山區滑坡管道應力磁檢測技術

朱洪東，廖柯熹，何國璽，何騰蛟

(西南石油大學石油與天然氣工程學院，成都 610500)

中國山地管道眾多，由于其線狀及網狀特點，不可避免地要經過一些地質災害高發區，滑坡災害成了威脅油氣管道安全運行的主要危險源之一[1]。尤其是中緬管道，由于管道沿線地形地貌和地質構造的特點，使得中緬管道滑坡災害頻發。根據中緬管道云南段地質災害評估資料，管道沿線滑坡及不穩定斜坡186處，崩塌15處，泥石流16處[2]。滑坡導致的地表變形使得管道受到擠壓或懸空，形成局部應力集中區域。該區域的存在容易引起管道彎曲變形甚至斷裂，導致管道失效，進而造成油氣泄漏、爆炸等后果，嚴重影響管道的安全運行。因此，對山區滑坡管道進行應力集中區域的檢測與評估，對預防管道事故、保障管道安全運行具有重要意義。

目前常用的管道無損檢測技術包括超聲檢測、漏磁檢測[3]、磁粉探傷檢測等，但這些方法只能用于測試管道表面的缺陷，難以對管道應力集中區進行有效識別和評估。

應力磁檢測是一種基于磁機械效應的應力集中弱磁檢測方法，通過檢測管道自漏磁場的變化來達到檢測管道應力集中區域的目的[4]。由于該檢測方法易于實施且成本低[5-6]，因此在工程學中引起了廣泛關注。Liu等[7-8]研究了使用密度函數理論的應力集中和自漏磁場之間的關系。Shi等[9]提出了一種在應力場和恒定弱磁場下的磁化模型，能夠定量評價鐵磁性材料中的應力狀態。宋永生等[10]基于金屬磁記憶理論開展鋼材的靜力拉伸實驗和疲勞實驗，研究了矯頑力與焊縫裂紋擴展之間的相關性。屈英豪等[11]采用實驗和數值仿真的手段探究了地磁場和鐵磁材料自身磁化對弱磁檢測信號的影響規律。

中外學者在管道應力磁檢測領域也開展了大量研究。文獻[12-13]首次提出了基于力磁耦合關系的管道非接觸式檢測技術，并研發了相應的磁檢測設備用于埋地鐵磁性管道的磁力診斷。文獻[14-15]將非接觸式檢測技術應用到地下金屬管道的缺陷檢測和金屬探傷，并通過實驗證明了該技術可以用于對管道結構健康狀態進行監測。廖柯熹等[16-19]在Dubov的研究基礎上提出了埋地管道磁力外檢測技術，并將其應用到埋地油氣管道本體應力集中識別、腐蝕缺陷檢測以及環焊縫的缺陷的檢測，現場應用取得了良好的效果。He等[20]基于力磁耦合效應提出了一種新型三維非破壞性磁力檢測技術，用于埋地管道缺陷的磁通檢測。工程應用結果表明該技術能夠量化檢測評估LNG(liquefied natural gas)管道缺陷狀態。

目前中外學者在磁應力檢測技術的理論模型、實驗研究等方面已展開了大量研究。然而，關于滑坡管道應力集中檢測與定量評估的研究較少。因此，提出一種滑坡管道應力磁檢測與評價方法，用于滑坡管道的應力集中識別和定量評估。將其應用于中石油某長輸管線滑坡管段，確定滑坡管段的應力集中程度，取得了良好的應用效果。

1 磁應力檢測原理

應力作用下，鐵磁體內部磁籌發生位錯滑移，進而引起磁化狀態改變，應力對鐵磁材料的磁化作用可以等效為一個外磁場[21]。

在無外部磁場的條件下，鐵磁體的非滯后磁化能量E[22]可表示為

(1)

應力產生的等效磁場Hσ可以表示為

(2)

He=H+αM+Hσ

(3)

式中：T為溫度；S為熵；H為外部磁場；σ為應力；Hσ為應力引起的等效磁場；λ為磁致伸縮系數；M為磁化強度。μ0為真空滲透率；θ為應力方向與He之間的夾角，He為鐵磁材料的綜合磁場；υ為泊松比；α是表征磁矩對磁化強度結合能力的無量綱量。

在應力作用下鐵磁體的非滯后磁化強度Man由Langevin方程給出[23]，即

(4)

式(4)中：Ms為飽和磁化強度；a是常數。

(5)

