碳鋼管道異常應力的遠程磁力監測、定位與測量研究
來(lái)源:《管道保護》雜志 作者:Hamed HabibiSpeir 時(shí)間:2020-3-20 閱讀:
Hamed HabibiSpeir
Hunter Limted
摘要:傳統的管道完整性保護方案是量化管壁缺陷的幾何形狀,依賴(lài)于對缺陷類(lèi)別(裂紋,或腐蝕)及其大小(壁厚損失)的識別。 然而,完整性決策主要考慮的是潛在的應力數值。 缺陷幾何形狀一般用于推斷管道應力值。一旦這個(gè)應力值達到管道材料的最大強度,就會(huì )引起管道的塑性變形和破裂。大型遠距離磁測技術(shù)(LSM)是一種新型的遠距離磁力監測(RMM)技術(shù),通過(guò)分析管道磁測數據,可直接測量管壁的應力值。以應力集中斷層掃描(SCT)為例,說(shuō)明LSM的基本原理,根據現場(chǎng)收集到的數據總結SCT的有效性,提出了驗證數據。
關(guān)鍵詞:RMM; LSM; SCT; SCZ;局部應力;應力監測;條件評估;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,因為幾乎所有傳統的檢測方法都只能測量缺陷的大小,且針對每個(gè)缺陷類(lèi)別開(kāi)發(fā)了不同的技術(shù)。然而,導致管道完整性出現問(wèn)題的原因是管壁的應力達到了管道材料的最大強度,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)行了大量的試驗和研究,以考慮缺陷的大小、類(lèi)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(lèi)型的缺陷,也仍然如此。碳鋼管道的遠程磁力監測(RMM)是一種直接評定管道完整性的創(chuàng )新方法,無(wú)需考慮管道缺陷類(lèi)型和管道工作條件等因素。 這種檢測方法被稱(chēng)為大型遠距離磁測技術(shù)(LSM)。本文詳細介紹了該技術(shù)的原理和最新發(fā)展,并列舉了應力集中斷層掃描(SCT)技術(shù)的應用實(shí)例。
2 研究背景
維拉里(villari)[1]演示了一根鋼棒上的拉伸應力會(huì )改變鋼棒周?chē)拇艌?chǎng),這種現象被稱(chēng)為逆磁致伸縮效應,或者維拉里效應。過(guò)去幾十年,人們研究了鋼棒近距離范圍內的逆磁致伸縮。史泰博等人(Staples et al.)[2]以鋼管截面為重點(diǎn),發(fā)現了鋼結構件在局部腐蝕、冶金和機械應力下產(chǎn)生的應力和磁場(chǎng)的關(guān)系,精確測量了鋼筋的近、遠區磁場(chǎng),建立了一維應力與磁場(chǎng)變化關(guān)系的數學(xué)模型。 這是研究遠距逆磁致伸縮逆效應的第一次嘗試。隨后對該模型進(jìn)行了三維應力擴展,并在一個(gè)末端加蓋的管道的單個(gè)截面上進(jìn)行了驗證。雖然模型驗證取得成功,但是對這種現象的解釋仍然是假設。 當一個(gè)鐵磁管段在軋機中制造出來(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)結構不會(huì )改變。一是廣為人知的、可以旋轉的外部磁感應強 度。二是微觀(guān)的機械變形會(huì )改變磁極的方向[2]。
管道運行壓力會(huì )沿著(zhù)管道的縱向、環(huán)向和軸向產(chǎn)生均勻應力,形成了基準磁場(chǎng),其可以在遠離管道處進(jìn)行測量。管道缺陷如腐蝕、裂紋、凹痕等,以及地質(zhì)運動(dòng)等產(chǎn)生的外力,都會(huì )導致管道局部應力加大。局部應力增加的磁響應將改變磁極的原始方向,從而擾亂基準磁場(chǎng)。局部應力也稱(chēng)磁特征(MS) ,或應力集中區(SCZ)。 雖然磁信號的強度非常微弱,但仍然可以用現有的先進(jìn)儀器探測到。
3 遠程磁力監測(RMM)的特點(diǎn)
作為管道檢測工具, RMM具有多方面的技術(shù)和商業(yè)優(yōu)勢。一是遠程檢測,不需要與目標接觸,也不需要向目標輸入能量。二是可以探測到引起局部應力增加的根源,包括腐蝕、裂紋、焊縫未焊透、應力腐蝕裂縫(SCC)以及地質(zhì)運動(dòng)引起的扭曲和彎曲。三是遠程檢測沒(méi)有管道設置的限制,不需要改變工作條件,沒(méi)有隱性成本。
