翁光遠

西安石油大學 機械工程學院 （陜西 西安 710065）

0 引言

長輸油管道長期在野外條件下運行，管道外壁在復雜環(huán)境下隨著時間推移逐漸老化，其應力狀態(tài)也發(fā)生了變化，使得輸油管線存在發(fā)生失效事故的隱患。因此，長輸油氣管道應力在線無損檢測技術越來越受到重視。目前，現(xiàn)有的檢測設備及方法很難直接測試輸油氣管道結構的實際受力狀況。為此，國內外很多學者[1-3]對輸油氣管道運行過程中應力實時在線檢測的問題展開了相關的理論探討和應用技術研究。楊踐理等[4]介紹了漏磁信號的處理方法及管道的完整性評價技術；何輔云等[5]研究了管道無損檢測設備研發(fā)的基礎；何峰等[6]利用金屬磁記憶檢測技術定量化地反演油氣管道產生應力集中的部位，為油氣管道早期定量化損傷診斷、無損應力檢測提供了理論基礎。這些成果多建立在定性研究的基礎上，油氣管道定量化無損應力檢測的研究還需要進一步深入開展。

目前，在不采用間接計算的前提下，對輸油氣管道結構（尤其是管道壁）進行受力狀態(tài)實時監(jiān)測，其檢測理論及應用方法是油氣管道輸運領域中一個熱點問題，也是具有前沿性的研究課題，其理論成果必將推動長輸油氣管道安全性評價的整體分析水平。以長輸油氣管道壁結構的服役應力為對象，利用鐵磁材料的磁力耦合效應，研究在役油氣管道應力檢測的原理和檢測系統(tǒng)研發(fā)的理論基礎，并探索工程應用方法。為促進和發(fā)展油氣長輸管道結構無損檢測和健康監(jiān)測領域新理論、新技術的應用提供理論依據。

1 油氣管道壁磁力耦合效應

1.1 應力對磁特性的影響

油氣長輸管道的管道壁是典型的鐵磁性材料，其磁力特性和磁感應特性符合一般鐵磁材料的磁力學規(guī)律，與一般鐵磁材料性能相比較，其共同點是材料內部都具有磁疇結構，磁疇結構的運動使材料的磁力學性能發(fā)生變化；其不同點是磁疇結構及其運動的變化方式不同，即磁化曲線和磁滯回線的形狀不同。相關研究證明，油氣管道類鐵磁材料的磁致伸縮效應非常微小，但其逆磁致效應、應力對其磁特性的影響卻很大，主要表現(xiàn)在弱磁性的油氣管材應力對管壁磁化強度或磁導率有很大的影響。圖1為應力作用下的磁滯回曲線變化情況。

圖1 應力對磁滯回曲線的影響

圖1 中，當對鐵磁材料構件不施加應力時，在磁場H1作用下，材料產生的磁化強度對應于A點；如果施加應力+σ1（“+”表示施加拉力），在同一磁場下，磁化強度提高到B點。從圖1中還可以看出剩余磁化強度的變化，未施加應力的剩余磁化強度相當于C點，如施加應力+σ1，則將剩余磁化強度提高到D點。無論是施加了應力還是未施加應力，經過退磁處理后，鐵磁材料試件的剩余磁化強度均為0，這說明經過退磁的試件施加應力將不產生磁化強度。

1.2 油氣管道壁應力分析

油氣管道在輸送油氣時屬于流體內壓管道，假設由于流體引起的內壓為恒定值，在內壓的作用下，油氣管道壁上的任意一點將產生軸向、環(huán)向、徑向的應力。一般地，軸向應力是作用平行于管道軸線的正應力；環(huán)向應力是由內壓引起的、垂直于軸向且平行于管壁圓周切線方向的一類應力；徑向應力是由內壓引起、與管道的半徑方向平行作用在管壁上的應力。在利用鐵磁材料磁力耦合響應進行油氣管道應力在線無損檢測時，需要測試的是管道壁任意截面（任一點）的合應力，根據材料力學有關應力狀態(tài)計算理論，油氣管道管壁3向應變?yōu)檩S向應變、環(huán)向應變、徑向應變，可根據廣義胡克定律直接求出。根據文獻[7]，國內外對于輸油氣管道應力的分析有不同的方法和標準?？紤]管道壁的軸向、環(huán)向和徑向應力，并考慮管道內壓作用下，測試管道壁不同應力方向的變形。根據胡克定律求解3種應力，并按照第三強度理論得出合應力。以合應力為依據，探討應力對管線鋼磁疇結構的變化和磁特性的影響機理，建立磁力耦合式應力檢測的理論方法和應用技術。

2 磁力耦合式應力檢測原理及其應用

長輸油氣管道結構檢測、鑒定、評估已經發(fā)展成為一門新興的多學科相互交叉的邊緣性學科。長輸油氣管道結構的損傷檢測包括對局部損傷檢測和整體健康評估。局部損傷檢測主要是在長輸油氣管道結構工作狀態(tài)下，通過無損在線檢測技術獲得構件表面及內部的應力變化情況，它是獲得整體健康評估的重要依據。

