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海底油氣管道弱磁應力內檢測

2021-06-15 15:54:31 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

1 引言

鋼質管道由于外界因素或自身因素產生微觀結構畸變或者彈塑性形變時會產生大量應力集中區域，當應力集中達到材料屈服極限時，將很可能導致突發性事故的發生。海底油氣管道由于其復雜的地理環境，在傳統管道缺陷之外，更容易產生管道漂移、振動、應力集中等情況。常規的管道內缺陷檢測技術只能檢測管道中較明顯的宏觀缺陷，而難以檢測管道中由應力集中造成的微觀損傷，因此無法避免由于應力集中引起的管道危害事故。管道弱磁應力內檢測技術可以在非勵磁條件下（地磁環境下），通過檢測鐵磁性材料在應力狀態下的弱磁信號，來判斷材料的應力變形和損傷狀態，預判危害發生，彌補了傳統管道內檢測技術的不足，且具有設備輕便、無需專門磁化、快速便捷、靈敏度高等優點。我公司對弱磁應力內檢測技術進行了研究和工程應用，介紹如下。

2 管道弱磁應力內檢測技術

2.1 管道弱磁應力內檢測機理

在地磁場環境下，鐵磁性金屬構件的應力集中區會產生不同于非應力集中區的微弱磁信號，弱磁檢測方法的檢測機理是通過檢測該種微弱磁信號，來判斷鐵磁性構件的應力損傷區域和應力損傷程度。在地磁場下的鐵磁構件，應力會使其內部的磁疇形狀和分布發生改變，在其表面以漏磁場的形式出現自磁化的增長，在應力集中區會出現最大應力集中區處磁信號的軸向分量Hx出現極值，而徑向分量Hy過零點的現象，弱磁信號特征如圖1所示。

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圖1 弱磁信號特征

2.2 管道弱磁應力內檢測系統

管道弱磁應力內檢測系統由管道弱磁應力內檢測裝置、里程標定裝置和數據分析處理系統三部分組成。

管道弱磁應力內檢測裝置以管道內所輸送介質為動力，基于弱磁應力檢測原理對管道內的應力集中區進行檢測，其裝置如圖2所示。

圖2管道弱磁應力內檢測裝置

里程標定裝置包括管道外標記標定、管道內外時間同步標定和里程輪記錄三部分，對行進里程等信息進行記錄，從而精確定位管道上應力集中區及管道特殊部件。

數據分析處理系統通過實時傳輸管道弱磁應力內檢測裝置上的弱磁傳感器檢測得到的弱磁信號，并對其進行可視化處理，從而對管道應力集中區檢測結果進行分析。數據判讀人員通過觀測可視化結果中的弱磁信號特征，判斷應力集中區的分布，根據對應的里程信息判定應力集中區所在位置并進行標記。

3 外界磁場和探頭提離值對弱磁信號的影響

3.1 模型的建立

弱磁信號是在地磁場環境下鐵磁性金屬構件應力集中區產生的微弱磁信號。在管道中，管壁由鐵磁性金屬組成，外界磁場復雜，而且在檢測過程中，弱磁應力檢測探頭與管壁之間存在一定提離值。為了保證檢測數據的準確性，對外界磁場以及探頭提離值對弱磁信號的影響進行分析。

為了模擬管道中應力集中區的磁信號特征，進而研究應力集中區的磁信號變化規律，建立了含應力集中區的1/4鋼管模型，鋼管上應力集中區尺寸3×3×3 mm，如圖3所示。

圖3 含應力集中區的鋼管模型

在鋼板研究區域上方1 mm提離值沿徑向方向設置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號分布情況。應力集中區弱磁信號分布如圖4所示，發現在應力集中區處的弱磁信號軸向分量存在最大值、徑向分量過零點，與弱磁應力內檢測機理信號特征一致，模型建立成功。

a）軸向磁場強度

b）徑向磁場強度

圖4 應力集中區弱磁信號分布

3.2 外界磁場對弱磁信號的影響

在建立的仿真模型區域上方1 mm提離值沿軸向方向設置掃描路徑，研究此路徑上方弱磁信號在不同外界磁場強度下的變化規律，當研究區域處于地磁場環境下，結果如圖5所示，隨著鐵磁性構件表面所受應力的增加，構件表面的弱磁信號變化幅值增加，弱磁信號在應力集中區表現出的特征越明顯。

圖5 地磁場環境下的磁力學關系

為了分析圖3所標記的研究區域在不同外界磁場下的磁信號變化特征，設置外界磁場為單一變量，在應力集中程度、試件檢測位置等其余影響因素保持一致的情況下，提高空間磁場強度，不同外界磁感應作用下的磁力學關系曲線如圖6所示，橫坐標-5～5 mm范圍內為應力集中區域。

圖6 不同磁感應強度作用下的磁力學關系曲線

從圖6可以看出，隨外界磁感應強度增加，構件表面的應力集中區附近，弱磁信號數值增加，但是應力集中區域弱磁信號與附近信號的差值減??；當外界磁場達到100 μT時，應力集中區域的弱磁信號與附近信號的差值不明顯，弱磁信號被覆蓋，難以識別應力集中區。

因此，使用弱磁應力內檢測器進行檢測時，應保證外界磁場強度低于100 μT，否則，將影響弱磁信號的識別。

3.3 提離值對弱磁信號的影響

為了研究不同提離值情況下弱磁信號的變化規律，在應力集中程度一定的情下，弱磁信號在提離值為0～15 mm的范圍內的變化規律如圖7所示。圖中橫坐標180～220 mm為應力集中區。由圖7可見，當測量點距離表面具有一定提離值的時候仍然存在弱磁信號，且在提離值較小時，能明顯分辨出應力集中區。隨著提離值逐漸增加，磁感應強度逐漸減小，當提離值小于10 mm時，可以看出模型計算的曲線有較好的重復性，能夠識別應力集中區。隨著提離值增加，鋼板表面磁感應強度明顯下降，應力集中區辨識度降低，弱磁信號不可檢。