張 琳 趙曉利 李 博 戴聯(lián)雙 張新宇 王學(xué)文 靳元章 張家琿 何 飛

(中國(guó)石油管道公司 a. 沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽(yáng)輸油氣分公司；d. 濟(jì)南輸油分公司)

管道中心線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)與應(yīng)用

張 琳a趙曉利a李 博a戴聯(lián)雙b張新宇a王學(xué)文c靳元章a張家琿a何 飛d

(中國(guó)石油管道公司 a. 沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽(yáng)輸油氣分公司；d. 濟(jì)南輸油分公司)

針對(duì)管道中心線應(yīng)變檢測(cè)缺陷點(diǎn)的定位問(wèn)題和多次管道內(nèi)檢測(cè)的里程誤差，提出一種以管道環(huán)焊縫為參考點(diǎn)對(duì)管道檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊的方法?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方法可以將多次內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊，可有效利用歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估管道中心偏移。

內(nèi)檢測(cè) 應(yīng)變檢測(cè) 管道中心線 數(shù)據(jù)對(duì)齊

管道運(yùn)輸?shù)陌踩珜?duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然環(huán)境的保護(hù)有著重要意義。隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，因管道材料、施工及地質(zhì)變化等外因作用對(duì)管體造成損傷，潛在的風(fēng)險(xiǎn)很大。管道中心線應(yīng)變檢測(cè)可以在不影響管道正常輸送的前提下對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)通過(guò)搭載的高精度慣性測(cè)量單元(IMU)[1]，在地面定標(biāo)點(diǎn)的修正下測(cè)繪管道中心線，進(jìn)而根據(jù)管道中心線計(jì)算管道應(yīng)變。管道缺陷點(diǎn)的定位需要參照管道的里程樁、環(huán)焊縫位置等精確管道位置信息。管道中心線應(yīng)變檢測(cè)除檢測(cè)管道彎曲部分曲率半徑和管道應(yīng)變值外還可以提供管道的精確位置信息[2]，如管道閥門彎頭三通等特征點(diǎn)的精確位置信息、管道環(huán)焊縫的精確GPS坐標(biāo)信息。

1 管道中心線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)概述

管道中心線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)包括內(nèi)檢測(cè)器、地面定標(biāo)盒和數(shù)據(jù)處理軟件。內(nèi)檢測(cè)器的IMU模塊基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主式測(cè)繪，搭載的管道慣性測(cè)繪單元以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計(jì)、里程計(jì)數(shù)據(jù)和環(huán)焊縫探頭信號(hào)值后保存在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中[3]。由于慣性器件存在漂移，誤差隨時(shí)間累積而增大，為了提高測(cè)繪精度，通過(guò)地面GPS定標(biāo)點(diǎn)、里程計(jì)及管道特征(焊縫、彎頭)等信息對(duì)慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[4]。當(dāng)管道內(nèi)檢測(cè)器經(jīng)過(guò)地面GPS定標(biāo)點(diǎn)時(shí)，與地面定標(biāo)盒通信，在定標(biāo)盒中記錄下經(jīng)過(guò)地面定標(biāo)點(diǎn)的時(shí)刻結(jié)合當(dāng)前定標(biāo)點(diǎn)的精確GPS位置信息構(gòu)成一個(gè)定標(biāo)點(diǎn)。管道檢測(cè)完后，將所有記錄的數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)中，結(jié)合定標(biāo)信息，利用組合導(dǎo)航軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到整條管線的位置參數(shù)和管道中心線軌跡圖。利用地面定標(biāo)點(diǎn)信息結(jié)合里程計(jì)航位推算結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差進(jìn)行修正，以進(jìn)一步提高管道軌跡的測(cè)量精度。

IMU性能指標(biāo)為：激光陀螺儀零偏穩(wěn)定性不大于0.01°/h,加速度計(jì)偏值穩(wěn)定性不大于50μg，里程計(jì)刻度誤差不大于0.3%，地面標(biāo)記點(diǎn)精度在±1m內(nèi)。

2 檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊

通常管道內(nèi)檢測(cè)器通過(guò)里程計(jì)記錄的里程信息定位管道缺陷，但是內(nèi)檢測(cè)器在沿管道前進(jìn)中伴隨著翻滾、里程計(jì)的累積誤差和里程輪有可能打滑，這些都會(huì)導(dǎo)致真實(shí)的里程和記錄的里程數(shù)據(jù)之間存在誤差，且隨著檢測(cè)里程的增加誤差也會(huì)增大[5]。為解決前后環(huán)節(jié)信息不一致和再次內(nèi)檢測(cè)時(shí)無(wú)法有效利用歷史數(shù)據(jù)的問(wèn)題，檢測(cè)器通過(guò)搭載焊縫檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)管道環(huán)焊縫[6]，進(jìn)而通過(guò)環(huán)焊縫修正檢測(cè)器記錄的里程數(shù)據(jù)并對(duì)齊多次檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

