中國石油大學(xué)（北京）管道技術(shù)與安全研究中心 編譯

欄目主持人董紹華教授：北美聯(lián)合工業(yè)項目（JIP）將軸向應變傳感器（StressProbe）集成在ILI工具上。該TSC StressProbe新型在線(xiàn)應變檢測器屬于電磁非接觸式應變測量工具，利用電磁技術(shù)在鋼結構加載時(shí)其電磁特性發(fā)生變化為原理，通過(guò)監測磁特性的變化測量管道軸向應變。目前，許多應力/應變檢測方法，只能夠確定從安裝之日起的應變變化，而該檢測器可檢測管道的實(shí)際總應變。本期介紹該檢測器實(shí)施檢測的可行性，并討論案例研究的初步結果。

 

許多管道系統穿過(guò)山體滑坡和/或沉降區域。其中要么在原始管道布線(xiàn)期間未被識別，要么在管道建設之后發(fā)生，要么由管道施工觸發(fā)。巖土工藝技術(shù)已被公認用于識別表征和監測這些危害。鑒于對管道運行的潛在影響，管道/巖土工具可以直接測量由于土壤/結構相互作用而對管道施加的應力/應變。

            

目前由于滑坡和/或沉降導致的管道變形的在線(xiàn)檢測（ILI）方法僅限于基于測量管道中的彎曲應變。即以慣性工具測量管道的中心線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。曲率半徑允許水平、垂直和總彎曲應變計算見(jiàn)下列方程和圖 1、圖 2。

                         

其中:

Δs =樣品之間的距離； P1 =第1個(gè)樣品的間距；P2 =第二個(gè)樣品的間距； A1 =第一個(gè)樣本的方位角；A2 =第二個(gè)樣本的方位角； ΔP =修正間距的變化；ΔA =校正方位角的變化； Kh =垂直曲率半徑； Kv =水平曲率半徑。

首先通過(guò)ILI界定焊縫上的彎曲應變，然后連續運行ILI，并將管線(xiàn)的幾何形狀與先前的情況進(jìn)行比較，以確定是否存在變化。然而，這些方法不能計算由于在管道上加載而產(chǎn)生的軸向應變。這種軸向載荷通常是彎曲載荷的前置，因此檢測管道中的軸向應變 是至關(guān)重要的。

1 測量技術(shù)理論

人們早就知道，鐵磁材料的磁化與彈性應變有相互作用，稱(chēng)為磁致伸縮或磁疇。當磁疇在施加的磁場(chǎng)下重新排序時(shí)，每個(gè)域內的磁致伸縮應變引起材料的尺寸變化。為了使存儲的總能量最小化，具有正磁化常數值的鐵中的磁疇磁化矢量?jì)?yōu)選地使它們自身平行于拉伸應力軸并垂直于壓縮應力軸。

使用磁現象在應力測量中有兩種有代表性的方法;巴克豪森噪聲方法和磁致伸縮方法。前者基于鐵磁材料中疇壁的突然運動(dòng)，這些材料受到磁性變化的影響。后者基于磁導率和磁感應的測量。它利用反磁致伸縮效應，即磁疇行為取決于所施加的磁場(chǎng)的強度和磁化強度。根據磁疇特性，磁致伸縮曲線(xiàn)M與鐵磁材料的磁場(chǎng)H可分為四個(gè)階段�；�于A(yíng)CSM技術(shù)的StressProbe使用低場(chǎng)級I，這是磁化疇壁移動(dòng)并有助于磁化的區域。圖 3顯示了由于施加應力和磁場(chǎng)引起的磁疇壁變化的示意圖。磁化的變化會(huì )影響磁導率。

StressProbe系統使用感應線(xiàn)圈磁化感興趣區域和小感應線(xiàn)圈，以測量靠近金屬表面的磁場(chǎng)變化。它使用頻率為5 kHz的交流（AC）電流，因此測量的應變是由于鐵材料中的趨膚效應而在薄表面層中的應變，實(shí)質(zhì)上是2 d應變分布。 Zhou和Dover建立了數學(xué)模型，以提供涉及應力/應變對滲透率影響的電磁感應的解析解。 Han， Brennan和Dover[5]開(kāi)發(fā)了使用正交場(chǎng)來(lái)增強StressProbe模型的使用。

傳感器在管道表面存在的情況下測量線(xiàn)圈中的感應電壓。這受到管道中金屬的電磁特性，特別是滲透性的影響。滲透率受微觀(guān)結構，晶粒取向，晶界，位錯密度等的影響，而這些又受應力/應變的影響。

