楊 濤 龐洪晨 許繼凱 山東省天然氣管道有限責(zé)任公司 濟(jì)南 250000

于洪偉 中石化中原石油勘探局有限公司 濮陽(yáng) 457000

天然氣場(chǎng)站內(nèi)管道一般敷設(shè)在軟基回填土中，受設(shè)計(jì)、安裝及地質(zhì)等因素影響，投產(chǎn)運(yùn)行后管道發(fā)生沉降的現(xiàn)象普遍，管道因沉降而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，可能會(huì)導(dǎo)致材料屈服變形甚至破壞，成為安全運(yùn)行的高風(fēng)險(xiǎn)因素[1]。對(duì)發(fā)生沉降的管道進(jìn)行弱磁場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)，分析局部管道應(yīng)力分布情況，評(píng)估應(yīng)力集中區(qū)域的管道安全風(fēng)險(xiǎn)，能夠?yàn)橹贫ü艿莱两捣雷o(hù)與治理措施、消除管道安全隱患提供建議與指導(dǎo)。

1 磁應(yīng)力評(píng)估技術(shù)

鋼質(zhì)管道磁應(yīng)力評(píng)估(PMDT)采用無(wú)接觸式掃描力計(jì)進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)通過(guò)RD8000管道定位儀準(zhǔn)確測(cè)量檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的管線走向、埋深，用PCM+防腐層檢測(cè)儀對(duì)管道外防腐層完整性進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合RTK定位系統(tǒng)對(duì)管道進(jìn)行測(cè)量定位[2-3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道應(yīng)力集中區(qū)域分布情況的準(zhǔn)確記錄與分析。

1.1 管道探測(cè)基本原理

可采用英國(guó)雷迪公司RD8000定位儀對(duì)管道走向與埋深進(jìn)行探測(cè)。RD8000基于電磁法工作原理，通過(guò)發(fā)射機(jī)(TX10)向管道施加特定的電流信號(hào)，電流信號(hào)沿管道延伸，在管道周圍形成電磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的強(qiáng)度與管道中的電流信號(hào)存在函數(shù)關(guān)系，在地面上通過(guò)接收機(jī)內(nèi)置線圈感應(yīng)磁場(chǎng)來(lái)識(shí)別管中電流、計(jì)算管道位置。接收機(jī)對(duì)管道進(jìn)行精確定位后，可以進(jìn)一步計(jì)算出接收機(jī)底部與管道中心軸線的距離和該處地下管中電流的大小，并顯示在接收機(jī)屏幕上。檢測(cè)工作圖見(jiàn)圖1。

圖1 RD8100檢測(cè)工作圖

1.2 RTK技術(shù)精確定位

RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地提供被測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度，用以實(shí)現(xiàn)磁應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果的定位與分析。

1.3 弱磁場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)基本原理

鐵磁性金屬材料在加工和運(yùn)行時(shí)，由于地磁場(chǎng)和內(nèi)部應(yīng)力的共同作用，在應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，這種磁狀態(tài)的不可逆變化在內(nèi)部應(yīng)力消除后不僅會(huì)保留，還與最大作用應(yīng)力有關(guān)。鐵磁材料表面的這種磁狀態(tài)“記憶”著材料微觀缺陷或應(yīng)力集中的位置，即所謂的金屬磁記憶效應(yīng) 。

金屬結(jié)構(gòu)的各種微觀缺陷和局部應(yīng)力集中是導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效乃至發(fā)生事故的重要原因(國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)力集中導(dǎo)致的管道失效事件約占失效事件總數(shù)的70%以上)。鐵磁材料在拉力、壓力和剪切力等外力作用下，其材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致磁特性發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象被稱為逆磁致伸縮效應(yīng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力關(guān)系

弱磁場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)是以金屬磁記憶效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)為基本原理[4]。處于地磁環(huán)境下的鐵磁性材料受到工作載荷的作用時(shí)，由于金屬磁記憶效應(yīng)與逆磁致伸縮效應(yīng)，在應(yīng)力集中與變形區(qū)產(chǎn)生最大的附加磁場(chǎng)，其法向分量改變符號(hào)且過(guò)零點(diǎn)，而切向分量出現(xiàn)最大值[5-6]。應(yīng)力集中處磁場(chǎng)法向分量梯度見(jiàn)圖3。