磁力耦合式應力檢測是在分析鐵磁材料磁疇結構產生的微觀機理基礎上，按照磁疇壁移動和磁矩轉動規(guī)律，分析鐵磁材料在外磁場作用下的磁化過程中的各種能量（交換能、靜磁能、退磁場能、磁晶各向異性能等）對鐵磁材料的磁行為和磁參量的影響。利用應力變化引起磁參量變化的規(guī)律，建立長輸油氣管道磁力耦合應力檢測技術的理論基礎和應用原理。

2.1 油氣管道磁力耦合式應力檢測原理

以輸油氣管道常用的管線鋼為對象，開發(fā)加載裝置系統(tǒng)、加磁裝置系統(tǒng)、磁場測量裝置系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)，集成長輸油氣管道的磁力耦合式應力檢測系統(tǒng)。分析管道內流體產生的應力對正截面磁通量的影響。其檢測系統(tǒng)的構成和原理如圖2所示。

圖2 磁力耦合式應力檢測原理圖

研究開發(fā)的應力檢測系統(tǒng)包括勵磁裝置系統(tǒng)、磁參量測量系統(tǒng)、數(shù)據采集系統(tǒng)和構件表面溫度感應系統(tǒng)。

在設計并制作勵磁裝置系統(tǒng)過程中，一般采用直流或交流電源對勵磁線圈進行通電。根據不同油氣管道的截面特性，對加磁系統(tǒng)的磁路進行設計，并根據輸油氣管道壁結構參數(shù)（鋼材牌號、截面參數(shù)、幾何尺寸等）進行優(yōu)化。通常選用套筒式勵磁線圈進行油氣管道的加磁。油氣管道經過技術磁化后，其載荷作用下應力的增量和磁通量之間有較好線性關系，通過測量管道橫截面的磁通量，可以直接得出應力的變化情況。磁通量測量系統(tǒng)主要依靠設計磁感應線圈的技術參數(shù)來實現(xiàn)。采用多參數(shù)測量裝置系統(tǒng)（同時測量磁通量、磁感應強度、磁阻等），分別測得每個磁參量隨應力變化的關系，優(yōu)化測量裝置系統(tǒng)，并建立應力與磁參量的對應關系模型。在測試過程中一般還需要考慮溫度變化的影響，建立應力檢測的數(shù)據采集系統(tǒng)，直接反映出輸油氣管道壁結構的應力狀態(tài)。

2.2 應用方法

為了更好地利用磁力耦合效應進行油氣管道的在線無損應力檢測，在理論分析的技術上，可以建立基于磁力耦合效應試驗的多參數(shù)耦合應力檢測數(shù)據系統(tǒng)，為工程實際應用提供良好的參照和技術支撐。具體可以采取如下的措施和方法：①設計并制作輸油氣管道模型結構，建立磁力耦合應力檢測的理論基礎；②設計足尺輸油氣管道結構試驗模型，加工制作不同牌號管線鋼的磁力耦合加載模型試件，不同工況的輸油氣管道結構模型的磁力耦合加磁加載試驗；③分析磁化強度的尺寸效應，磁化強度隨模型試件直徑和壁厚變化的一般規(guī)律；④開發(fā)適用于不同輸油氣管道直徑和壁厚的磁力耦合效應無損應力檢測技術；⑤建立基于磁力耦合效應的油氣管道應力-磁通量數(shù)據信息系統(tǒng)；⑥對比分析測試數(shù)據與建立數(shù)據庫的關聯(lián)，判定在役油氣管道的應力狀況。

2.3 算例

以管道壁的合應力為磁力耦合式應力檢測的對象，通過數(shù)值模擬計算，建立了油氣管道在內壓作用下管道壁合應力與管道壁經技術磁化后磁感應參量的定量關系。圖3為建立的油氣管道數(shù)值模擬計算模型，管徑500 mm，管壁厚度10 mm，取管道的計算長度為5 m。

圖3 油氣管道磁力耦合計算模型

分別計算了管道內壓為1 MPa、2 MPa、4 MPa的合應力，同時，對計算模型進行了技術磁化，在磁化飽和狀態(tài)下，計算了每種內壓作用下管道相應的感應磁通量。圖4為均勻內壓作用下，管道長度方向上管道壁最大合應力分布情況。

從圖4可以看出，沿著管道壁計算模型的長度方向，其橫截面的合應力基本上呈對稱分布，管道計算單元的兩端約束較大，其合應力也相對較大。給出管道計算單元中間位置，即圖4中2.5 m位置所對應的管道壁合應力及其相應的感應磁通量定量關系，如圖5所示。

圖4 管道壁應力沿長度分布

圖5 管道壁合應力與感應磁通量關系

從圖5可以看出：隨著管道內壓增大，管道壁的應力增大；應力對管道壁磁化后的感應磁通量影響較為顯著；應力與感應磁通量之間近似呈線性關系。

3 結論

1）在役長輸油氣管道在復雜服役環(huán)境下，由于管內壓力產生的管道壁應力發(fā)生變化，接近或超過安全應力，可以采用磁力耦合效應進行在線無損應力檢測，以判別油氣管道服役的安全性。

2）油氣管道的管線鋼具有磁性，其具備了一般鐵磁材料的基本磁力學性能。通過管線鋼的磁力學性能研究，可以建立不同工況油氣管道的磁力學模型，為應力檢測提供理論基礎。

3）利用磁力耦合效應開發(fā)的磁力耦合式應力檢測原理和工程應用方法具有較好的適用性。