠程采集的管道磁場數(shù)據(jù)，可以直接檢測管壁的局部應(yīng)力變化，這說明針對任何產(chǎn)生在管道中不論時鐘方位，內(nèi)部或外部，縱向或橫向的缺陷類型，NMD技術(shù)都能夠?qū)ζ溥M行檢測并將結(jié)果精確至亞米級，克服了傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)只能檢測特定類型缺陷的問題，極大地節(jié)省了繁瑣檢測帶來的高昂費用，目前，可檢測到的缺陷類型有：①內(nèi)部或外部腐蝕；②焊縫缺陷或者焊縫附近的缺陷；③線性缺陷包括裂紋，微裂縫；④凹陷和機械劃痕；⑤地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域地面運動導(dǎo)致的管道變形或位移；⑥盜取管道介質(zhì)的非法熱帽；

（3）不受管道工況的限制

NMD是一種100%非侵入式的管道外檢測技術(shù)，不受管道內(nèi)徑、形狀、輸送介質(zhì)壓力、溫度和流速等的影響，只要管道由鐵磁材料構(gòu)成，就可能適用NMD檢測。在檢測的前期、中期或者后期無需調(diào)整管道運行參數(shù)，在檢測期間運營單位可以保持正常管道輸送。

1.2 檢測設(shè)備

采用Grad-03-500L三軸磁通門梯度儀用于測試山地管道的磁場數(shù)據(jù)。梯度儀由三部分組成：第一部分為遠程磁力計，磁通門探頭設(shè)置在磁力計兩端，探頭之間的距離為0.5m。第二部分為數(shù)據(jù)采集單元，實時采集管道沿線的磁場數(shù)據(jù)，同時也具有無線傳輸功能，可以將實時測試數(shù)據(jù)傳遞到遠端電腦。第三部分為電源，為設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的輸出電流。在檢測過程中，操作員手持磁力計沿管道軸線檢測，實時記錄管道磁場。測量數(shù)據(jù)為測量點的磁感應(yīng)強度三分量沿垂直于管道軸向的梯度以及磁場梯度模量GM。

1.3 磁異常評估方法

根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F值來評估管道的應(yīng)力集中程度，從而確定山地管道的安全狀態(tài)，F(xiàn)值按式（1）計算：

式中，A是指修正系數(shù)；GM是指被測管道的磁場梯度模量，nT/m；Ga是指被測管道全線磁場梯度模量的平均值，nT/m。

管道應(yīng)力等級分為三個等級：Ⅰ級為高應(yīng)力風險，Ⅱ級為中等應(yīng)力風險，Ⅲ級為低應(yīng)力風險，磁異常綜合指數(shù)F值范圍與對應(yīng)的應(yīng)力等級如表1所示。

表1 管道缺陷等級劃分

2 山地管道安全狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

2.1 安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

采用應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測方法對山地管道進行安全狀態(tài)在線監(jiān)測與報警。山地管道安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由前端傳感器、數(shù)據(jù)采集與遠程傳輸模塊、供電系統(tǒng)組成，如圖2所示。

（1）前端傳感器：管道應(yīng)變測量采用THY120-5AA（15%）-X30應(yīng)變計，在監(jiān)測管段4個時鐘方位布置應(yīng)變計，每個時鐘方位安裝2組應(yīng)變計，一備一用，保障能夠長期穩(wěn)定采集管道應(yīng)變值；

（2）數(shù)據(jù)采集及遠程傳輸模塊：數(shù)據(jù)采集儀能夠?qū)崿F(xiàn)多通道同步高頻率采集，采樣頻率為200Hz。采集得到的管道應(yīng)變數(shù)據(jù)通過通訊擴展線纜傳輸至數(shù)據(jù)采集儀后，基于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將實時采集數(shù)據(jù)傳輸至遠程控制中心；

（3）山地管道供電系統(tǒng)：考慮到山地管道處于野外環(huán)境，難以為現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備提供穩(wěn)定的220V電源，因此采用風光互補系統(tǒng)為監(jiān)測設(shè)備進行供電。風光互補系統(tǒng)主要由太陽能板、風力發(fā)電機以及蓄電池構(gòu)成，能夠保障通訊模塊的數(shù)據(jù)實時傳輸。