圖3 在應(yīng)力集中處磁場(chǎng)法向分量梯度

根據(jù)鐵磁材料周圍磁場(chǎng)來(lái)判斷應(yīng)力集中主要有兩種不同的方式，一是通過(guò)磁場(chǎng)法向分量過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷，二是利用磁場(chǎng)法向分量的梯度值來(lái)判斷，即利用磁場(chǎng)法向分量在應(yīng)力集中處會(huì)出現(xiàn)很大的梯度值這一特點(diǎn)。磁場(chǎng)法向分量，以及磁場(chǎng)法向分量梯度的變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 磁場(chǎng)法向分量梯度的變化曲線

埋地敷設(shè)的輸氣管道受地磁場(chǎng)磁化后，在出現(xiàn)應(yīng)力集中的管段將會(huì)產(chǎn)生疊置于地磁場(chǎng)之上的、反映其應(yīng)力狀態(tài)的附加磁場(chǎng)。PMDT磁應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的核心則是掃描采集這種“附加磁場(chǎng)”，雖然其強(qiáng)度較弱，但由于在任意一點(diǎn)處地磁場(chǎng)的最大變化率(即地磁場(chǎng)的梯度)與管道磁場(chǎng)的梯度相比小得多，因此當(dāng)采用梯度測(cè)量時(shí)，采集的數(shù)據(jù)所攜帶的主要是管道磁場(chǎng)的信息。

1.4 評(píng)估方法

通過(guò)弱磁場(chǎng)得到的管道當(dāng)前應(yīng)力集中程度(σ′/σ)，依據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50251-2015，應(yīng)力集中值σ′應(yīng)滿足[7]:

σ′≤0.9σ

式中， σ′為應(yīng)力集中值; σ為管材的屈服強(qiáng)度。

此外，參照《運(yùn)用非接觸式磁檢測(cè)方法進(jìn)行管道技術(shù)狀況診斷指南(俄羅斯聯(lián)邦礦工業(yè)委員會(huì)批準(zhǔn))》РД 102-008-2009，依據(jù)應(yīng)力集中程度對(duì)檢出缺陷劃分4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并給出維修決策建議[8]。腐蝕缺陷處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分詳見(jiàn)表1。

表1 腐蝕缺陷處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

2 磁應(yīng)力評(píng)估技術(shù)案例

2.1 管道概況

某天然氣管道公司輸氣站內(nèi)DN1016管道東西走向約80米，運(yùn)行壓力7.0MPa，投用時(shí)間2015年12月。日常巡檢中發(fā)現(xiàn)進(jìn)站管線三通及干線氣液聯(lián)動(dòng)閥門(mén)處發(fā)現(xiàn)有向東北方向沉降及傾斜現(xiàn)象，管道存在應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 檢測(cè)評(píng)估結(jié)果

采用弱磁場(chǎng)應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)該處沉降管道的應(yīng)力分布情況進(jìn)行檢測(cè)，應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖5。

圖5 管道應(yīng)力分布曲線

結(jié)果表明被檢管段共有7處應(yīng)力集中點(diǎn)：其中，有3處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，可以正常運(yùn)行而無(wú)需修復(fù)，可在下次檢測(cè)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)比對(duì)；另外4處應(yīng)力集中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為二級(jí)，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行巡檢和監(jiān)控。

從應(yīng)力集中管段的分布位置來(lái)看，進(jìn)站三通、放空管三通區(qū)域應(yīng)力較大，分析其原因?yàn)槿ü芏位靥钔料鄬?duì)松散，管段沉降程度較大，導(dǎo)致管道出現(xiàn)應(yīng)力集中。日常巡檢中應(yīng)重點(diǎn)檢查該段管線有無(wú)進(jìn)一步沉降的趨勢(shì)，根據(jù)監(jiān)控情況制定磁應(yīng)力再檢測(cè)計(jì)劃。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析及技術(shù)實(shí)際應(yīng)用可知：

(1)磁應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)具有靈活性高、不必實(shí)施全線內(nèi)檢測(cè)、不必開(kāi)挖管道等優(yōu)點(diǎn)，可快速評(píng)估站場(chǎng)內(nèi)輸氣管道發(fā)生沉降時(shí)應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為管道安全運(yùn)行提供科學(xué)決策。

(2)磁應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果表明，被測(cè)管道的三通、閥門(mén)等位置處應(yīng)力值較高，在日常巡檢中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，觀察有無(wú)進(jìn)一步沉降等變化趨勢(shì)。

(3)沉降管道應(yīng)力集中快速評(píng)估的目的是監(jiān)控管道應(yīng)力集中狀態(tài)，保障管道在完成沉降治理前能夠安全運(yùn)行，并不能替代管道沉降的防治工作。