中國(guó)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(xiàng)目（JIP）將軸向應(yīng)變傳感器（StressProbe）集成在ILI工具上。該TSC StressProbe新型在線(xiàn)應(yīng)變檢測(cè)器屬于電磁非接觸式應(yīng)變測(cè)量工具，利用電磁技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加載時(shí)其電磁特性發(fā)生變化為原理，通過(guò)監(jiān)測(cè)磁特性的變化測(cè)量管道軸向應(yīng)變。目前，許多應(yīng)力/應(yīng)變檢測(cè)方法，只能夠確定從安裝之日起的應(yīng)變變化，而該檢測(cè)器可檢測(cè)管道的實(shí)際總應(yīng)變。本期介紹該檢測(cè)器實(shí)施檢測(cè)的可行性，并討論案例研究的初步結(jié)果。

許多管道系統(tǒng)穿過(guò)山體滑坡和/或沉降區(qū)域。其中要么在原始管道布線(xiàn)期間未被識(shí)別，要么在管道建設(shè)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(rèn)用于識(shí)別表征和監(jiān)測(cè)這些危害。鑒于對(duì)管道運(yùn)行的潛在影響，管道/巖土工具可以直接測(cè)量由于土壤/結(jié)構(gòu)相互作用而對(duì)管道施加的應(yīng)力/應(yīng)變。

目前由于滑坡和/或沉降導(dǎo)致的管道變形的在線(xiàn)檢測(cè)（ILI）方法僅限于基于測(cè)量管道中的彎曲應(yīng)變。即以慣性工具測(cè)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(yīng)變計(jì)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(yīng)變，然后連續(xù)運(yùn)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(jì)算由于在管道上加載而產(chǎn)生的軸向應(yīng)變。這種軸向載荷通常是彎曲載荷的前置，因此檢測(cè)管道中的軸向應(yīng)變 是至關(guān)重要的。

1 測(cè)量技術(shù)理論

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

使用磁現(xiàn)象在應(yīng)力測(cè)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(yùn)動(dòng)，這些材料受到磁性變化的影響。后者基于磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)的測(cè)量。它利用反磁致伸縮效應(yīng)，即磁疇行為取決于所施加的磁場(chǎng)的強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度。根據(jù)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。基于ACSM技術(shù)的StressProbe使用低場(chǎng)級(jí)I，這是磁化疇壁移動(dòng)并有助于磁化的區(qū)域。圖 3顯示了由于施加應(yīng)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(dǎo)率。

StressProbe系統(tǒng)使用感應(yīng)線(xiàn)圈磁化感興趣區(qū)域和小感應(yīng)線(xiàn)圈，以測(cè)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(cè)量的應(yīng)變是由于鐵材料中的趨膚效應(yīng)而在薄表面層中的應(yīng)變，實(shí)質(zhì)上是2 d應(yīng)變分布。 Zhou和Dover建立了數(shù)學(xué)模型，以提供涉及應(yīng)力/應(yīng)變對(duì)滲透率影響的電磁感應(yīng)的解析解。 Han， Brennan和Dover[5]開(kāi)發(fā)了使用正交場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)StressProbe模型的使用。

傳感器在管道表面存在的情況下測(cè)量線(xiàn)圈中的感應(yīng)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(jié)構(gòu)，晶粒取向，晶界，位錯(cuò)密度等的影響，而這些又受應(yīng)力/應(yīng)變的影響。

在IPC2008中，在實(shí)驗(yàn)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(cè)量工具重復(fù)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)以確定彎曲應(yīng)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(shí)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(xù)巖土工程檢查觀(guān)察到了斜坡下部（水偏轉(zhuǎn)護(hù)堤下方）土壤運(yùn)動(dòng)的跡象。

該斜坡計(jì)劃于2011年8月進(jìn)行減緩（管道應(yīng)變消除和斜坡穩(wěn)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(cè)高分辨率慣性測(cè)量工具。該工具還結(jié)合了StressProbe技術(shù)更好地了解影響管道的土壤運(yùn)動(dòng)的軸向應(yīng)變分量。檢查的初始結(jié)果未發(fā)現(xiàn)上述目標(biāo) 區(qū)域中的任何顯著的軸向應(yīng)變變化。這可能是因?yàn)楣艿啦粫?huì)受到大的軸向應(yīng)變變化和/或管道經(jīng)受彎曲和軸向應(yīng)變的綜合影響。軸向應(yīng)變由4個(gè)傳感器的平均值計(jì)算，這些傳感器將消除由于彎曲的存在而引起的縱向應(yīng)變變化的影響。

