Hamed HabibiSpeir

Hunter Limted

摘要：傳統(tǒng)的管道完整性保護(hù)方案是量化管壁缺陷的幾何形狀，依賴于對(duì)缺陷類別(裂紋，或腐蝕)及其大小(壁厚損失)的識(shí)別。 然而，完整性決策主要考慮的是潛在的應(yīng)力數(shù)值。 缺陷幾何形狀一般用于推斷管道應(yīng)力值。一旦這個(gè)應(yīng)力值達(dá)到管道材料的最大強(qiáng)度，就會(huì)引起管道的塑性變形和破裂。大型遠(yuǎn)距離磁測(cè)技術(shù)（LSM）是一種新型的遠(yuǎn)距離磁力監(jiān)測(cè)（RMM）技術(shù)，通過(guò)分析管道磁測(cè)數(shù)據(jù)，可直接測(cè)量管壁的應(yīng)力值。以應(yīng)力集中斷層掃描（SCT）為例，說(shuō)明LSM的基本原理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集到的數(shù)據(jù)總結(jié)SCT的有效性，提出了驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：RMM； LSM； SCT； SCZ；局部應(yīng)力；應(yīng)力監(jiān)測(cè)；條件評(píng)估；管道完整性

1 簡(jiǎn)介

多年來(lái)，管道完整性解決方案一直基于缺陷的幾何形狀，因?yàn)閹缀跛�有傳統(tǒng)的檢測(cè)方法都只能測(cè)量缺陷的大小，且針對(duì)每個(gè)缺陷類別開(kāi)發(fā)了不同的技術(shù)。然而，導(dǎo)致管道完整性出現(xiàn)問(wèn)題的原因是管壁的應(yīng)力達(dá)到了管道材料的最大強(qiáng)度，所以造成管道破裂。 在進(jìn)行完整性管理決策時(shí)，已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究，以考慮缺陷的大小、類型和位置，管道工作條件和許多其他因素。 這些方法必須非常保守，因此效率不高，即使只用一種檢查方法檢查整條管道上所有類型的缺陷，也仍然如此。碳鋼管道的遠(yuǎn)程磁力監(jiān)測(cè)(RMM)是一種直接評(píng)定管道完整性的創(chuàng)新方法，無(wú)需考慮管道缺陷類型和管道工作條件等因素。 這種檢測(cè)方法被稱為大型遠(yuǎn)距離磁測(cè)技術(shù)（LSM）。本文詳細(xì)介紹了該技術(shù)的原理和最新發(fā)展，并列舉了應(yīng)力集中斷層掃描(SCT)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

2 研究背景

維拉里（villari）[1]演示了一根鋼棒上的拉伸應(yīng)力會(huì)改變鋼棒周圍的磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象被稱為逆磁致伸縮效應(yīng)，或者維拉里效應(yīng)。過(guò)去幾十年，人們研究了鋼棒近距離范圍內(nèi)的逆磁致伸縮。史泰博等人（Staples et al.）[2]以鋼管截面為重點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)件在局部腐蝕、冶金和機(jī)械應(yīng)力下產(chǎn)生的應(yīng)力和磁場(chǎng)的關(guān)系，精確測(cè)量了鋼筋的近、遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)，建立了一維應(yīng)力與磁場(chǎng)變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。 這是研究遠(yuǎn)距逆磁致伸縮逆效應(yīng)的第一次嘗試。隨后對(duì)該模型進(jìn)行了三維應(yīng)力擴(kuò)展，并在一個(gè)末端加蓋的管道的單個(gè)截面上進(jìn)行了驗(yàn)證。雖然模型驗(yàn)證取得成功，但是對(duì)這種現(xiàn)象的解釋仍然是假設(shè)。 當(dāng)一個(gè)鐵磁管段在軋機(jī)中制造出來(lái)，在居里點(diǎn)凝固時(shí)，形成一個(gè)南北極的棒形磁鐵。 根據(jù)固化條件的不同，磁疇的磁極可以任意取向。 除非受兩種情況影響，否則這個(gè)結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。一是廣為人知的、可以旋轉(zhuǎn)的外部磁感應(yīng)強(qiáng) 度。二是微觀的機(jī)械變形會(huì)改變磁極的方向[2]。

管道運(yùn)行壓力會(huì)沿著管道的縱向、環(huán)向和軸向產(chǎn)生均勻應(yīng)力，形成了基準(zhǔn)磁場(chǎng)，其可以在遠(yuǎn)離管道處進(jìn)行測(cè)量。管道缺陷如腐蝕、裂紋、凹痕等，以及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的外力，都會(huì)導(dǎo)致管道局部應(yīng)力加大。局部應(yīng)力增加的磁響應(yīng)將改變磁極的原始方向，從而擾亂基準(zhǔn)磁場(chǎng)。局部應(yīng)力也稱磁特征(MS) ，或應(yīng)力集中區(qū)(SCZ)。 雖然磁信號(hào)的強(qiáng)度非常微弱，但仍然可以用現(xiàn)有的先進(jìn)儀器探測(cè)到。

