在役油氣長輸管道磁力耦合式應(yīng)力檢測原理及其應(yīng)用

翁光遠(yuǎn)

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）

0 引言

長輸油管道長期在野外條件下運(yùn)行，管道外壁在復(fù)雜環(huán)境下隨著時(shí)間推移逐漸老化，其應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了變化，使得輸油管線存在發(fā)生失效事故的隱患。因此，長輸油氣管道應(yīng)力在線無損檢測技術(shù)越來越受到重視。目前，現(xiàn)有的檢測設(shè)備及方法很難直接測試輸油氣管道結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。為此，國內(nèi)外很多學(xué)者[1-3]對輸油氣管道運(yùn)行過程中應(yīng)力實(shí)時(shí)在線檢測的問題展開了相關(guān)的理論探討和應(yīng)用技術(shù)研究。楊踐理等[4]介紹了漏磁信號的處理方法及管道的完整性評價(jià)技術(shù)；何輔云等[5]研究了管道無損檢測設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)；何峰等[6]利用金屬磁記憶檢測技術(shù)定量化地反演油氣管道產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，為油氣管道早期定量化損傷診斷、無損應(yīng)力檢測提供了理論基礎(chǔ)。這些成果多建立在定性研究的基礎(chǔ)上，油氣管道定量化無損應(yīng)力檢測的研究還需要進(jìn)一步深入開展。

目前，在不采用間接計(jì)算的前提下，對輸油氣管道結(jié)構(gòu)（尤其是管道壁）進(jìn)行受力狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，其檢測理論及應(yīng)用方法是油氣管道輸運(yùn)領(lǐng)域中一個(gè)熱點(diǎn)問題，也是具有前沿性的研究課題，其理論成果必將推動(dòng)長輸油氣管道安全性評價(jià)的整體分析水平。以長輸油氣管道壁結(jié)構(gòu)的服役應(yīng)力為對象，利用鐵磁材料的磁力耦合效應(yīng)，研究在役油氣管道應(yīng)力檢測的原理和檢測系統(tǒng)研發(fā)的理論基礎(chǔ)，并探索工程應(yīng)用方法。為促進(jìn)和發(fā)展油氣長輸管道結(jié)構(gòu)無損檢測和健康監(jiān)測領(lǐng)域新理論、新技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 油氣管道壁磁力耦合效應(yīng)

1.1 應(yīng)力對磁特性的影響

油氣長輸管道的管道壁是典型的鐵磁性材料，其磁力特性和磁感應(yīng)特性符合一般鐵磁材料的磁力學(xué)規(guī)律，與一般鐵磁材料性能相比較，其共同點(diǎn)是材料內(nèi)部都具有磁疇結(jié)構(gòu)，磁疇結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)使材料的磁力學(xué)性能發(fā)生變化；其不同點(diǎn)是磁疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的變化方式不同，即磁化曲線和磁滯回線的形狀不同。相關(guān)研究證明，油氣管道類鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)非常微小，但其逆磁致效應(yīng)、應(yīng)力對其磁特性的影響卻很大，主要表現(xiàn)在弱磁性的油氣管材應(yīng)力對管壁磁化強(qiáng)度或磁導(dǎo)率有很大的影響。圖1為應(yīng)力作用下的磁滯回曲線變化情況。

圖1 應(yīng)力對磁滯回曲線的影響

圖1 中，當(dāng)對鐵磁材料構(gòu)件不施加應(yīng)力時(shí)，在磁場H1作用下，材料產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度對應(yīng)于A點(diǎn)；如果施加應(yīng)力+σ1（“+”表示施加拉力），在同一磁場下，磁化強(qiáng)度提高到B點(diǎn)。從圖1中還可以看出剩余磁化強(qiáng)度的變化，未施加應(yīng)力的剩余磁化強(qiáng)度相當(dāng)于C點(diǎn)，如施加應(yīng)力+σ1，則將剩余磁化強(qiáng)度提高到D點(diǎn)。無論是施加了應(yīng)力還是未施加應(yīng)力，經(jīng)過退磁處理后，鐵磁材料試件的剩余磁化強(qiáng)度均為0，這說明經(jīng)過退磁的試件施加應(yīng)力將不產(chǎn)生磁化強(qiáng)度。

