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變化復雜與人員活動活躍兩大風險[1]。在劇烈變化的地質條件與活躍的人員活動的雙重風險疊加條件下，管道的整體應力水平極易超出管道的極限承載能力，導致管道變形、斷裂失效，引發(fā)嚴重的事故后果，造成人員傷亡、構筑物損壞以及其他財產損失，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，非接觸式磁應力檢測技術能夠有效檢測出埋地管道的應力集中區(qū)域，具有良好的應用前景。廖柯熹等介紹了非接觸式磁應力檢測（NMD）相關技術機理、規(guī)范與現(xiàn)場應用等方面的研究進展[2]，并將NMD技術運用到了滑坡管段應力集中檢測中，取得了良好的應用效果[3]。在管道安全狀態(tài)監(jiān)測方面，已有眾多學者針對山區(qū)管道應變監(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]設計了一種基于云服務平臺的遠程實時監(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力檢測技術確定應力集中管段，然后定義磁異常綜合指數(shù)F值評估出高應力風險管段，并安裝應力應變在線監(jiān)測與預警系統(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，取得了良好的應用效果。

1 山地管道安全狀態(tài)識別技術

1.1 非接觸式磁應力檢測原理

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，從而在管道上方產生疊加于地磁場之上的自漏磁場（SMFL）。當管道產生由腐蝕、第三方破壞導致的金屬損失、機械損傷或由地面運動引起的屈曲等時，會出現(xiàn)局部應力集中，而應力集中區(qū)域導致鐵磁管道內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（即引起地面磁場產生波動）。非接觸式磁應力檢測（NMD）技術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力水平，而是通過磁場數(shù)據(jù)直接計算管道的應力狀態(tài)。

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

（1）非接觸式檢測

NMD技術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)缺陷均可能導致管壁局部應力的增加，NMD技術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力變化，這說明針對任何產生在管道中不論時鐘方位，內部或外部，縱向或橫向的缺陷類型，NMD技術都能夠對其進行檢測并將結果精確至亞米級，克服了傳統(tǒng)無損檢測技術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地質災害區(qū)域地面運動導致的管道變形或位移；⑥盜取管道介質的非法熱帽；

（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，不受管道內徑、形狀、輸送介質壓力、溫度和流速等的影響，只要管道由鐵磁材料構成，就可能適用NMD檢測。在檢測的前期、中期或者后期無需調整管道運行參數(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。

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

2.1 安全狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)

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

（2）數(shù)據(jù)采集及遠程傳輸模塊：數(shù)據(jù)采集儀能夠實現(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網絡技術，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，實時顯示管道應變監(jiān)測內容，如圖3所示?？梢詫艿腊踩珷顟B(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、應力、應變、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，并為了解管道結構健康狀態(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)測應用。目標管段的基礎參數(shù)如表2所示。管道規(guī)格為Φ1016×18.2mm，材質為X80鋼，外防腐層為3PE，設計壓力為10MPa。

表2 管線概況

3.2 管道安全狀態(tài)識別結果

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，設定應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，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，磁異常管段的相關基本信息如表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，1#磁異常管段的F值相對較小，說明該管段的應力風險程度較高，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)測結果

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

式中，Δσ為應力變化值，MPa；E為管道材質彈性模量，MPa；ε為管道應變。

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)測截面各方位應變值均不斷增加。其中，3點鐘和12點鐘方位的應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向。根據(jù)式（8），計算得到各個時鐘方位的管道應力變化值，如表4所示。在6天時間內，管道最大應力變化值達到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，在管道側向構筑擋土墻，并安裝B型環(huán)氧套筒，有效保障高應力風險管段的運營安全。

表4 監(jiān)測管段應力變化值

4 結語

本文利用非接觸式磁應力檢測技術識別出了3處應力集中管段，對應的磁異常綜合指數(shù)F值范圍為0.55～0.61。選取1處應力高風險管段進行安全狀態(tài)在線監(jiān)測，在6天時間內管道應力最大增量為148.6MPa，相對管道材質屈服強度變化了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。