2.2 遠程監(jiān)測云平臺

遠程監(jiān)測云平臺基于B/S構(gòu)架，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集分析、圖形顯示、遠程控制及數(shù)據(jù)管理于一體，實時顯示管道應(yīng)變監(jiān)測內(nèi)容，如圖3所示。可以對管道安全狀態(tài)進行24小時不間斷監(jiān)控，利用計算機的存儲空間記錄管道的多維狀態(tài)參數(shù)（包括振動、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力等信息），在管道達到極限承載能力之前，能夠及時報警，并為了解管道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和分析故障原因提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 管道概況

選取某天然氣管道500m山地管段開展安全狀態(tài)識別與監(jiān)測應(yīng)用。目標管段的基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示。管道規(guī)格為Φ1016×18.2mm，材質(zhì)為X80鋼，外防腐層為3PE，設(shè)計壓力為10MPa。

表2 管線概況

3.2 管道安全狀態(tài)識別結(jié)果

采用非接觸式磁力檢測系統(tǒng)對500m管段進行檢測，檢測到的最大磁場異常幅度為4576nT。如圖4所示，設(shè)定應(yīng)力集中的判斷閾值為3000nT/m，共發(fā)現(xiàn)3處磁異常管段的磁場梯度模量大于該閾值，主要集中在200～400m范圍內(nèi)，目標管道全線的磁場梯度模量平均值為776nT/m，遠遠小于磁異常管段對應(yīng)數(shù)值。

根據(jù)磁異常評估方法，3處磁異常管段的F值分別為0.55，0.59和0.61，磁異常管段的相關(guān)基本信息如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，1#磁異常管段的F值相對較小，說明該管段的應(yīng)力風險程度較高，因此選取1#磁異常管段進行安全狀態(tài)在線監(jiān)測。

表3 磁異常管段基本信息

3.3 管道安全狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果

管道應(yīng)變的單位為με，根據(jù)X80鋼的彈性模量為2.10×105MPa，可以計算得到應(yīng)力變化值，管道應(yīng)變每增加1με，管道表面應(yīng)力值增加0.21MPa。

式中，Δσ為應(yīng)力變化值，MPa；E為管道材質(zhì)彈性模量，MPa；ε為管道應(yīng)變。

由于監(jiān)測管段所在地區(qū)6～9月份為強降雨氣候，選取該時段監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步分析。管道4個時鐘方位的應(yīng)變值如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，由于強降雨氣候引起管道周圍土壤滑移，對管道造成較大的外部荷載，使得管道監(jiān)測截面各方位應(yīng)變值均不斷增加。其中，3點鐘和12點鐘方位的應(yīng)變值明顯大于另外兩個時鐘方位，可以判斷滑坡體主要作用在管道側(cè)向。根據(jù)式（8），計算得到各個時鐘方位的管道應(yīng)力變化值，如表4所示。在6天時間內(nèi)，管道最大應(yīng)力變化值達到148.6MPa，相對X80鋼的屈服強度變化了27%，進一步說明該管段的外部荷載條件發(fā)生了顯著改變，因此，需要立即采取維修維護措施，防止滑坡體繼續(xù)發(fā)育，造成管道斷裂失效。首先利用超聲測厚，X射線探傷儀等對監(jiān)測管段進行接觸式檢測，并且在條件允許的情況下，在管道側(cè)向構(gòu)筑擋土墻，并安裝B型環(huán)氧套筒，有效保障高應(yīng)力風險管段的運營安全。

表4 監(jiān)測管段應(yīng)力變化值

4 結(jié)語

本文利用非接觸式磁應(yīng)力檢測技術(shù)識別出了3處應(yīng)力集中管段，對應(yīng)的磁異常綜合指數(shù)F值范圍為0.55～0.61。選取1處應(yīng)力高風險管段進行安全狀態(tài)在線監(jiān)測，在6天時間內(nèi)管道應(yīng)力最大增量為148.6MPa，相對管道材質(zhì)屈服強度變化了26.7%，因此建議采用超聲測厚，X射線探傷等無損檢測技術(shù)對監(jiān)測管段開展進一步接觸式檢測，在檢測合格后，安裝B型環(huán)氧套筒。