焊縫檢測(cè)原理如圖1所示。焊縫檢測(cè)器利用焊縫處管壁的不平整檢測(cè)焊縫，焊縫探頭隨著檢測(cè)器貼著管道內(nèi)壁前進(jìn)，管壁被焊縫檢測(cè)器攜帶磁鐵磁化[7]，管壁平滑、連續(xù)，傳感器與管壁貼合良好，傳感器攜帶的永磁鐵的磁力線會(huì)連續(xù)均勻地通過(guò)管壁內(nèi)部；焊縫處管壁出現(xiàn)起伏，傳感器與管壁貼合變差，在管壁表面的磁感應(yīng)線會(huì)漏出。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)線圈對(duì)漏出的磁感應(yīng)線進(jìn)行檢測(cè)，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[8]。

圖1 焊縫檢測(cè)原理示意圖

焊縫檢測(cè)器搭載兩個(gè)呈180°安裝的焊縫檢測(cè)探頭，檢測(cè)器在管道中前進(jìn)時(shí)，兩路探頭分別檢測(cè)管道焊縫信息。螺旋焊縫信號(hào)間隔均勻，信號(hào)的畸變形狀和幅值由焊縫焊接工藝特點(diǎn)決定，管段內(nèi)的螺旋焊縫信號(hào)幅值穩(wěn)定。兩路焊縫檢測(cè)器經(jīng)過(guò)環(huán)焊縫時(shí)，同時(shí)檢測(cè)到環(huán)焊縫特征，可判定此處焊縫信號(hào)為環(huán)焊縫。

以適當(dāng)寬度為窗口選取局部峰值點(diǎn)為焊縫點(diǎn)，由兩路焊縫信號(hào)局部峰值點(diǎn)得到焊縫點(diǎn)，兩路探頭焊縫信號(hào)如圖2所示，其中“o”為A路焊縫峰值點(diǎn)，“*”為B路焊縫峰值點(diǎn)。

圖2 兩路探頭焊縫信號(hào)

對(duì)兩路焊縫峰值點(diǎn)進(jìn)行匹配，小于相應(yīng)范圍時(shí)得到峰值匹配點(diǎn)(圖3)，6.9m處兩路信號(hào)的焊縫點(diǎn)里程相差在識(shí)別范圍內(nèi)，焊縫點(diǎn)匹配成功，該點(diǎn)處被識(shí)別為環(huán)焊縫；其他焊縫峰值點(diǎn)因?yàn)闆](méi)有匹配，被識(shí)別為螺旋焊縫點(diǎn)。

圖3 兩路焊縫峰值匹配點(diǎn)

識(shí)別出管道環(huán)焊縫后對(duì)重復(fù)檢測(cè)的管道歷史數(shù)據(jù)以環(huán)焊縫為參考點(diǎn)對(duì)齊。對(duì)照重復(fù)檢測(cè)的中心線應(yīng)變數(shù)據(jù)可以在水平和豎直兩個(gè)方向上分別比較應(yīng)變的變化，評(píng)估管道應(yīng)變[9]。

3 應(yīng)變計(jì)算

在沒(méi)有歷史數(shù)據(jù)的情況下，管道彎曲應(yīng)變可由管道中心線數(shù)據(jù)在水平方向和豎直方向分別固定間距逐點(diǎn)計(jì)算出管道中心線的水平和垂直應(yīng)變，可有效識(shí)別管道的變形區(qū)域[10]。

通過(guò)管道中心線計(jì)算管道應(yīng)變，原理如圖4所示，ΔS為管道彎曲部分弧長(zhǎng)，Δθ為彎曲部分對(duì)應(yīng)的彎曲角度，R為曲率半徑。用r表示管道半徑，ε表示管道應(yīng)變，K表示管道曲率，則管道應(yīng)變的計(jì)算方法為ε=r/R，其中曲率半徑R=1/K，而曲率K=Δθ/ΔS[11]。

