輸氣管道沉降的磁應力快速評估技術應用

楊 濤 龐洪晨 許繼凱 山東省天然氣管道有限責任公司 濟南 250000

于洪偉 中石化中原石油勘探局有限公司 濮陽 457000

天然氣場站內管道一般敷設在軟基回填土中，受設計、安裝及地質等因素影響，投產運行后管道發生沉降的現象普遍，管道因沉降而產生的應力集中，可能會導致材料屈服變形甚至破壞，成為安全運行的高風險因素[1]。對發生沉降的管道進行弱磁場應力檢測，分析局部管道應力分布情況，評估應力集中區域的管道安全風險，能夠為制定管道沉降防護與治理措施、消除管道安全隱患提供建議與指導。

1 磁應力評估技術

鋼質管道磁應力評估(PMDT)采用無接觸式掃描力計進行作業，同時通過RD8000管道定位儀準確測量檢測區域內的管線走向、埋深，用PCM+防腐層檢測儀對管道外防腐層完整性進行檢測，結合RTK定位系統對管道進行測量定位[2-3]，實現對管道應力集中區域分布情況的準確記錄與分析。

1.1 管道探測基本原理

可采用英國雷迪公司RD8000定位儀對管道走向與埋深進行探測。RD8000基于電磁法工作原理，通過發射機(TX10)向管道施加特定的電流信號，電流信號沿管道延伸，在管道周圍形成電磁場，該磁場的強度與管道中的電流信號存在函數關系，在地面上通過接收機內置線圈感應磁場來識別管中電流、計算管道位置。接收機對管道進行精確定位后，可以進一步計算出接收機底部與管道中心軸線的距離和該處地下管中電流的大小，并顯示在接收機屏幕上。檢測工作圖見圖1。

圖1 RD8100檢測工作圖

1.2 RTK技術精確定位

RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時地提供被測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度，用以實現磁應力檢測結果的定位與分析。

1.3 弱磁場應力檢測基本原理

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

金屬結構的各種微觀缺陷和局部應力集中是導致機械結構和設備失效乃至發生事故的重要原因(國內外數據統計應力集中導致的管道失效事件約占失效事件總數的70%以上)。鐵磁材料在拉力、壓力和剪切力等外力作用下，其材料內部的磁疇結構發生變化，導致磁特性發生相應變化的現象被稱為逆磁致伸縮效應。磁場強度與應力關系見圖2。

圖2 磁場強度與應力關系

弱磁場應力檢測技術是以金屬磁記憶效應和逆磁致伸縮效應為基本原理[4]。處于地磁環境下的鐵磁性材料受到工作載荷的作用時，由于金屬磁記憶效應與逆磁致伸縮效應，在應力集中與變形區產生最大的附加磁場，其法向分量改變符號且過零點，而切向分量出現最大值[5-6]。應力集中處磁場法向分量梯度見圖3。

圖3 在應力集中處磁場法向分量梯度

根據鐵磁材料周圍磁場來判斷應力集中主要有兩種不同的方式，一是通過磁場法向分量過零點來判斷，二是利用磁場法向分量的梯度值來判斷，即利用磁場法向分量在應力集中處會出現很大的梯度值這一特點。磁場法向分量，以及磁場法向分量梯度的變化曲線見圖4。

圖4 磁場法向分量梯度的變化曲線

埋地敷設的輸氣管道受地磁場磁化后，在出現應力集中的管段將會產生疊置于地磁場之上的、反映其應力狀態的附加磁場。PMDT磁應力檢測技術的核心則是掃描采集這種“附加磁場”，雖然其強度較弱，但由于在任意一點處地磁場的最大變化率(即地磁場的梯度)與管道磁場的梯度相比小得多，因此當采用梯度測量時，采集的數據所攜帶的主要是管道磁場的信息。

1.4 評估方法

通過弱磁場得到的管道當前應力集中程度(σ′/σ)，依據《輸氣管道工程設計規范》GB 50251-2015，應力集中值σ′應滿足[7]:

σ′≤0.9σ

式中， σ′為應力集中值; σ為管材的屈服強度。

此外，參照《運用非接觸式磁檢測方法進行管道技術狀況診斷指南(俄羅斯聯邦礦工業委員會批準)》РД 102-008-2009，依據應力集中程度對檢出缺陷劃分4個風險等級，并給出維修決策建議[8]。腐蝕缺陷處應力集中風險等級劃分詳見表1。

表1 腐蝕缺陷處應力集中風險等級劃分

2 磁應力評估技術案例

2.1 管道概況

某天然氣管道公司輸氣站內DN1016管道東西走向約80米，運行壓力7.0MPa，投用時間2015年12月。日常巡檢中發現進站管線三通及干線氣液聯動閥門處發現有向東北方向沉降及傾斜現象，管道存在應力集中的風險。

2.2 檢測評估結果

采用弱磁場應力檢測技術對該處沉降管道的應力分布情況進行檢測，應力分布曲線見圖5。

圖5 管道應力分布曲線

結果表明被檢管段共有7處應力集中點：其中，有3處應力集中風險等級為一級，可以正常運行而無需修復，可在下次檢測時進行動態比對；另外4處應力集中風險等級為二級，應重點進行巡檢和監控。

從應力集中管段的分布位置來看，進站三通、放空管三通區域應力較大，分析其原因為三通管段回填土相對松散，管段沉降程度較大，導致管道出現應力集中。日常巡檢中應重點檢查該段管線有無進一步沉降的趨勢，根據監控情況制定磁應力再檢測計劃。

3 結語

通過理論分析及技術實際應用可知：

(1)磁應力檢測技術具有靈活性高、不必實施全線內檢測、不必開挖管道等優點，可快速評估站場內輸氣管道發生沉降時應力集中的風險等級，為管道安全運行提供科學決策。

(2)磁應力檢測結果表明，被測管道的三通、閥門等位置處應力值較高，在日常巡檢中應重點監控，觀察有無進一步沉降等變化趨勢。

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