式(5)中：ξ是一個常數，與單位體積的能量有關；Mirr是不可逆磁化強度，磁化強度M對應力能W的導數表示為

(6)

式(6)中：c為可逆系數，而應力能的導數表示為

(7)

式(7)中：E為彈性模量，將式(7)代入式(6)得到磁化強度與應力的定量關系[24]，即

(8)

在地磁場作用下，埋地管道產生附加于地磁場的自漏磁場，當鐵磁管道受到外荷載作用時，引起管材磁化強度改變，使得管周自漏磁場發生畸變[25]，如圖1和圖2所示。磁應力檢測技術通過在地面采集管道上方的磁梯度三分量，來定量評估管道的綜合應力狀態。

圖1 完整管道產生的漏磁場

圖2 缺陷管道產生的漏磁場

2 應力集中磁檢測與評價方法

針對山地滑坡管道應力集中問題，提出一種磁應力檢測與評價方法。如圖3所示，其主要流程包括六個部分。

圖3 滑坡管道應力集中磁檢測主要流程

(1)管道停輸，勘察分析現場滑坡情況。首先停輸滑坡段管道，現場勘察山體位移情況，分析確定滑坡高風險管段。

(2)現場磁應力檢測。在標定滑坡段路徑后，采用非接觸式磁力檢測儀沿目標管道進行檢測，采集管道的磁梯度信號，記錄鐵磁干擾物與外部荷載情況，存儲數據。

(3)數據處理與分析。對檢測數據進行降噪處理后，根據磁異常綜合指數F的計算公式識別滑坡管道磁異常區域，分析確定磁異常區域的綜合應力水平。

(4)異常管段開挖驗證。根據滑坡管道的磁應力檢測結果，對識別出的應力集中嚴重段進行開挖檢測，包括金屬磁記憶檢測、X射線探傷與超聲測厚等，驗證非接觸磁應力檢測結果。

(5)磁應力復檢。采用非接觸式磁力檢測儀對開挖后的管段進行二次復檢，將兩次檢測結果進行對比分析，確定開挖釋放應力后滑坡管段是否能夠繼續使用。

(6)損傷管段修復。針對開挖釋放應力后，仍處于高風險(F<0.2)的滑坡管段，立即采取修復措施，然后，按照國家發明專利“管道安全狀態評估方法與階梯式升壓管道安全復產方法”[26]，進行復產操作。

2.1 檢測方法

當滑坡管道存在局部應力集中時，管道上方自漏磁場將發生明顯變化，即出現磁異常信號。操作人員使用非接觸式磁力檢測儀沿滑坡管道軸向進行檢測，獲取管道上方的磁場梯度數據，在檢測過程中保持勻速，檢測速度不超過0.5 m/s，提離高度不大于20D(D為管徑，圖4)。在檢測過程中，對滑坡管道的檢測起終點、沿途標示樁、鐵磁構筑物做好相應記錄。完成現場檢測后，將磁梯度數據輸入配套檢測軟件進行分析處理，計算得到管道磁異常綜合指數F，結合現場情況，評估滑坡管道綜合應力狀態和風險等級。

圖4 非接觸式磁力檢測計磁檢測技術實現過程

現場檢測時，非接觸式磁力檢測儀水平放置，與管道軸線保持垂直，如圖5所示。其中，X方向為管道軸線方向，檢測儀的雙探頭分別測量管道上方的磁感應強度三分量。

圖5 磁力檢測方向和檢測內容

然后通過雙探頭的磁場檢測數據，輸出沿檢測儀長度方向的磁場梯度三分量:①沿管道軸線水平分量梯度?Bx；②垂直于管道軸線水平分量梯度?By；③垂直于管道軸線豎直分量梯度?Bz。梯度模量GM計算公式為

(9)

2.2 應力集中評價方法

根據磁應力檢測結果，計算得到滑坡管道磁異常綜合指數的分布曲線。參考GB/T 35090—2018《無損檢測管道弱磁檢測方法》，針對應力損傷管段，根據磁異常綜合指數F，確定管道的應力損傷等級[27]。F計算公式為

F=e-AGM

(10)