3 遠(yuǎn)程磁力監(jiān)測(cè)（RMM）的特點(diǎn)

作為管道檢測(cè)工具， RMM具有多方面的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢(shì)。一是遠(yuǎn)程檢測(cè)，不需要與目標(biāo)接觸，也不需要向目標(biāo)輸入能量。二是可以探測(cè)到引起局部應(yīng)力增加的根源，包括腐蝕、裂紋、焊縫未焊透、應(yīng)力腐蝕裂縫(SCC)以及地質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的扭曲和彎曲。三是遠(yuǎn)程檢測(cè)沒(méi)有管道設(shè)置的限制，不需要改變工作條件，沒(méi)有隱性成本。

為了收集數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)由掃描儀和測(cè)繪級(jí)定位系統(tǒng)組成的工具，該工具能夠?qū)τ涗浀拇艌?chǎng)和其他傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的地理坐標(biāo)標(biāo)記（圖 1）。

無(wú)論何種缺陷，估算其內(nèi)部局部應(yīng)力大小準(zhǔn)確度可達(dá)25 MPa，從而得出管壁的局部應(yīng)力分布圖。RMM還可以檢測(cè)和識(shí)別套管的起始位置和終止位置、壁厚變化、直徑變化和褶皺彎頭的位置，同樣都能達(dá)到厘米級(jí)精度。 它還可以探測(cè)在管內(nèi)卡住的內(nèi)檢測(cè)工具位置，其最特別的是利用磁性數(shù)據(jù)繪制管道線路三維圖，包括管道埋深、地形高度和準(zhǔn)確路線。

SCT成功檢測(cè)到許多缺陷類型，哈比比（Habibiet al）[3]等人對(duì)RMM進(jìn)行了更詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

3.1 腐蝕和金屬損失

金屬損失是引起管道缺陷最常見(jiàn)的問(wèn)題，是已知許多腐蝕問(wèn)題的根源(金屬損失也可能由于機(jī)械損壞或施工問(wèn)題而發(fā)生)。該案例管道于2009年檢測(cè)時(shí)，工程人員發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重缺陷并進(jìn)行了修復(fù)。 2015年再次檢測(cè)，并計(jì)劃維修壁厚損失約20% 的兩處缺陷。因缺陷位置未知，在500 m長(zhǎng)的管道上進(jìn)行了SCT檢測(cè) 。經(jīng)結(jié)果對(duì)比，第一處缺陷與SCT的報(bào)告相符，并且為應(yīng)力水平最高的缺陷，其應(yīng)力水平為材料最小屈服強(qiáng)度 (SMYS)的67% ，而內(nèi)檢測(cè)報(bào)告的壁厚損失為26% 。圖 2為2015年管道缺陷圖片。

第二處缺陷凹陷深度與前者相似，應(yīng)力估算值則低得多， SCT的應(yīng)力估值只有材料最小屈服強(qiáng)度（SMYS）的30%，完全在可接受的范圍內(nèi)。而內(nèi)檢測(cè)報(bào)告其壁厚損失為19%。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，必須修復(fù)任何壁厚損失≥20% 的管道缺陷，于是決定開(kāi)挖修復(fù)。

經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，工程人員發(fā)現(xiàn)第二處缺陷已經(jīng)在2009年通過(guò)打磨和重新涂層進(jìn)行了修復(fù)，但是維修記錄已經(jīng)丟失。 雖然缺陷壁厚損失仍為19% ，但是打磨表面減小和釋放了局部應(yīng)力，修復(fù)前后幾何形狀基本保持不變，但局部應(yīng)力減小。內(nèi)檢測(cè)基于缺陷的幾何形狀，而SCT基于直接應(yīng)力估值。通過(guò)這個(gè)例子可以看出，應(yīng)力檢測(cè)可以通過(guò)提高僅基于缺陷幾何形狀的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)節(jié)省第二次開(kāi)挖的預(yù)算。

3.2 微裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋

SCT的另一個(gè)獨(dú)特之處是能夠檢測(cè)到很淺的微裂紋，只需將裂紋打磨即可修復(fù)管道，避免發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。 案例中，兩個(gè)暴露的缺陷相距不到100 m。一個(gè)是最大長(zhǎng)度為10 mm的微裂紋，另一個(gè)是長(zhǎng)度為140 mm的縱向長(zhǎng)裂紋。 SCT顯示這兩處的應(yīng)力是材料最小屈服強(qiáng)度（SMYS）的68%，見(jiàn)圖 3和圖 4。