1.2 油氣管道壁應(yīng)力分析

油氣管道在輸送油氣時(shí)屬于流體內(nèi)壓管道，假設(shè)由于流體引起的內(nèi)壓為恒定值，在內(nèi)壓的作用下，油氣管道壁上的任意一點(diǎn)將產(chǎn)生軸向、環(huán)向、徑向的應(yīng)力。一般地，軸向應(yīng)力是作用平行于管道軸線的正應(yīng)力；環(huán)向應(yīng)力是由內(nèi)壓引起的、垂直于軸向且平行于管壁圓周切線方向的一類應(yīng)力；徑向應(yīng)力是由內(nèi)壓引起、與管道的半徑方向平行作用在管壁上的應(yīng)力。在利用鐵磁材料磁力耦合響應(yīng)進(jìn)行油氣管道應(yīng)力在線無損檢測時(shí)，需要測試的是管道壁任意截面（任一點(diǎn)）的合應(yīng)力，根據(jù)材料力學(xué)有關(guān)應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算理論，油氣管道管壁3向應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變、徑向應(yīng)變，可根據(jù)廣義胡克定律直接求出。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，國內(nèi)外對于輸油氣管道應(yīng)力的分析有不同的方法和標(biāo)準(zhǔn)?？紤]管道壁的軸向、環(huán)向和徑向應(yīng)力，并考慮管道內(nèi)壓作用下，測試管道壁不同應(yīng)力方向的變形。根據(jù)胡克定律求解3種應(yīng)力，并按照第三強(qiáng)度理論得出合應(yīng)力。以合應(yīng)力為依據(jù)，探討應(yīng)力對管線鋼磁疇結(jié)構(gòu)的變化和磁特性的影響機(jī)理，建立磁力耦合式應(yīng)力檢測的理論方法和應(yīng)用技術(shù)。

2 磁力耦合式應(yīng)力檢測原理及其應(yīng)用

長輸油氣管道結(jié)構(gòu)檢測、鑒定、評估已經(jīng)發(fā)展成為一門新興的多學(xué)科相互交叉的邊緣性學(xué)科。長輸油氣管道結(jié)構(gòu)的損傷檢測包括對局部損傷檢測和整體健康評估。局部損傷檢測主要是在長輸油氣管道結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下，通過無損在線檢測技術(shù)獲得構(gòu)件表面及內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，它是獲得整體健康評估的重要依據(jù)。

磁力耦合式應(yīng)力檢測是在分析鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微觀機(jī)理基礎(chǔ)上，按照磁疇壁移動(dòng)和磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律，分析鐵磁材料在外磁場作用下的磁化過程中的各種能量（交換能、靜磁能、退磁場能、磁晶各向異性能等）對鐵磁材料的磁行為和磁參量的影響。利用應(yīng)力變化引起磁參量變化的規(guī)律，建立長輸油氣管道磁力耦合應(yīng)力檢測技術(shù)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用原理。

2.1 油氣管道磁力耦合式應(yīng)力檢測原理

以輸油氣管道常用的管線鋼為對象，開發(fā)加載裝置系統(tǒng)、加磁裝置系統(tǒng)、磁場測量裝置系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，集成長輸油氣管道的磁力耦合式應(yīng)力檢測系統(tǒng)。分析管道內(nèi)流體產(chǎn)生的應(yīng)力對正截面磁通量的影響。其檢測系統(tǒng)的構(gòu)成和原理如圖2所示。

圖2 磁力耦合式應(yīng)力檢測原理圖

研究開發(fā)的應(yīng)力檢測系統(tǒng)包括勵(lì)磁裝置系統(tǒng)、磁參量測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和構(gòu)件表面溫度感應(yīng)系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)并制作勵(lì)磁裝置系統(tǒng)過程中，一般采用直流或交流電源對勵(lì)磁線圈進(jìn)行通電。根據(jù)不同油氣管道的截面特性，對加磁系統(tǒng)的磁路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)輸油氣管道壁結(jié)構(gòu)參數(shù)（鋼材牌號、截面參數(shù)、幾何尺寸等）進(jìn)行優(yōu)化。通常選用套筒式勵(lì)磁線圈進(jìn)行油氣管道的加磁。油氣管道經(jīng)過技術(shù)磁化后，其載荷作用下應(yīng)力的增量和磁通量之間有較好線性關(guān)系，通過測量管道橫截面的磁通量，可以直接得出應(yīng)力的變化情況。磁通量測量系統(tǒng)主要依靠設(shè)計(jì)磁感應(yīng)線圈的技術(shù)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。采用多參數(shù)測量裝置系統(tǒng)（同時(shí)測量磁通量、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁阻等），分別測得每個(gè)磁參量隨應(yīng)力變化的關(guān)系，優(yōu)化測量裝置系統(tǒng)，并建立應(yīng)力與磁參量的對應(yīng)關(guān)系模型。在測試過程中一般還需要考慮溫度變化的影響，建立應(yīng)力檢測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，直接反映出輸油氣管道壁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