在IPC2008中，在實(shí)驗室條件下和斜坡緩解減緩期間，在雙軸加載條件下在管道上使用靜態(tài)傳感器。

2 案例 1

在2008年使用高分辨率慣性測量工具重復進(jìn)行在線(xiàn)檢測以確定彎曲應變之后，在20英寸的天然氣管道上確定了管道移動(dòng)的位置。工具識別的位置與管道穿過(guò)的陡坡的下三分之一相關(guān)（圖 4）。 2008年、 2009年和2010年的后續巖土工程檢查觀(guān)察到了斜坡下部（水偏轉護堤下方）土壤運動(dòng)的跡象。

該斜坡計劃于2011年8月進(jìn)行減緩（管道應變消除和斜坡穩定）。在減緩斜坡之前， 2011年3月開(kāi)始使用另一種在線(xiàn)檢測高分辨率慣性測量工具。該工具還結合了StressProbe技術(shù)更好地了解影響管道的土壤運動(dòng)的軸向應變分量。檢查的初始結果未發(fā)現上述目標 區域中的任何顯著(zhù)的軸向應變變化。這可能是因為管道不會(huì )受到大的軸向應變變化和/或管道經(jīng)受彎曲和軸向應變的綜合影響。軸向應變由4個(gè)傳感器的平均值計算，這些傳感器將消除由于彎曲的存在而引起的縱向應變變化的影響。

斜坡緩解工作于2011年8月完成。在斜坡修復過(guò)程中，露出五個(gè)鐘孔，對管道中心線(xiàn)進(jìn)行測量，并安裝配備太陽(yáng)能遙測的振弦式應變儀進(jìn)行遠程監控。應變儀（包括冗余儀表）安裝在每一個(gè)鐘孔的三個(gè)時(shí)鐘位置。在整個(gè)修復過(guò)程中測量并記錄管道中心線(xiàn)和應變的變化。應變儀仍然受到監控限制，一旦超出限制，就會(huì )通過(guò)電子郵件發(fā)送通知。

2012年11月，配備軸向應變傳感器的在線(xiàn)檢測高分辨率慣性測量工具在該管道段上第二次運行。檢查結果確定了軸向應變的變化區域。確定的區域對應于第一次檢查中存在的大的張力峰值，在第二次檢查中幾乎消失，如圖 5中的圓圈區域所示。第一次或第二次檢查中，數據分析人員不知道應變消除的確切位置。該變化區域對應于應變消除區域。

            

在對來(lái)自ILI工具的數據進(jìn)行盲分析之后，從安裝的應變儀收集的數據與ILI服務(wù)提供商共享，以更詳細地分析應變消除區域。兩個(gè)數據集的比較結果匯總如圖 6所示。

使用兩種應變測量技術(shù)計算軸向應變差異的結果顯示了在該位置處軸向應變變化的測量中的潛在相關(guān)性。這些初步結果雖然有利，但應謹慎使用，因為應變儀結果與ILI工具數據之間的直接比較并不嚴格正確，因為這兩種技術(shù)測量管道中應變分布的不同方面。此外，當管道完全掩埋時(shí)，總是進(jìn)行ILIStressProbe測量。應變儀測量不一定是這種情況。

目前正在開(kāi)展工作以開(kāi)發(fā)兩種應變測量技術(shù)之間的比較程序，并更好地解釋所涉及的誤差。

3 案例 2

關(guān)于邊坡穩定性監測有兩條曲型管線(xiàn)，一條是NPS 24英寸線(xiàn)，另一條是NPS 42英寸線(xiàn)。這兩條線(xiàn)都穿越了河流，路堤非常陡峭。在管道的設計和建造過(guò)程中，河坡的南緣被認為是潛在的斜坡運動(dòng)區域。在斜坡南緣跨越1公里，在兩條管道33個(gè)位置安裝了應變儀。 4個(gè)振弦式軸向應變儀安裝在0°， 90°，180°和270°方向（132個(gè)儀表）上，在10個(gè)位置安裝了環(huán)形應變儀。

在管道運行期間，在斜坡的頂部和頂部的張力壓縮時(shí)觀(guān)察到不穩定性。需要進(jìn)行補救措施以減少應變量。通過(guò)應變儀評估斜坡不穩定性是一種反應性方法，隨著(zhù)時(shí)間的推移，儀表的失效可能導致管道應變信息的可靠性降低。

在使用ILI工具執行例行檢查時(shí)，人們認為添加TSC StressProbe傳感器有助于告知操作員在特定斜坡和/或線(xiàn)路上任何其他斜坡上的潛在應變區域。這兩條管線(xiàn)均在2011年使用TSC StressProbe檢測器進(jìn)行在線(xiàn)檢測。

當操作員收到供應商報告時(shí)，他們與第三方顧問(wèn)簽訂合同，以查看管道上安裝的應變儀數據與 StressProbe讀數之間是否存在關(guān)聯(lián)。目的是確定StressProbe和應變儀數據之間的一致趨勢。使用不同的統計方法來(lái)嘗試和關(guān)聯(lián)數據。值得注意的是，檢測工具上傳感器的未知方向導致StressProbe數據與儀表數據之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。其他統計方法包括使用“平滑的” StressProbe數據，去除異常值以及StressProbe數據到儀表方向的分辨率，顯示出對相關(guān)性的有限改進(jìn)。