3.3 外部載荷

檢測(cè)管壁應(yīng)力而非幾何尺寸變化的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以檢測(cè)到給管道施加局部應(yīng)力的任何外部載荷，但 SCT無(wú)法確定應(yīng)力集中的根源。 在這種情況下，這種技術(shù)的另一種能力也變得非常有益，即SCT關(guān)于管道路線及其埋深報(bào)告數(shù)據(jù)有助于確定因地下土體運(yùn)動(dòng)引起的管道嚴(yán)重變形。 報(bào)告顯示管道埋深發(fā)生了變化，表明管道遭受了地質(zhì)滑坡的影響。 同一區(qū)域管道向上彎曲而造成應(yīng)力值較高的SCZ，表明地下土體運(yùn)動(dòng)對(duì)管道造成了結(jié)構(gòu)性破壞。 圖 5為管道橫向變形的頂視圖。

3.4 焊縫缺陷

SCT能夠檢測(cè)焊縫附近或焊縫上是否存在焊接缺陷或腐蝕。案例中， SCT檢測(cè)到一個(gè)腐蝕點(diǎn)，尺寸為 638 mm×180 mm，最大深度為壁厚的8% 。 管道壁厚沿環(huán)焊縫方向發(fā)生變化，為了管道對(duì)齊導(dǎo)致管道另一側(cè)產(chǎn)生凹陷。 圖 6顯示12點(diǎn)鐘位置的焊縫錯(cuò)位，圖 7顯示10點(diǎn)鐘位置的凹痕。圖 8所示為錯(cuò)位和凹陷導(dǎo)致涂層下進(jìn)水并引起點(diǎn)狀腐蝕。

4 遠(yuǎn)程磁力監(jiān)測(cè)（RMM）的實(shí)施

在綜合解決方案中加入RMM技術(shù)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。多年來(lái)，管道的完整性解決方案一直是以缺陷類型和尺寸為依據(jù)，而管理決策則是以既定的常規(guī)方法為依據(jù)。以測(cè)量應(yīng)力值為檢測(cè)終極目標(biāo)對(duì)大部分行業(yè)內(nèi)人士來(lái)說(shuō)很陌生。 目前國(guó)際上沒(méi)有任何公認(rèn)的基于應(yīng)力的協(xié)議，但在管道設(shè)計(jì)中決不可忽視管壁的最大允許應(yīng)力。許多公司對(duì)RMM進(jìn)行了試驗(yàn)，以評(píng)估其性能或?qū)ふ姨厥馇闆r下管道的解決辦法。

SCT已被廣大客戶使用， SCT 報(bào)告的缺陷被認(rèn)為是與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法準(zhǔn)確率相比的參考點(diǎn)，或者開(kāi)挖后的觀測(cè)點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)證明，在足夠多的數(shù)據(jù)支持下，技術(shù)探測(cè)是可行的。

針對(duì)內(nèi)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)SCT報(bào)告的25個(gè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。 如果內(nèi)檢測(cè)報(bào)告在SCZ一定范圍內(nèi)有一個(gè)缺陷，則計(jì)算為一個(gè)準(zhǔn)確檢測(cè)點(diǎn)。 SCZ的位置精度為±1 m（表 1）。

其中， SCZ的數(shù)量通常多于內(nèi)檢測(cè)的缺陷數(shù), 這是由于部分內(nèi)檢測(cè)缺陷要么在允許范圍內(nèi)，要么低于內(nèi)檢測(cè)工具可允許的最小閾值。 SCT可以報(bào)告高于管道環(huán)向應(yīng)力的任何局部應(yīng)力集中增加。內(nèi)檢測(cè)缺陷數(shù)量超過(guò)SCZ的情況主要體現(xiàn)在有多個(gè)近鄰的缺陷集中在相同區(qū)域。這種情況下，內(nèi)檢測(cè)將逐個(gè)報(bào)告，而SCT則會(huì)報(bào)告一個(gè)應(yīng)力值最大的SCZ，代表這個(gè)區(qū)域有一群間距很近的SCZ。