2.2 應(yīng)用方法

為了更好地利用磁力耦合效應(yīng)進(jìn)行油氣管道的在線無損應(yīng)力檢測，在理論分析的技術(shù)上，可以建立基于磁力耦合效應(yīng)試驗(yàn)的多參數(shù)耦合應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為工程實(shí)際應(yīng)用提供良好的參照和技術(shù)支撐。具體可以采取如下的措施和方法：①設(shè)計(jì)并制作輸油氣管道模型結(jié)構(gòu)，建立磁力耦合應(yīng)力檢測的理論基礎(chǔ)；②設(shè)計(jì)足尺輸油氣管道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，加工制作不同牌號管線鋼的磁力耦合加載模型試件，不同工況的輸油氣管道結(jié)構(gòu)模型的磁力耦合加磁加載試驗(yàn)；③分析磁化強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)，磁化強(qiáng)度隨模型試件直徑和壁厚變化的一般規(guī)律；④開發(fā)適用于不同輸油氣管道直徑和壁厚的磁力耦合效應(yīng)無損應(yīng)力檢測技術(shù)；⑤建立基于磁力耦合效應(yīng)的油氣管道應(yīng)力-磁通量數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)；⑥對比分析測試數(shù)據(jù)與建立數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)，判定在役油氣管道的應(yīng)力狀況。

2.3 算例

以管道壁的合應(yīng)力為磁力耦合式應(yīng)力檢測的對象，通過數(shù)值模擬計(jì)算，建立了油氣管道在內(nèi)壓作用下管道壁合應(yīng)力與管道壁經(jīng)技術(shù)磁化后磁感應(yīng)參量的定量關(guān)系。圖3為建立的油氣管道數(shù)值模擬計(jì)算模型，管徑500 mm，管壁厚度10 mm，取管道的計(jì)算長度為5 m。

圖3 油氣管道磁力耦合計(jì)算模型

分別計(jì)算了管道內(nèi)壓為1 MPa、2 MPa、4 MPa的合應(yīng)力，同時(shí)，對計(jì)算模型進(jìn)行了技術(shù)磁化，在磁化飽和狀態(tài)下，計(jì)算了每種內(nèi)壓作用下管道相應(yīng)的感應(yīng)磁通量。圖4為均勻內(nèi)壓作用下，管道長度方向上管道壁最大合應(yīng)力分布情況。

從圖4可以看出，沿著管道壁計(jì)算模型的長度方向，其橫截面的合應(yīng)力基本上呈對稱分布，管道計(jì)算單元的兩端約束較大，其合應(yīng)力也相對較大。給出管道計(jì)算單元中間位置，即圖4中2.5 m位置所對應(yīng)的管道壁合應(yīng)力及其相應(yīng)的感應(yīng)磁通量定量關(guān)系，如圖5所示。

圖4 管道壁應(yīng)力沿長度分布

圖5 管道壁合應(yīng)力與感應(yīng)磁通量關(guān)系

從圖5可以看出：隨著管道內(nèi)壓增大，管道壁的應(yīng)力增大；應(yīng)力對管道壁磁化后的感應(yīng)磁通量影響較為顯著；應(yīng)力與感應(yīng)磁通量之間近似呈線性關(guān)系。

3 結(jié)論

1）在役長輸油氣管道在復(fù)雜服役環(huán)境下，由于管內(nèi)壓力產(chǎn)生的管道壁應(yīng)力發(fā)生變化，接近或超過安全應(yīng)力，可以采用磁力耦合效應(yīng)進(jìn)行在線無損應(yīng)力檢測，以判別油氣管道服役的安全性。

2）油氣管道的管線鋼具有磁性，其具備了一般鐵磁材料的基本磁力學(xué)性能。通過管線鋼的磁力學(xué)性能研究，可以建立不同工況油氣管道的磁力學(xué)模型，為應(yīng)力檢測提供理論基礎(chǔ)。

3）利用磁力耦合效應(yīng)開發(fā)的磁力耦合式應(yīng)力檢測原理和工程應(yīng)用方法具有較好的適用性。