在役油气长输管道磁力耦合式应力检测原理及其应用

2019-07-30翁光远

石油工业技术监督 2019年7期

翁光远

西安石油大学机械工程学院（陕西西安 710065）

0 引言

长输油管道长期在野外条件下运行，管道外壁在复杂环境下随着时间推移逐渐老化，其应力状态也发生了变化，使得输油管线存在发生失效事故的隐患。因此，长输油气管道应力在线无损检测技术越来越受到重视。目前，现有的检测设备及方法很难直接测试输油气管道结构的实际受力状况。为此，国内外很多学者[1-3]对输油气管道运行过程中应力实时在线检测的问题展开了相关的理论探讨和应用技术研究。杨践理等[4]介绍了漏磁信号的处理方法及管道的完整性评价技术；何辅云等[5]研究了管道无损检测设备研发的基础；何峰等[6]利用金属磁记忆检测技术定量化地反演油气管道产生应力集中的部位，为油气管道早期定量化损伤诊断、无损应力检测提供了理论基础。这些成果多建立在定性研究的基础上，油气管道定量化无损应力检测的研究还需要进一步深入开展。

目前，在不采用间接计算的前提下，对输油气管道结构（尤其是管道壁）进行受力状态实时监测，其检测理论及应用方法是油气管道输运领域中一个热点问题，也是具有前沿性的研究课题，其理论成果必将推动长输油气管道安全性评价的整体分析水平。以长输油气管道壁结构的服役应力为对象，利用铁磁材料的磁力耦合效应，研究在役油气管道应力检测的原理和检测系统研发的理论基础，并探索工程应用方法。为促进和发展油气长输管道结构无损检测和健康监测领域新理论、新技术的应用提供理论依据。

1 油气管道壁磁力耦合效应

1.1 应力对磁特性的影响

油气长输管道的管道壁是典型的铁磁性材料，其磁力特性和磁感应特性符合一般铁磁材料的磁力学规律，与一般铁磁材料性能相比较，其共同点是材料内部都具有磁畴结构，磁畴结构的运动使材料的磁力学性能发生变化；其不同点是磁畴结构及其运动的变化方式不同，即磁化曲线和磁滞回线的形状不同。相关研究证明，油气管道类铁磁材料的磁致伸缩效应非常微小，但其逆磁致效应、应力对其磁特性的影响却很大，主要表现在弱磁性的油气管材应力对管壁磁化强度或磁导率有很大的影响。图1为应力作用下的磁滞回曲线变化情况。

图1 应力对磁滞回曲线的影响

图1 中，当对铁磁材料构件不施加应力时，在磁场H1作用下，材料产生的磁化强度对应于A点；如果施加应力+σ1（“+”表示施加拉力），在同一磁场下，磁化强度提高到B点。从图1中还可以看出剩余磁化强度的变化，未施加应力的剩余磁化强度相当于C点，如施加应力+σ1，则将剩余磁化强度提高到D点。无论是施加了应力还是未施加应力，经过退磁处理后，铁磁材料试件的剩余磁化强度均为0，这说明经过退磁的试件施加应力将不产生磁化强度。

1.2 油气管道壁应力分析

油气管道在输送油气时属于流体内压管道，假设由于流体引起的内压为恒定值，在内压的作用下，油气管道壁上的任意一点将产生轴向、环向、径向的应力。一般地，轴向应力是作用平行于管道轴线的正应力；环向应力是由内压引起的、垂直于轴向且平行于管壁圆周切线方向的一类应力；径向应力是由内压引起、与管道的半径方向平行作用在管壁上的应力。在利用铁磁材料磁力耦合响应进行油气管道应力在线无损检测时，需要测试的是管道壁任意截面（任一点）的合应力，根据材料力学有关应力状态计算理论，油气管道管壁3向应变为轴向应变、环向应变、径向应变，可根据广义胡克定律直接求出。根据文献[7]，国内外对于输油气管道应力的分析有不同的方法和标准。考虑管道壁的轴向、环向和径向应力，并考虑管道内压作用下，测试管道壁不同应力方向的变形。根据胡克定律求解3种应力，并按照第三强度理论得出合应力。以合应力为依据，探讨应力对管线钢磁畴结构的变化和磁特性的影响机理，建立磁力耦合式应力检测的理论方法和应用技术。

2 磁力耦合式应力检测原理及其应用

长输油气管道结构检测、鉴定、评估已经发展成为一门新兴的多学科相互交叉的边缘性学科。长输油气管道结构的损伤检测包括对局部损伤检测和整体健康评估。局部损伤检测主要是在长输油气管道结构工作状态下，通过无损在线检测技术获得构件表面及内部的应力变化情况，它是获得整体健康评估的重要依据。

磁力耦合式应力检测是在分析铁磁材料磁畴结构产生的微观机理基础上，按照磁畴壁移动和磁矩转动规律，分析铁磁材料在外磁场作用下的磁化过程中的各种能量（交换能、静磁能、退磁场能、磁晶各向异性能等）对铁磁材料的磁行为和磁参量的影响。利用应力变化引起磁参量变化的规律，建立长输油气管道磁力耦合应力检测技术的理论基础和应用原理。

2.1 油气管道磁力耦合式应力检测原理

以输油气管道常用的管线钢为对象，开发加载装置系统、加磁装置系统、磁场测量装置系统、数据采集系统，集成长输油气管道的磁力耦合式应力检测系统。分析管道内流体产生的应力对正截面磁通量的影响。其检测系统的构成和原理如图2所示。

图2 磁力耦合式应力检测原理图

研究开发的应力检测系统包括励磁装置系统、磁参量测量系统、数据采集系统和构件表面温度感应系统。

在设计并制作励磁装置系统过程中，一般采用直流或交流电源对励磁线圈进行通电。根据不同油气管道的截面特性，对加磁系统的磁路进行设计，并根据输油气管道壁结构参数（钢材牌号、截面参数、几何尺寸等）进行优化。通常选用套筒式励磁线圈进行油气管道的加磁。油气管道经过技术磁化后，其载荷作用下应力的增量和磁通量之间有较好线性关系，通过测量管道横截面的磁通量，可以直接得出应力的变化情况。磁通量测量系统主要依靠设计磁感应线圈的技术参数来实现。采用多参数测量装置系统（同时测量磁通量、磁感应强度、磁阻等），分别测得每个磁参量随应力变化的关系，优化测量装置系统，并建立应力与磁参量的对应关系模型。在测试过程中一般还需要考虑温度变化的影响，建立应力检测的数据采集系统，直接反映出输油气管道壁结构的应力状态。

2.2 应用方法

为了更好地利用磁力耦合效应进行油气管道的在线无损应力检测，在理论分析的技术上，可以建立基于磁力耦合效应试验的多参数耦合应力检测数据系统，为工程实际应用提供良好的参照和技术支撑。具体可以采取如下的措施和方法：①设计并制作输油气管道模型结构，建立磁力耦合应力检测的理论基础；②设计足尺输油气管道结构试验模型，加工制作不同牌号管线钢的磁力耦合加载模型试件，不同工况的输油气管道结构模型的磁力耦合加磁加载试验；③分析磁化强度的尺寸效应，磁化强度随模型试件直径和壁厚变化的一般规律；④开发适用于不同输油气管道直径和壁厚的磁力耦合效应无损应力检测技术；⑤建立基于磁力耦合效应的油气管道应力-磁通量数据信息系统；⑥对比分析测试数据与建立数据库的关联，判定在役油气管道的应力状况。