盡管有上述評論，但重要的是要注意應變儀數據和StressProbe數據之間的基本差異。應變儀僅在儀表歸零后才響應事件，因此不會(huì )出現總應變。另一方面， StressProbe響應檢查時(shí)的總應變效應。應變儀具有幾乎直接的應變值; StressProbe需要校準程序和分析。 遺憾的是，關(guān)于這個(gè)試驗數據，還不可能進(jìn)行全面的StressProbe校準程序。這項工作還強調了與位于管道部分的所有33個(gè)儀表產(chǎn)生可靠的應變儀數據相關(guān)的困難，以及如何與StressProbe數據正確關(guān)聯(lián)。

經(jīng)與ILI供應商和StressProbe供應商面談，人們普遍認為有些領(lǐng)域可以進(jìn)行改進(jìn)，例如軟件升級以指示傳感器方向，在檢測工具上增加更多傳感器以及提高采樣率以便更好地實(shí)現應變儀和StressProbe數據之間的比較。

4 案例 3

在線(xiàn)應力檢測StressProbe工具穿過(guò)一條30英寸的天然氣主干線(xiàn)，該主干線(xiàn)由一個(gè)活躍的非常緩慢移動(dòng)的深層平移滑坡橫向加載，具有以下特征。

（1）受影響的管道長(cháng)度： 3 500米。

（2）典型的覆蓋深度： 1.4～5.0米。

（3）運動(dòng)深度： 16～114米（在特征的中心具有階梯式多個(gè)滑動(dòng)面）。

（4） 1996～2013年監測期間的年度運動(dòng)速度：10～70毫米/年，具體取決于載玻片的位置，但通�？拷�載玻片的中心增加。

（5）管道安裝后預計的最大總橫向移動(dòng)：3～4米。

（6）管道監控：①20應變儀安裝，每個(gè)位置有3個(gè)儀表， 3個(gè)光纖應變儀。 ②2003、 2007、 2010和2012年慣性工具數據。

ILI StressProbe第一次運行于2010年11月。由于傳感器抬起或記錄錯誤導致重大數據丟失，工具運行結果值得懷疑。第二次運行于2012年7月，傳感器報告升空或數據采集無(wú)誤。

軸向應變工具的結果如圖 7所示。

圖 7顯示了StressProbe工具數據與13公里管道截面上的關(guān)系。管道截面包括平移滑道，滑道兩側類(lèi)似的穩定地形和下游端的一個(gè)陡峭的穩定斜坡交叉點(diǎn)。在通過(guò)巖土工程方法確定為活動(dòng)滑坡的區域內，應變的異常區域是明顯的。異常區域包括超過(guò)看似正常的操作拉伸和壓縮應變的區域。

圖 7中的數據至少表明， StressProbe數據的分析可以用作識別滑坡導致的土壤/結構相互作用區域的工具。仍在進(jìn)行工作以確定StressProbe數據是否可以與應變儀數據相關(guān)聯(lián)。運營(yíng)商對未來(lái)改進(jìn)的評論與案例研究2中提出的建議相似。

關(guān)于數據審查的另外兩個(gè)說(shuō)明如下。

（1）對來(lái)自慣性工具數據的彎曲應變數據的初始和逐次運行比較的回顧產(chǎn)生了滑坡引入的橫向變形的少數跡象，而不是在滑動(dòng)件的下游側面。從應變儀安裝的挖掘點(diǎn)的運行比較中可以清楚地看到大約20～40毫米的垂直變形。

（2）對滑動(dòng)區南側區域未破壞數據的審查清楚地表明，由于2011年大約300米長(cháng)重涂，在滑道之間發(fā)生了顯著(zhù)的應力消除。

5 總結

北美聯(lián)合工業(yè)項目（JIP）結果表明，軸向應變測量傳感器（StressProbe）集成在ILI工具上，成功完成了超過(guò)2 000公里的檢測。應變測量工具的結果突出了以下內容。

（1）軸向應變傳感器在管道的整個(gè)長(cháng)度上感應軸向應變的變化。

（2）StressProbe數據的分析是在“盲試”的基礎上進(jìn)行的。檢測數據分析師能夠正確識別發(fā)生巖土事件的位置。

（3）該技術(shù)具有測量管道中軸向應變的潛力，并且嘗試將ILI軸向應變數據與使用應變儀測量的管道應變的變化相關(guān)聯(lián)，具有一定程度的成功性。如前所述，兩種技術(shù)之間存在根本區別。因此，正在開(kāi)發(fā)的全面StressProbe檢測評價(jià)程序旨在提供用戶(hù)更直接的結果與方法，將是未來(lái)發(fā)展的趨勢。