5 結(jié)論

監(jiān)測(cè)應(yīng)力方法與傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)。 它可以更加準(zhǔn)確的估測(cè)缺陷的嚴(yán)重程度。 這些缺陷和位置可以通過(guò)磁力計(jì)收集的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)算法分析來(lái)識(shí)別。 SCT 除了SCZ檢測(cè)、應(yīng)力估測(cè)和管道3D繪圖之外，還作為 DCVG（直流電壓梯度檢測(cè)）的補(bǔ)充工具，以及外部和內(nèi)部腐蝕直接評(píng)估(ECDA 和 ICDA)工作的附加工具，在非內(nèi)檢測(cè)管道進(jìn)行了商業(yè)應(yīng)用。 此外， SCT被用作一個(gè)篩查工具來(lái)指導(dǎo)已建立的高分辨率工具部署；指導(dǎo)挖掘小組準(zhǔn)確地找到挖掘位置；探測(cè)內(nèi)檢卡球的位置；繪制管道線路和特征，如套管和壁厚的變化；評(píng)估地質(zhì)危險(xiǎn)地區(qū)對(duì)管道潛在威脅；最后，監(jiān)測(cè)已知土壤侵蝕地區(qū)管道埋深的變化趨勢(shì)。使用RMM直接評(píng)估應(yīng)力水平就可以減少采用保守統(tǒng)計(jì)法來(lái)估測(cè)工作條件下缺陷的危險(xiǎn)程度的必要性。在沒(méi)有常規(guī)方法檢測(cè)缺陷的幾何形狀的情況下，例如，當(dāng)裂紋和腐蝕同時(shí)存在時(shí)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)就更加明顯。在管道完整性管理中，還需要進(jìn)一步制定一個(gè)國(guó)際性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便直接使用SCT 結(jié)果。 在此之前，公司可以通過(guò)測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)來(lái)制定自己的規(guī)則，或者利用SCT作為一套完整的工具來(lái)確定維護(hù)的優(yōu)先級(jí)別，或者維護(hù)預(yù)算的有效性。

注釋：

[1] Villari,E.Ann. Phys.Lpz.126， 87. (1865)

[2] Staples, S. G. H. et al.“Solving the Inverse Problemof Magnetisation-Stress Resolution” , Journal ofApplied Physics, 113, 133905 (2013)

[3] Habibi, H. et al.“Field Verification of RemoteMagnetic Monitoring of Stress for Buried UnpiggablePipelines” , Unpiggable Pipeline Solutions Forum,Houston, USA. (2017)

作者：Hamed Habibi，理科碩士， Speir Hunter Ltd技術(shù)總監(jiān)。

Speir Hunter Ltd成立于2011年，致力于研究和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的埋地管道外檢測(cè)技術(shù)，旨在解決管道本體高風(fēng)險(xiǎn)段的檢出，提高工程師在管理管道資產(chǎn)狀況時(shí)可獲得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。公司與英國(guó)利茲大學(xué)合作，對(duì)應(yīng)力磁化現(xiàn)象進(jìn)行研究，并共同創(chuàng)建了一種原創(chuàng)的 新型遠(yuǎn)程檢測(cè)技術(shù)，稱為應(yīng)力集中斷層掃描技術(shù)（簡(jiǎn)稱SCT），能夠在地面，非開(kāi)挖直接檢出和評(píng)估管道本體高應(yīng)力位置，實(shí)現(xiàn)了從硬件、軟件系列化和商業(yè)化運(yùn)行。不僅得到了英國(guó)國(guó)家燃?xì)夤芫W(wǎng)公司的資助，而且在實(shí)踐應(yīng)用中不斷得到提升，特別是在一個(gè)為期兩年的項(xiàng)目中，為客戶專門(mén)研究包括覆蓋深度和環(huán)焊縫的位置檢測(cè)等內(nèi)容，在壁厚變化和直徑變化等管道特種檢測(cè)方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)的由無(wú)人機(jī)攜帶的傳感硬件，減少了數(shù)據(jù)收集時(shí)間，提升了智能化檢測(cè)水平。目前Speir Hunter Ltd公司正在與蘇格蘭政府合作開(kāi)發(fā)一種可以檢測(cè)工廠和煉油廠管道系統(tǒng)的技術(shù)。 該方法基于應(yīng)力磁化強(qiáng)度，并且可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)評(píng)估地下絕緣層下的腐蝕（簡(jiǎn)稱CUI）。 Speir Hunter Ltd公司及其開(kāi)發(fā)的技術(shù)的獨(dú)創(chuàng)性均已獲得英國(guó)政府的正式認(rèn)可，公司也因此被議會(huì)審查機(jī)構(gòu)授予為最佳實(shí)踐代表。公司在法國(guó)，美國(guó)，中東，德國(guó)，加拿大，南非，荷蘭，巴西，阿根廷，比利時(shí)，澳大利亞及中國(guó)等都開(kāi)展了檢測(cè)項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)了管體隱患，得到了業(yè)主的認(rèn)可。