圖4 管道彎曲應(yīng)變計(jì)算示意圖

由于鋪設(shè)管道所采用鋼材的最小屈服應(yīng)變的曲率半徑為400×直徑(400D，400D曲率半徑大致相當(dāng)于B級(jí)鋼管線的最小屈服應(yīng)變的曲率半徑，小于此曲率半徑的彎曲應(yīng)變管道將發(fā)生彎曲褶皺等塑性變形)，400D曲率半徑時(shí)管道應(yīng)變值達(dá)到0.125%，管道彎曲長(zhǎng)度一般超過(guò)12m，對(duì)于管徑813mm的管道，0.125%應(yīng)變對(duì)應(yīng)12m管長(zhǎng)管道中心點(diǎn)位移27mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

某管道公司采用完全自主研發(fā)的IMU內(nèi)檢測(cè)單元完成了某管線的中心線應(yīng)變檢測(cè)，將使用筆者所設(shè)計(jì)方法前后的檢測(cè)結(jié)果中的垂直應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了多處垂直方向位移變化較大的點(diǎn)(圖5)，位移變化主要集中在凍土、沼澤等區(qū)域。

a. 里程116 070m處

b. 里程118 155m處

從圖5a中可以看出116 070m處兩次檢測(cè)的結(jié)果具有良好的重復(fù)性，說(shuō)明依據(jù)環(huán)焊縫對(duì)齊方法對(duì)重復(fù)檢測(cè)的管道歷史數(shù)據(jù)里程可實(shí)現(xiàn)良好對(duì)齊。同時(shí)兩次檢測(cè)的差值說(shuō)明在兩次檢測(cè)中這段管道應(yīng)變減小，說(shuō)明此段管道這段時(shí)間處在彈性恢復(fù)過(guò)程。

從圖5b中可以看出118 155m處管道應(yīng)變值曲線重復(fù)，驗(yàn)證了筆者所述對(duì)齊方法的有效性。該處管道前后兩次檢測(cè)應(yīng)變值變大，說(shuō)明兩次檢測(cè)中該處管道處于應(yīng)變積累過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可以看出，管道中心線應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)管道彎曲應(yīng)變和管道位移。較傳統(tǒng)的位移檢測(cè)技術(shù)(對(duì)管道上定點(diǎn)安裝位移檢測(cè)器進(jìn)行位移檢測(cè))，管道中心線應(yīng)變檢測(cè)可以全線逐點(diǎn)檢測(cè)管道的彎曲應(yīng)變和位移，對(duì)管道的彎曲應(yīng)變和位移檢測(cè)更加全面和精確。重復(fù)對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)可以檢測(cè)管道位移變化和變化率，及時(shí)報(bào)告管道位移變化較大的缺陷點(diǎn)和管道位移變化較快的點(diǎn)，對(duì)管道應(yīng)變進(jìn)行有效的檢測(cè)和預(yù)警，便于及時(shí)主動(dòng)維修管道缺陷點(diǎn)和排除導(dǎo)致管道位移的環(huán)境因素。

同時(shí)，管道中心線應(yīng)變檢測(cè)的結(jié)果可作為管道完整性管理的基準(zhǔn)，用于評(píng)估管道整體的應(yīng)變、沉降等位移情況。該檢測(cè)為油氣管道管理人員提供了完整性的管理工具，可以加強(qiáng)完整性管理和地質(zhì)不穩(wěn)定早期預(yù)警，通過(guò)識(shí)別產(chǎn)生應(yīng)變的原因和對(duì)應(yīng)完整的管道特征，避免應(yīng)變積累導(dǎo)致的管道失效。

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ImprovementandApplicationofPipelineCenterlineStrainDetectingSystem

ZHANG Lina, ZHAO Xiao-lia,LI Boa, DAI Lian-shuangb, ZHANG Xin-yua, WANG Xue-wenc, JIN Yuan-zhanga,ZHANG Jia-huia, HE Feid
(a.ShenyangLongchangPipelineSurveyCenter; b.PipelineIntegrityManagementCenter; c.ShenyangOil&GasTransportationBranchCompany; d.JinanOilTransportationBranchCompany,PetroChinaPipelineCompany)

In order to locate defect points and correct mileage errors in the pipeline centerline inspection, having pipeline girth welds taken as the reference point to correct historical inspection data was proposed. Field application shows that, this method can correct mileages in multiple internal inspections and effectively assess the pipeline centerline displacement through making use of historical inspection data.

internal inspection, strain detection, pipeline centerline, data correction

TH865

B

1000-3932(2017)02-0144-04

2016-04-20，

2016-12-29)

中國(guó)石油天然氣股份有限公司“漠大線凍土區(qū)管道安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究”(油氣1104-03)。

張琳(1985-)，工程師, 主要從事油氣管道內(nèi)檢測(cè)研究， zlsylc@163.com。