式(10)中:A為修正系數；GM為梯度模量。

根據磁異常綜合指數F，可將管道應力損傷程度劃分為三個等級:Ⅰ級為高風險，Ⅱ級為中風險，Ⅲ級為低風險。管道應力損傷等級和對應的處理措施如表1所示。

表1 管道損傷等級劃分

2.3 檢測設備

本次現場測試采用的管道非接觸式磁力檢測儀為Grad-03-500，如圖6所示，檢測系統主要由三部分組成:第一部分為磁傳感器探頭，兩個探頭分別設置在儀器的兩端，用于實時采集磁力信號，傳感器之間的距離為0.5 m。第二部分為顯示與控制部分，顯示儀顯示兩個探頭測試的磁感應強度三分量的差值，通過無線模塊將檢測數據傳輸至上位機。第三部分為電源，為設備提供可靠穩定的輸出電流，以保障設備的正常使用。

圖6 管道磁應力檢測系統

磁傳感器探頭采用三軸磁通門傳感器，其具體參數如表2所示。

表2 傳感器主要參數

3 工程應用

3.1 管線概況

在中緬管道柳州支線某滑坡管段進行現場檢測。目標管道管徑為610 mm，壁厚為11.9 mm/14.2 mm，設計壓力為10 MPa，管道基本信息如表3所示。踏勘發現滑坡管段側向土體發生大面積塌陷，造成露管，滑坡管段長度為110 m，滑坡管道現場情況如圖7所示。

表3 滑坡管道基本情況

圖7 管道滑坡現場圖

滑坡災害使得埋地管道存在局部應力集中，嚴重影響管道的安全，亟需開展科學有效的應力檢測與評估，根據檢測結果制定相應的維修方案，為滑坡管道安全復產提供指導意見。

3.2 磁應力檢測結果及分析

本次管道檢測里程共計110 m，采用小波包變換降噪技術對檢測數據進行濾波處理，小波基函數選擇sym8，分解層數設置為4層，熵標準選擇shannon，閾值選擇軟閾值，取得了良好的降噪效果。圖8為目標管道的磁梯度三分量及梯度模量的變化曲線。背景磁場梯度為630 nT/m，檢測得到最大磁感應強度梯度為11 073 nT/m。根據檢測結果，發現在管道66、71、80 m處的磁信號變化幅度較大，梯度模量分別達到了17 145、14 727、9 364 nT/m，遠超滑坡管段其他部位，初步判斷這三個磁異常區域存在應力集中。

圖8 滑坡管段檢測磁信號

參考GB/T 35090—2018，結合工程實際情況，基于磁應力磁檢測結果分析計算該滑坡管段沿程的磁異常綜合指數F，結果如圖9所示。根據管道應力損傷判定準則，No.1磁異常段的F為0.12，為Ⅰ級風險點；No.2和No.3磁異常點F分別為0.25和0.51，為Ⅱ級風險點。磁異常段位置信息及應力損傷評價結果如表4所示。

圖9 滑坡管段磁異常指數

表4 滑坡管道磁異常區域檢測結果

3.3 開挖驗證

為驗證磁應力檢測結果的準確性，選擇Ⅰ級磁異常段No.1和Ⅱ級磁異常段No.3進行開挖檢測。開挖后發現，兩處管段均存在環焊縫。利用金屬磁記憶檢測儀對開挖管道進行檢測，確定應力集中區域的精確位置，校核應力風險狀態。

3.3.1 金屬磁記憶檢測

根據GB 26641—2011規定[28]，采用TSC-2M-8金屬磁記憶檢測儀分別對兩處開挖管道進行軸向檢測和環向檢測。金屬磁記憶檢測儀共有8個通道，其中，奇數通道測試切向分量HPx，偶數通道測試法向分量HPy。檢測方式如圖10所示，沿開挖管段12點、3點、6點、9點鐘四個時鐘方向進行軸向檢測，沿環焊縫順時針方向進行環向檢測。現場檢測過程如圖11所示。

圖10 金屬磁記憶檢測方式示意圖

圖11 金屬磁記憶現場檢測過程

不同時鐘方向的軸向檢測結果存在差異，選擇磁信號特征最明顯的12點鐘方向的檢測結果來分析，No.1管段金屬磁記憶軸向檢測結果如圖12所示。

圖12 No.1管段金屬磁記憶軸向檢測結果

如圖12所示，No.1管段在250～700 mm范圍內多個通道的磁信號發生波動，磁場強度存在明顯的過零點現象，焊縫位置(距檢測起點490 mm處)的局部磁場強度信號值和梯度值均達到峰值，分別為3 341 A/mm和769 A/(mm·m)，相比于管道本體位置數值較大，表明環焊縫存在較大的應力集中，這是因為焊縫熱影響區組織結構的不均勻性，導致磁疇結構明顯不同于管道本體，其磁化程度明顯大于管道本體。