斜坡緩解工作于2011年8月完成。在斜坡修復(fù)過(guò)程中，露出五個(gè)鐘孔，對(duì)管道中心線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，并安裝配備太陽(yáng)能遙測(cè)的振弦式應(yīng)變儀進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。應(yīng)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(fù)過(guò)程中測(cè)量并記錄管道中心線(xiàn)和應(yīng)變的變化。應(yīng)變儀仍然受到監(jiān)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(yīng)變傳感器的在線(xiàn)檢測(cè)高分辨率慣性測(cè)量工具在該管道段上第二次運(yùn)行。檢查結(jié)果確定了軸向應(yīng)變的變化區(qū)域。確定的區(qū)域?qū)��?yīng)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(qū)域所示。第一次或第二次檢查中，數(shù)據(jù)分析人員不知道應(yīng)變消除的確切位置。該變化區(qū)域?qū)��?yīng)于應(yīng)變消除區(qū)域。

在對(duì)來(lái)自ILI工具的數(shù)據(jù)進(jìn)行盲分析之后，從安裝的應(yīng)變儀收集的數(shù)據(jù)與ILI服務(wù)提供商共享，以更詳細(xì)地分析應(yīng)變消除區(qū)域。兩個(gè)數(shù)據(jù)集的比較結(jié)果匯總?cè)鐖D 6所示。

使用兩種應(yīng)變測(cè)量技術(shù)計(jì)算軸向應(yīng)變差異的結(jié)果顯示了在該位置處軸向應(yīng)變變化的測(cè)量中的潛在相關(guān)性。這些初步結(jié)果雖然有利，但應(yīng)謹(jǐn)慎使用，因?yàn)閼?yīng)變儀結(jié)果與ILI工具數(shù)據(jù)之間的直接比較并不嚴(yán)格正確，因?yàn)檫@兩種技術(shù)測(cè)量管道中應(yīng)變分布的不同方面。此外，當(dāng)管道完全掩埋時(shí)，總是進(jìn)行ILIStressProbe測(cè)量。應(yīng)變儀測(cè)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(yīng)變測(cè)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(wěn)定性監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，河坡的南緣被認(rèn)為是潛在的斜坡運(yùn)動(dòng)區(qū)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(yīng)變儀。 4個(gè)振弦式軸向應(yīng)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(yīng)變儀。

在管道運(yùn)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(wěn)定性。需要進(jìn)行補(bǔ)救措施以減少應(yīng)變量。通過(guò)應(yīng)變儀評(píng)估斜坡不穩(wěn)定性是一種反應(yīng)性方法，隨著時(shí)間的推移，儀表的失效可能導(dǎo)致管道應(yīng)變信息的可靠性降低。

在使用ILI工具執(zhí)行例行檢查時(shí)，人們認(rèn)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(yīng)變區(qū)域。這兩條管線(xiàn)均在2011年使用TSC StressProbe檢測(cè)器進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。

當(dāng)操作員收到供應(yīng)商報(bào)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(yīng)變儀數(shù)據(jù)與 StressProbe讀數(shù)之間是否存在關(guān)聯(lián)。目的是確定StressProbe和應(yīng)變儀數(shù)據(jù)之間的一致趨勢(shì)。使用不同的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)嘗試和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。值得注意的是，檢測(cè)工具上傳感器的未知方向?qū)е耂tressProbe數(shù)據(jù)與儀表數(shù)據(jù)之間沒(méi)有明顯的關(guān)系。其他統(tǒng)計(jì)方法包括使用“平滑的” StressProbe數(shù)據(jù)，去除異常值以及StressProbe數(shù)據(jù)到儀表方向的分辨率，顯示出對(duì)相關(guān)性的有限改進(jìn)。

盡管有上述評(píng)論，但重要的是要注意應(yīng)變儀數(shù)據(jù)和StressProbe數(shù)據(jù)之間的基本差異。應(yīng)變儀僅在儀表歸零后才響應(yīng)事件，因此不會(huì)出現(xiàn)總應(yīng)變。另一方面， StressProbe響應(yīng)檢查時(shí)的總應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變儀具有幾乎直接的應(yīng)變值; StressProbe需要校準(zhǔn)程序和分析。 遺憾的是，關(guān)于這個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還不可能進(jìn)行全面的StressProbe校準(zhǔn)程序。這項(xiàng)工作還強(qiáng)調(diào)了與位于管道部分的所有33個(gè)儀表產(chǎn)生可靠的應(yīng)變儀數(shù)據(jù)相關(guān)的困難，以及如何與StressProbe數(shù)據(jù)正確關(guān)聯(lián)。

經(jīng)與ILI供應(yīng)商和StressProbe供應(yīng)商面談，人們普遍認(rèn)為有些領(lǐng)域可以進(jìn)行改進(jìn)，例如軟件升級(jí)以指示傳感器方向，在檢測(cè)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(xiàn)應(yīng)變儀和StressProbe數(shù)據(jù)之間的比較。

4 案例 3

在線(xiàn)應(yīng)力檢測(cè)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(zhǎng)度： 3 500米。

（2）典型的覆蓋深度： 1.4～5.0米。

（3）運(yùn)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(jiān)測(cè)期間的年度運(yùn)動(dòng)速度：10～70毫米/年，具體取決于載玻片的位置，但通常靠近載玻片的中心增加。

（5）管道安裝后預(yù)計(jì)的最大總橫向移動(dòng)：3～4米。

（6）管道監(jiān)控：①20應(yīng)變儀安裝，每個(gè)位置有3個(gè)儀表， 3個(gè)光纖應(yīng)變儀。 ②2003、 2007、 2010和2012年慣性工具數(shù)據(jù)。

ILI StressProbe第一次運(yùn)行于2010年11月。由于傳感器抬起或記錄錯(cuò)誤導(dǎo)致重大數(shù)據(jù)丟失，工具運(yùn)行結(jié)果值得懷疑。第二次運(yùn)行于2012年7月，傳感器報(bào)告升空或數(shù)據(jù)采集無(wú)誤。

軸向應(yīng)變工具的結(jié)果如圖 7所示。

圖 7顯示了StressProbe工具數(shù)據(jù)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(cè)類(lèi)似的穩(wěn)定地形和下游端的一個(gè)陡峭的穩(wěn)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(qū)域內(nèi)，應(yīng)變的異常區(qū)域是明顯的。異常區(qū)域包括超過(guò)看似正常的操作拉伸和壓縮應(yīng)變的區(qū)域。

圖 7中的數(shù)據(jù)至少表明， StressProbe數(shù)據(jù)的分析可以用作識(shí)別滑坡導(dǎo)致的土壤/結(jié)構(gòu)相互作用區(qū)域的工具。仍在進(jìn)行工作以確定StressProbe數(shù)據(jù)是否可以與應(yīng)變儀數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。運(yùn)營(yíng)商對(duì)未來(lái)改進(jìn)的評(píng)論與案例研究2中提出的建議相似。

關(guān)于數(shù)據(jù)審查的另外兩個(gè)說(shuō)明如下。

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

（2）對(duì)滑動(dòng)區(qū)南側(cè)區(qū)域未破壞數(shù)據(jù)的審查清楚地表明，由于2011年大約300米長(zhǎng)重涂，在滑道之間發(fā)生了顯著的應(yīng)力消除。

5 總結(jié)

北美聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目（JIP）結(jié)果表明，軸向應(yīng)變測(cè)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(cè)。應(yīng)變測(cè)量工具的結(jié)果突出了以下內(nèi)容。

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

（2）StressProbe數(shù)據(jù)的分析是在“盲試”的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。檢測(cè)數(shù)據(jù)分析師能夠正確識(shí)別發(fā)生巖土事件的位置。

（3）該技術(shù)具有測(cè)量管道中軸向應(yīng)變的潛力，并且嘗試將ILI軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)與使用應(yīng)變儀測(cè)量的管道應(yīng)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(qū)別。因此，正在開(kāi)發(fā)的全面StressProbe檢測(cè)評(píng)價(jià)程序旨在提供用戶(hù)更直接的結(jié)果與方法，將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。