管道中心線應變檢測系統的改進與應用

張 琳 趙曉利 李 博 戴聯雙 張新宇 王學文 靳元章 張家琿 何 飛

(中國石油管道公司 a. 沈陽龍昌管道檢測中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽輸油氣分公司；d. 濟南輸油分公司)

管道中心線應變檢測系統的改進與應用

張 琳a趙曉利a李 博a戴聯雙b張新宇a王學文c靳元章a張家琿a何 飛d

(中國石油管道公司 a. 沈陽龍昌管道檢測中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽輸油氣分公司；d. 濟南輸油分公司)

針對管道中心線應變檢測缺陷點的定位問題和多次管道內檢測的里程誤差，提出一種以管道環焊縫為參考點對管道檢測歷史數據進行對齊的方法?，F場應用表明該方法可以將多次內檢測數據對齊，可有效利用歷史檢測數據評估管道中心偏移。

內檢測 應變檢測 管道中心線 數據對齊

管道運輸的安全對經濟發展和自然環境的保護有著重要意義。隨著管道運行時間的增長，因管道材料、施工及地質變化等外因作用對管體造成損傷，潛在的風險很大。管道中心線應變檢測可以在不影響管道正常輸送的前提下對管道進行檢測，系統通過搭載的高精度慣性測量單元(IMU)[1]，在地面定標點的修正下測繪管道中心線，進而根據管道中心線計算管道應變。管道缺陷點的定位需要參照管道的里程樁、環焊縫位置等精確管道位置信息。管道中心線應變檢測除檢測管道彎曲部分曲率半徑和管道應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的精確位置信息、管道環焊縫的精確GPS坐標信息。

1 管道中心線應變檢測系統概述

管道中心線應變檢測系統包括內檢測器、地面定標盒和數據處理軟件。內檢測器的IMU模塊基于捷聯慣性導航系統實現自主式測繪，搭載的管道慣性測繪單元以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計、里程計數據和環焊縫探頭信號值后保存在系統存儲器中[3]。由于慣性器件存在漂移，誤差隨時間累積而增大，為了提高測繪精度，通過地面GPS定標點、里程計及管道特征(焊縫、彎頭)等信息對慣性導航數據進行修正[4]。當管道內檢測器經過地面GPS定標點時，與地面定標盒通信，在定標盒中記錄下經過地面定標點的時刻結合當前定標點的精確GPS位置信息構成一個定標點。管道檢測完后，將所有記錄的數據下載到計算機中，結合定標信息，利用組合導航軟件進行數據處理，得到整條管線的位置參數和管道中心線軌跡圖。利用地面定標點信息結合里程計航位推算結果對系統的導航誤差進行修正，以進一步提高管道軌跡的測量精度。

IMU性能指標為：激光陀螺儀零偏穩定性不大于0.01°/h,加速度計偏值穩定性不大于50μg，里程計刻度誤差不大于0.3%，地面標記點精度在±1m內。

2 檢測數據對齊

通常管道內檢測器通過里程計記錄的里程信息定位管道缺陷，但是內檢測器在沿管道前進中伴隨著翻滾、里程計的累積誤差和里程輪有可能打滑，這些都會導致真實的里程和記錄的里程數據之間存在誤差，且隨著檢測里程的增加誤差也會增大[5]。為解決前后環節信息不一致和再次內檢測時無法有效利用歷史數據的問題，檢測器通過搭載焊縫檢測器來檢測管道環焊縫[6]，進而通過環焊縫修正檢測器記錄的里程數據并對齊多次檢測的數據。

焊縫檢測原理如圖1所示。焊縫檢測器利用焊縫處管壁的不平整檢測焊縫，焊縫探頭隨著檢測器貼著管道內壁前進，管壁被焊縫檢測器攜帶磁鐵磁化[7]，管壁平滑、連續，傳感器與管壁貼合良好，傳感器攜帶的永磁鐵的磁力線會連續均勻地通過管壁內部；焊縫處管壁出現起伏，傳感器與管壁貼合變差，在管壁表面的磁感應線會漏出。根據電磁感應原理，感應線圈對漏出的磁感應線進行檢測，將磁信號轉換為電信號進行測量[8]。