No.3管段金屬磁記憶軸向檢測結果如圖13所示。在環焊縫區域(檢測距離在650～1 000 mm范圍內)磁場強度變化明顯，峰值達到1 532 A/mm，磁場梯度值為248 A/(mm·m)，說明該處也存在局部應力集中，但應力集中程度低于No.1管段。

圖13 No.3管段金屬磁記憶軸向檢測結果

由No.1和No.3管段磁記憶檢測結果可以發現，兩個管段的環焊縫區域均存在應力集中，且No.1管段環焊縫應力集中程度大于No.3管段，與磁應力檢測結果一致。同時，HP-2、HP-4、HP-6三個偶數通道的磁信號在環焊縫區域的變化更加顯著，說明磁場強度法向分量對應力集中更加敏感。

選擇HP-2、HP-4和HP-6三個偶數通道的環向檢測結果進行分析，如圖14所示。從圖14中可以發現，No.1管段和No.3管段環焊縫分別在6點半時鐘方向和9點鐘方向磁場強度達到最大值，為3 198 A/mm和1 516 A/mm，磁場強度梯度值為849 A/(mm·m)和278 A/(mm·m)。經過分析是由于山體滑坡導致環焊縫在該時鐘方位受到側向擠壓，進而產生了局部應力集中。

圖14 金屬磁記憶環向檢測結果

3.3.2 非接觸式磁應力復檢

為確定開挖釋放應力后滑坡管段是否能夠繼續使用，對滑坡管段進行二次復檢。開挖磁異常管段釋放應力后，采用非接觸式磁力檢測儀對開挖管段進行復檢，檢測過程如圖15所示。

圖15 開挖后二次復檢

由第一次檢測結果可知，在滑坡管段58～83 m區域內存在應力集中，因此在二次復檢時重點分析該區域的磁信號檢測結果，如圖16所示。從圖16中可以看出，在開發釋放應力后，3個磁異常段的梯度模量值仍處于較高水平，對應的磁異常綜合指數F的計算結果如圖17所示。

圖16 管道磁應力復檢結果

圖17 二次復檢沿程磁異常綜合指數分布

No.1和No.3管段兩次磁應力檢測結果如表5所示。對比兩次檢測結果可知，No.1管段二次復檢磁異常綜合指數F=0.14，相比于第一次檢測結果略有減小，但仍處于“Ⅰ”級風險，說明開挖作業釋放了部分管道應力，管道應力集中程度有所下降但不明顯；No.3管段兩次檢測得到的F相同，表明移出覆土后管道應力集中程度基本不變，開挖釋放應力作業未起到釋放應力的作用。這是因為滑坡作用可能導致管道發生了塑性變形，進而在開挖管段后，管道無法恢復到滑坡前的應力狀態。

表5 滑坡段第二次檢測磁異常結果

3.4 管道修復措施制定

基于二次復檢結果，確定了以下修復措施:①在滑坡管道旁設置擋土墻，以防發生二次滑坡；②對滑坡段坡頂和坡底安裝固定墩，防止縱向滑坡對管道造成進一步破壞；③檢測結果表明No.1管段應力集中較嚴重，建議采用環氧套筒進行補強修復。在應力風險等級為“Ⅱ”級的No.2和No.3管段的環焊縫位置安裝應力應變在線監測系統，持續監控管道的安全狀態，做到危險提前預知和風險可控。

4 結論

(1)鐵磁材料的磁信號反映了材料的應力及損傷狀態。管道應力狀態的變化可引起其磁信號特征的變化。因此，磁信號可作為評價管道應力集中程度的依據。

(2)通過對現場滑坡管段的磁力檢測結果分析，可以識別滑坡管段應力集中位置并評估其應力風險等級。

(3)對No.1和No.3應力損傷管段開挖驗證，金屬磁記憶檢測結果進一步驗證了滑坡管段應力集中位置及風險程度，表明了磁應力檢測技術在滑坡管道應力集中檢測與評估工程實際應用中的有效性。

(4)兩次非接觸式磁力檢測結果表明開挖釋放應力的效果較差，滑坡作用可能導致管道發生了塑性變形，進而在開挖管段后，管道無法恢復到滑坡前的應力狀態。