為了收集數據,設計了一個(gè)由掃描儀和測繪級定位系統組成的工具,該工具能夠對記錄的磁場(chǎng)和其他傳感器數據進(jìn)行精確的地理坐標標記(圖 1)。
無(wú)論何種缺陷,估算其內部局部應力大小準確度可達25 MPa,從而得出管壁的局部應力分布圖。RMM還可以檢測和識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,同樣都能達到厘米級精度。 它還可以探測在管內卡住的內檢測工具位置,其最特別的是利用磁性數據繪制管道線(xiàn)路三維圖,包括管道埋深、地形高度和準確路線(xiàn)。
SCT成功檢測到許多缺陷類(lèi)型,哈比比(Habibiet al)[3]等人對RMM進(jìn)行了更詳細的現場(chǎng)驗證。
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械損壞或施工問(wèn)題而發(fā)生)。該案例管道于2009年檢測時(shí),工程人員發(fā)現了嚴重缺陷并進(jìn)行了修復。 2015年再次檢測,并計劃維修壁厚損失約20% 的兩處缺陷。因缺陷位置未知,在500 m長(cháng)的管道上進(jìn)行了SCT檢測 。經(jīng)結果對比,第一處缺陷與SCT的報告相符,并且為應力水平最高的缺陷,其應力水平為材料最小屈服強度 (SMYS)的67% ,而內檢測報告的壁厚損失為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,應力估算值則低得多, SCT的應力估值只有材料最小屈服強度(SMYS)的30%,完全在可接受的范圍內。而內檢測報告其壁厚損失為19%。依據相關(guān)標準,必須修復任何壁厚損失≥20% 的管道缺陷,于是決定開(kāi)挖修復。
經(jīng)過(guò)開(kāi)挖驗證,工程人員發(fā)現第二處缺陷已經(jīng)在2009年通過(guò)打磨和重新涂層進(jìn)行了修復,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力,修復前后幾何形狀基本保持不變,但局部應力減小。內檢測基于缺陷的幾何形狀,而SCT基于直接應力估值。通過(guò)這個(gè)例子可以看出,應力檢測可以通過(guò)提高僅基于缺陷幾何形狀的傳統標準來(lái)節省第二次開(kāi)挖的預算。
3.2 微裂紋和應力腐蝕裂紋
SCT的另一個(gè)獨特之處是能夠檢測到很淺的微裂紋,只需將裂紋打磨即可修復管道,避免發(fā)生嚴重損壞。 案例中,兩個(gè)暴露的缺陷相距不到100 m。一個(gè)是最大長(cháng)度為10 mm的微裂紋,另一個(gè)是長(cháng)度為140 mm的縱向長(cháng)裂紋。 SCT顯示這兩處的應力是材料最小屈服強度(SMYS)的68%,見(jiàn)圖 3和圖 4。
3.3 外部載荷
檢測管壁應力而非幾何尺寸變化的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以檢測到給管道施加局部應力的任何外部載荷,但 SCT無(wú)法確定應力集中的根源。 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(xiàn)及其埋深報告數據有助于確定因地下土體運動(dòng)引起的管道嚴重變形。 報告顯示管道埋深發(fā)生了變化,表明管道遭受了地質(zhì)滑坡的影響。 同一區域管道向上彎曲而造成應力值較高的SCZ,表明地下土體運動(dòng)對管道造成了結構性破壞。 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,為了管道對齊導致管道另一側產(chǎn)生凹陷。 圖 6顯示12點(diǎn)鐘位置的焊縫錯位,圖 7顯示10點(diǎn)鐘位置的凹痕。圖 8所示為錯位和凹陷導致涂層下進(jìn)水并引起點(diǎn)狀腐蝕。
4 遠程磁力監測(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(lèi)型和尺寸為依據,而管理決策則是以既定的常規方法為依據。以測量應力值為檢測終極目標對大部分行業(yè)內人士來(lái)說(shuō)很陌生。 目前國際上沒(méi)有任何公認的基于應力的協(xié)議,但在管道設計中決不可忽視管壁的最大允許應力。許多公司對RMM進(jìn)行了試驗,以評估其性能或尋找特殊情況下管道的解決辦法。