圖1 焊縫檢測原理示意圖

焊縫檢測器搭載兩個呈180°安裝的焊縫檢測探頭，檢測器在管道中前進時，兩路探頭分別檢測管道焊縫信息。螺旋焊縫信號間隔均勻，信號的畸變形狀和幅值由焊縫焊接工藝特點決定，管段內的螺旋焊縫信號幅值穩定。兩路焊縫檢測器經過環焊縫時，同時檢測到環焊縫特征，可判定此處焊縫信號為環焊縫。

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

圖2 兩路探頭焊縫信號

對兩路焊縫峰值點進行匹配，小于相應范圍時得到峰值匹配點(圖3)，6.9m處兩路信號的焊縫點里程相差在識別范圍內，焊縫點匹配成功，該點處被識別為環焊縫；其他焊縫峰值點因為沒有匹配，被識別為螺旋焊縫點。

圖3 兩路焊縫峰值匹配點

識別出管道環焊縫后對重復檢測的管道歷史數據以環焊縫為參考點對齊。對照重復檢測的中心線應變數據可以在水平和豎直兩個方向上分別比較應變的變化，評估管道應變[9]。

3 應變計算

在沒有歷史數據的情況下，管道彎曲應變可由管道中心線數據在水平方向和豎直方向分別固定間距逐點計算出管道中心線的水平和垂直應變，可有效識別管道的變形區域[10]。

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

圖4 管道彎曲應變計算示意圖

由于鋪設管道所采用鋼材的最小屈服應變的曲率半徑為400×直徑(400D，400D曲率半徑大致相當于B級鋼管線的最小屈服應變的曲率半徑，小于此曲率半徑的彎曲應變管道將發生彎曲褶皺等塑性變形)，400D曲率半徑時管道應變值達到0.125%，管道彎曲長度一般超過12m，對于管徑813mm的管道，0.125%應變對應12m管長管道中心點位移27mm。

4 現場應用

某管道公司采用完全自主研發的IMU內檢測單元完成了某管線的中心線應變檢測，將使用筆者所設計方法前后的檢測結果中的垂直應變數據進行對比，發現了多處垂直方向位移變化較大的點(圖5)，位移變化主要集中在凍土、沼澤等區域。

a. 里程116 070m處

b. 里程118 155m處

從圖5a中可以看出116 070m處兩次檢測的結果具有良好的重復性，說明依據環焊縫對齊方法對重復檢測的管道歷史數據里程可實現良好對齊。同時兩次檢測的差值說明在兩次檢測中這段管道應變減小，說明此段管道這段時間處在彈性恢復過程。

從圖5b中可以看出118 155m處管道應變值曲線重復，驗證了筆者所述對齊方法的有效性。該處管道前后兩次檢測應變值變大，說明兩次檢測中該處管道處于應變積累過程。

5 結束語

通過現場應用可以看出，管道中心線應變檢測系統可以檢測管道彎曲應變和管道位移。較傳統的位移檢測技術(對管道上定點安裝位移檢測器進行位移檢測)，管道中心線應變檢測可以全線逐點檢測管道的彎曲應變和位移，對管道的彎曲應變和位移檢測更加全面和精確。重復對管道進行內檢測可以檢測管道位移變化和變化率，及時報告管道位移變化較大的缺陷點和管道位移變化較快的點，對管道應變進行有效的檢測和預警，便于及時主動維修管道缺陷點和排除導致管道位移的環境因素。

同時，管道中心線應變檢測的結果可作為管道完整性管理的基準，用于評估管道整體的應變、沉降等位移情況。該檢測為油氣管道管理人員提供了完整性的管理工具，可以加強完整性管理和地質不穩定早期預警，通過識別產生應變的原因和對應完整的管道特征，避免應變積累導致的管道失效。

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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)

中國石油天然氣股份有限公司“漠大線凍土區管道安全運行關鍵技術研究”(油氣1104-03)。

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