山地管道安全状态识别与监测技术应用研究

陈 哲

（中石油昆仑燃气有限公司福建分公司，福建 福州 350000）

0 引言

山地油气管道存在地质变化复杂与人员活动活跃两大风险[1]。在剧烈变化的地质条件与活跃的人员活动的双重风险叠加条件下，管道的整体应力水平极易超出管道的极限承载能力，导致管道变形、断裂失效，引发严重的事故后果，造成人员伤亡、构筑物损坏以及其他财产损失，使得山地管道在安全运营方面面临着难度和挑战。因此，亟需对山地管道安全状态进行识别与监测，保障国家生命线管道工程运营安全。

在管道安全状态识别方面，非接触式磁应力检测技术能够有效检测出埋地管道的应力集中区域，具有良好的应用前景。廖柯熹等介绍了非接触式磁应力检测（NMD）相关技术机理、规范与现场应用等方面的研究进展[2]，并将NMD技术运用到了滑坡管段应力集中检测中，取得了良好的应用效果[3]。在管道安全状态监测方面，已有众多学者针对山区管道应变监测展开了研究。许滨华等[4]开展了基于分布式光纤传感技术的管道受弯变形监测试验研究，提出了一种分布式光纤监测管道受弯变形计算方法。张银辉等[5]设计了一种基于云服务平台的远程实时监测系统对管道安全状态进行远程实时评估。

基于此，本文提出一种山地管道安全状态识别与监测方法，首先通过非接触式磁应力检测技术确定应力集中管段，然后定义磁异常综合指数F值评估出高应力风险管段，并安装应力应变在线监测与预警系统，实时掌握其安全状态。该方法在某天然气管道500m山地段开展了现场试验，取得了良好的应用效果。

1 山地管道安全状态识别技术

1.1 非接触式磁应力检测原理

如图1所示，铁磁管道在地磁场和荷载的作用下发生磁化，从而在管道上方产生叠加于地磁场之上的自漏磁场（SMFL）。当管道产生由腐蚀、第三方破坏导致的金属损失、机械损伤或由地面运动引起的屈曲等时，会出现局部应力集中，而应力集中区域导致铁磁管道内部磁畴组织不可逆的重新取向，从而引起自漏磁场（SMFL）的突变，其在背景磁场中表现为磁异常（即引起地面磁场产生波动）。非接触式磁应力检测（NMD）技术可以通过识别这些磁异常来确定管道缺陷的精确位置。与漏磁检测（MFL）相同的是，NMD通过检测管道磁场变化来评估管道状态。与MFL的不同在于，NMD不需要磁化管道，也不需要通过计算管壁减薄来估算管道的局部应力水平，而是通过磁场数据直接计算管道的应力状态。

非接触式管道磁应力检测（NMD）技术较传统的无损检测技术而言，具有众多的技术优势，主要体现在：

（1）非接触式检测

NMD技术可以在地面非开挖条件下对管道实现远程检测，最大检测距离可达20D（D为管道外径，mm），克服了传统无损检测技术必须与管道接触的缺点，也不需要对检测表面进行提前处理。极大地提高了检测效率，减少了施工成本；

（2）全面的缺陷检测

大多数缺陷均可能导致管壁局部应力的增加，NMD技术通过分析远程采集的管道磁场数据，可以直接检测管壁的局部应力变化，这说明针对任何产生在管道中不论时钟方位，内部或外部，纵向或横向的缺陷类型，NMD技术都能够对其进行检测并将结果精确至亚米级，克服了传统无损检测技术只能检测特定类型缺陷的问题，极大地节省了繁琐检测带来的高昂费用，目前，可检测到的缺陷类型有：①内部或外部腐蚀；②焊缝缺陷或者焊缝附近的缺陷；③线性缺陷包括裂纹，微裂缝；④凹陷和机械划痕；⑤地质灾害区域地面运动导致的管道变形或位移；⑥盗取管道介质的非法热帽；

（3）不受管道工况的限制

NMD是一种100%非侵入式的管道外检测技术，不受管道内径、形状、输送介质压力、温度和流速等的影响，只要管道由铁磁材料构成，就可能适用NMD检测。在检测的前期、中期或者后期无需调整管道运行参数，在检测期间运营单位可以保持正常管道输送。

1.2 检测设备

采用Grad-03-500L三轴磁通门梯度仪用于测试山地管道的磁场数据。梯度仪由三部分组成：第一部分为远程磁力计，磁通门探头设置在磁力计两端，探头之间的距离为0.5m。第二部分为数据采集单元，实时采集管道沿线的磁场数据，同时也具有无线传输功能，可以将实时测试数据传递到远端电脑。第三部分为电源，为设备提供可靠稳定的输出电流。在检测过程中，操作员手持磁力计沿管道轴线检测，实时记录管道磁场。测量数据为测量点的磁感应强度三分量沿垂直于管道轴向的梯度以及磁场梯度模量GM。

1.3 磁异常评估方法

根据磁异常综合指数F值来评估管道的应力集中程度，从而确定山地管道的安全状态，F值按式（1）计算：

式中，A是指修正系数；GM是指被测管道的磁场梯度模量，nT/m；Ga是指被测管道全线磁场梯度模量的平均值，nT/m。

管道应力等级分为三个等级：Ⅰ级为高应力风险，Ⅱ级为中等应力风险，Ⅲ级为低应力风险，磁异常综合指数F值范围与对应的应力等级如表1所示。

表1 管道缺陷等级划分

2 山地管道安全状态监测技术

2.1 安全状态在线监测系统

采用应力应变监测方法对山地管道进行安全状态在线监测与报警。山地管道安全状态在线监测系统主要由前端传感器、数据采集与远程传输模块、供电系统组成，如图2所示。

（1）前端传感器：管道应变测量采用THY120-5AA（15%）-X30应变计，在监测管段4个时钟方位布置应变计，每个时钟方位安装2组应变计，一备一用，保障能够长期稳定采集管道应变值；

（2）数据采集及远程传输模块：数据采集仪能够实现多通道同步高频率采集，采样频率为200Hz。采集得到的管道应变数据通过通讯扩展线缆传输至数据采集仪后，基于4G网络技术，将实时采集数据传输至远程控制中心；

（3）山地管道供电系统：考虑到山地管道处于野外环境，难以为现场监测设备提供稳定的220V电源，因此采用风光互补系统为监测设备进行供电。风光互补系统主要由太阳能板、风力发电机以及蓄电池构成，能够保障通讯模块的数据实时传输。

2.2 远程监测云平台

远程监测云平台基于B/S构架，数据库采用SQL Server数据管理系统，集数据采集分析、图形显示、远程控制及数据管理于一体，实时显示管道应变监测内容，如图3所示。可以对管道安全状态进行24小时不间断监控，利用计算机的存储空间记录管道的多维状态参数（包括振动、应力、应变、温度、压力等信息），在管道达到极限承载能力之前，能够及时报警，并为了解管道结构健康状态和分析故障原因提供可靠的数据支持。

3 现场应用

3.1 管道概况

选取某天然气管道500m山地管段开展安全状态识别与监测应用。目标管段的基础参数如表2所示。管道规格为Φ1016×18.2mm，材质为X80钢，外防腐层为3PE，设计压力为10MPa。

表2 管线概况

3.2 管道安全状态识别结果

采用非接触式磁力检测系统对500m管段进行检测，检测到的最大磁场异常幅度为4576nT。如图4所示，设定应力集中的判断阈值为3000nT/m，共发现3处磁异常管段的磁场梯度模量大于该阈值，主要集中在200～400m范围内，目标管道全线的磁场梯度模量平均值为776nT/m，远远小于磁异常管段对应数值。

根据磁异常评估方法，3处磁异常管段的F值分别为0.55，0.59和0.61，磁异常管段的相关基本信息如表3所示。可以发现，1#磁异常管段的F值相对较小，说明该管段的应力风险程度较高，因此选取1#磁异常管段进行安全状态在线监测。

表3 磁异常管段基本信息

3.3 管道安全状态监测结果

管道应变的单位为με，根据X80钢的弹性模量为2.10×105MPa，可以计算得到应力变化值，管道应变每增加1με，管道表面应力值增加0.21MPa。

式中，Δσ为应力变化值，MPa；E为管道材质弹性模量，MPa；ε为管道应变。

由于监测管段所在地区6～9月份为强降雨气候，选取该时段监测数据进一步分析。管道4个时钟方位的应变值如图5所示，可以发现，由于强降雨气候引起管道周围土壤滑移，对管道造成较大的外部荷载，使得管道监测截面各方位应变值均不断增加。其中，3点钟和12点钟方位的应变值明显大于另外两个时钟方位，可以判断滑坡体主要作用在管道侧向。根据式（8），计算得到各个时钟方位的管道应力变化值，如表4所示。在6天时间内，管道最大应力变化值达到148.6MPa，相对X80钢的屈服强度变化了27%，进一步说明该管段的外部荷载条件发生了显著改变，因此，需要立即采取维修维护措施，防止滑坡体继续发育，造成管道断裂失效。首先利用超声测厚，X射线探伤仪等对监测管段进行接触式检测，并且在条件允许的情况下，在管道侧向构筑挡土墙，并安装B型环氧套筒，有效保障高应力风险管段的运营安全。

表4 监测管段应力变化值

4 结语

本文利用非接触式磁应力检测技术识别出了3处应力集中管段，对应的磁异常综合指数F值范围为0.55～0.61。选取1处应力高风险管段进行安全状态在线监测，在6天时间内管道应力最大增量为148.6MPa，相对管道材质屈服强度变化了26.7%，因此建议采用超声测厚，X射线探伤等无损检测技术对监测管段开展进一步接触式检测，在检测合格后，安装B型环氧套筒。