SCT已被廣大客戶(hù)使用, SCT 報告的缺陷被認為是與傳統的檢測方法準確率相比的參考點(diǎn),或者開(kāi)挖后的觀(guān)測點(diǎn)。這些數據證明,在足夠多的數據支持下,技術(shù)探測是可行的。
針對內檢測結果,對SCT報告的25個(gè)結果進(jìn)行了對比研究。 如果內檢測報告在SCZ一定范圍內有一個(gè)缺陷,則計算為一個(gè)準確檢測點(diǎn)。 SCZ的位置精度為±1 m(表 1)。
其中, SCZ的數量通常多于內檢測的缺陷數, 這是由于部分內檢測缺陷要么在允許范圍內,要么低于內檢測工具可允許的最小閾值。 SCT可以報告高于管道環(huán)向應力的任何局部應力集中增加。內檢測缺陷數量超過(guò)SCZ的情況主要體現在有多個(gè)近鄰的缺陷集中在相同區域。這種情況下,內檢測將逐個(gè)報告,而SCT則會(huì )報告一個(gè)應力值最大的SCZ,代表這個(gè)區域有一群間距很近的SCZ。
5 結論
監測應力方法與傳統的缺陷檢測方法相比有許多優(yōu)點(diǎn)。 它可以更加準確的估測缺陷的嚴重程度。 這些缺陷和位置可以通過(guò)磁力計收集的磁場(chǎng)數據的自動(dòng)算法分析來(lái)識別。 SCT 除了SCZ檢測、應力估測和管道3D繪圖之外,還作為 DCVG(直流電壓梯度檢測)的補充工具,以及外部和內部腐蝕直接評估(ECDA 和 ICDA)工作的附加工具,在非內檢測管道進(jìn)行了商業(yè)應用。 此外, SCT被用作一個(gè)篩查工具來(lái)指導已建立的高分辨率工具部署;指導挖掘小組準確地找到挖掘位置;探測內檢卡球的位置;繪制管道線(xiàn)路和特征,如套管和壁厚的變化;評估地質(zhì)危險地區對管道潛在威脅;最后,監測已知土壤侵蝕地區管道埋深的變化趨勢。使用RMM直接評估應力水平就可以減少采用保守統計法來(lái)估測工作條件下缺陷的危險程度的必要性。在沒(méi)有常規方法檢測缺陷的幾何形狀的情況下,例如,當裂紋和腐蝕同時(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)國際性的行業(yè)標準,以便直接使用SCT 結果。 在此之前,公司可以通過(guò)測試這項技術(shù)來(lái)制定自己的規則,或者利用SCT作為一套完整的工具來(lái)確定維護的優(yōu)先級別,或者維護預算的有效性。
注釋?zhuān)?/span>
[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。
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技術(shù),旨在解決管道本體高風(fēng)險段的檢出,提高工程師在管理管道資產(chǎn)狀況時(shí)可獲得的數據的準確性。公司與英國利茲大學(xué)合作,對應力磁化現象進(jìn)行研究,并共同創(chuàng )建了一種原創(chuàng )的 新型遠程檢測技術(shù),稱(chēng)為應力集中斷層掃描技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)SCT),能夠在地面,非開(kāi)挖直接檢出和評估管道本體高應力位置,實(shí)現了從硬件、軟件系列化和商業(yè)化運行。不僅得到了英國國家燃氣管網(wǎng)公司的資助,而且在實(shí)踐應用中不斷得到提升,特別是在一個(gè)為期兩年的項目中,為客戶(hù)專(zhuān)門(mén)研究包括覆蓋深度和環(huán)焊縫的位置檢測等內容,在壁厚變化和直徑變化等管道特種檢測方面已經(jīng)實(shí)現。開(kāi)發(fā)的由無(wú)人機攜帶的傳感硬件,減少了數據收集時(shí)間,提升了智能化檢測水平。目前Speir Hunter Ltd公司正在與蘇格蘭政府合作開(kāi)發(fā)一種可以檢測工廠(chǎng)和煉油廠(chǎng)管道系統的技術(shù)。 該方法基于應力磁化強度,并且可以遠程實(shí)時(shí)評估地下絕緣層下的腐蝕(簡(jiǎn)稱(chēng)CUI)。 Speir Hunter Ltd公司及其開(kāi)發(fā)的技術(shù)的獨創(chuàng )性均已獲得英國政府的正式認可,公司也因此被議會(huì )審查機構授予為最佳實(shí)踐代表。公司在法國,美國,中東,德國,加拿大,南非,荷蘭,巴西,阿根廷,比利時(shí),澳大利亞及中國等都開(kāi)展了檢測項目,發(fā)現了管體隱患,得到了業(yè)主的認可。
上篇:
下篇: