管道中心線應(yīng)變檢測系統(tǒng)的改進與應(yīng)用

張 琳 趙曉利 李 博 戴聯(lián)雙 張新宇 王學文 靳元章 張家琿 何 飛

(中國石油管道公司 a. 沈陽龍昌管道檢測中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽輸油氣分公司；d. 濟南輸油分公司)

管道中心線應(yīng)變檢測系統(tǒng)的改進與應(yīng)用

張 琳a趙曉利a李 博a戴聯(lián)雙b張新宇a王學文c靳元章a張家琿a何 飛d

(中國石油管道公司 a. 沈陽龍昌管道檢測中心；b. 完整性管理中心；c. 沈陽輸油氣分公司；d. 濟南輸油分公司)

針對管道中心線應(yīng)變檢測缺陷點的定位問題和多次管道內(nèi)檢測的里程誤差，提出一種以管道環(huán)焊縫為參考點對管道檢測歷史數(shù)據(jù)進行對齊的方法?，F(xiàn)場應(yīng)用表明該方法可以將多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)對齊，可有效利用歷史檢測數(shù)據(jù)評估管道中心偏移。

內(nèi)檢測 應(yīng)變檢測 管道中心線 數(shù)據(jù)對齊

管道運輸?shù)陌踩珜?jīng)濟發(fā)展和自然環(huán)境的保護有著重要意義。隨著管道運行時間的增長，因管道材料、施工及地質(zhì)變化等外因作用對管體造成損傷，潛在的風險很大。管道中心線應(yīng)變檢測可以在不影響管道正常輸送的前提下對管道進行檢測，系統(tǒng)通過搭載的高精度慣性測量單元(IMU)[1]，在地面定標點的修正下測繪管道中心線，進而根據(jù)管道中心線計算管道應(yīng)變。管道缺陷點的定位需要參照管道的里程樁、環(huán)焊縫位置等精確管道位置信息。管道中心線應(yīng)變檢測除檢測管道彎曲部分曲率半徑和管道應(yīng)變值外還可以提供管道的精確位置信息[2]，如管道閥門彎頭三通等特征點的精確位置信息、管道環(huán)焊縫的精確GPS坐標信息。

1 管道中心線應(yīng)變檢測系統(tǒng)概述

管道中心線應(yīng)變檢測系統(tǒng)包括內(nèi)檢測器、地面定標盒和數(shù)據(jù)處理軟件。內(nèi)檢測器的IMU模塊基于捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)實現(xiàn)自主式測繪，搭載的管道慣性測繪單元以一定的頻率采集三路陀螺儀、三路加速度計、里程計數(shù)據(jù)和環(huán)焊縫探頭信號值后保存在系統(tǒng)存儲器中[3]。由于慣性器件存在漂移，誤差隨時間累積而增大，為了提高測繪精度，通過地面GPS定標點、里程計及管道特征(焊縫、彎頭)等信息對慣性導航數(shù)據(jù)進行修正[4]。當管道內(nèi)檢測器經(jīng)過地面GPS定標點時，與地面定標盒通信，在定標盒中記錄下經(jīng)過地面定標點的時刻結(jié)合當前定標點的精確GPS位置信息構(gòu)成一個定標點。管道檢測完后，將所有記錄的數(shù)據(jù)下載到計算機中，結(jié)合定標信息，利用組合導航軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到整條管線的位置參數(shù)和管道中心線軌跡圖。利用地面定標點信息結(jié)合里程計航位推算結(jié)果對系統(tǒng)的導航誤差進行修正，以進一步提高管道軌跡的測量精度。

IMU性能指標為：激光陀螺儀零偏穩(wěn)定性不大于0.01°/h,加速度計偏值穩(wěn)定性不大于50μg，里程計刻度誤差不大于0.3%，地面標記點精度在±1m內(nèi)。

2 檢測數(shù)據(jù)對齊

通常管道內(nèi)檢測器通過里程計記錄的里程信息定位管道缺陷，但是內(nèi)檢測器在沿管道前進中伴隨著翻滾、里程計的累積誤差和里程輪有可能打滑，這些都會導致真實的里程和記錄的里程數(shù)據(jù)之間存在誤差，且隨著檢測里程的增加誤差也會增大[5]。為解決前后環(huán)節(jié)信息不一致和再次內(nèi)檢測時無法有效利用歷史數(shù)據(jù)的問題，檢測器通過搭載焊縫檢測器來檢測管道環(huán)焊縫[6]，進而通過環(huán)焊縫修正檢測器記錄的里程數(shù)據(jù)并對齊多次檢測的數(shù)據(jù)。

焊縫檢測原理如圖1所示。焊縫檢測器利用焊縫處管壁的不平整檢測焊縫，焊縫探頭隨著檢測器貼著管道內(nèi)壁前進，管壁被焊縫檢測器攜帶磁鐵磁化[7]，管壁平滑、連續(xù)，傳感器與管壁貼合良好，傳感器攜帶的永磁鐵的磁力線會連續(xù)均勻地通過管壁內(nèi)部；焊縫處管壁出現(xiàn)起伏，傳感器與管壁貼合變差，在管壁表面的磁感應(yīng)線會漏出。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)線圈對漏出的磁感應(yīng)線進行檢測，將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號進行測量[8]。

圖1 焊縫檢測原理示意圖

焊縫檢測器搭載兩個呈180°安裝的焊縫檢測探頭，檢測器在管道中前進時，兩路探頭分別檢測管道焊縫信息。螺旋焊縫信號間隔均勻，信號的畸變形狀和幅值由焊縫焊接工藝特點決定，管段內(nèi)的螺旋焊縫信號幅值穩(wěn)定。兩路焊縫檢測器經(jīng)過環(huán)焊縫時，同時檢測到環(huán)焊縫特征，可判定此處焊縫信號為環(huán)焊縫。

以適當寬度為窗口選取局部峰值點為焊縫點，由兩路焊縫信號局部峰值點得到焊縫點，兩路探頭焊縫信號如圖2所示，其中“o”為A路焊縫峰值點，“*”為B路焊縫峰值點。

圖2 兩路探頭焊縫信號

對兩路焊縫峰值點進行匹配，小于相應(yīng)范圍時得到峰值匹配點(圖3)，6.9m處兩路信號的焊縫點里程相差在識別范圍內(nèi)，焊縫點匹配成功，該點處被識別為環(huán)焊縫；其他焊縫峰值點因為沒有匹配，被識別為螺旋焊縫點。

圖3 兩路焊縫峰值匹配點

識別出管道環(huán)焊縫后對重復檢測的管道歷史數(shù)據(jù)以環(huán)焊縫為參考點對齊。對照重復檢測的中心線應(yīng)變數(shù)據(jù)可以在水平和豎直兩個方向上分別比較應(yīng)變的變化，評估管道應(yīng)變[9]。

3 應(yīng)變計算

在沒有歷史數(shù)據(jù)的情況下，管道彎曲應(yīng)變可由管道中心線數(shù)據(jù)在水平方向和豎直方向分別固定間距逐點計算出管道中心線的水平和垂直應(yīng)變，可有效識別管道的變形區(qū)域[10]。

通過管道中心線計算管道應(yīng)變，原理如圖4所示，ΔS為管道彎曲部分弧長，Δθ為彎曲部分對應(yīng)的彎曲角度，R為曲率半徑。用r表示管道半徑，ε表示管道應(yīng)變，K表示管道曲率，則管道應(yīng)變的計算方法為ε=r/R，其中曲率半徑R=1/K，而曲率K=Δθ/ΔS[11]。

圖4 管道彎曲應(yīng)變計算示意圖

由于鋪設(shè)管道所采用鋼材的最小屈服應(yīng)變的曲率半徑為400×直徑(400D，400D曲率半徑大致相當于B級鋼管線的最小屈服應(yīng)變的曲率半徑，小于此曲率半徑的彎曲應(yīng)變管道將發(fā)生彎曲褶皺等塑性變形)，400D曲率半徑時管道應(yīng)變值達到0.125%，管道彎曲長度一般超過12m，對于管徑813mm的管道，0.125%應(yīng)變對應(yīng)12m管長管道中心點位移27mm。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

某管道公司采用完全自主研發(fā)的IMU內(nèi)檢測單元完成了某管線的中心線應(yīng)變檢測，將使用筆者所設(shè)計方法前后的檢測結(jié)果中的垂直應(yīng)變數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)了多處垂直方向位移變化較大的點(圖5)，位移變化主要集中在凍土、沼澤等區(qū)域。

a. 里程116 070m處

b. 里程118 155m處

從圖5a中可以看出116 070m處兩次檢測的結(jié)果具有良好的重復性，說明依據(jù)環(huán)焊縫對齊方法對重復檢測的管道歷史數(shù)據(jù)里程可實現(xiàn)良好對齊。同時兩次檢測的差值說明在兩次檢測中這段管道應(yīng)變減小，說明此段管道這段時間處在彈性恢復過程。

從圖5b中可以看出118 155m處管道應(yīng)變值曲線重復，驗證了筆者所述對齊方法的有效性。該處管道前后兩次檢測應(yīng)變值變大，說明兩次檢測中該處管道處于應(yīng)變積累過程。

5 結(jié)束語

通過現(xiàn)場應(yīng)用可以看出，管道中心線應(yīng)變檢測系統(tǒng)可以檢測管道彎曲應(yīng)變和管道位移。較傳統(tǒng)的位移檢測技術(shù)(對管道上定點安裝位移檢測器進行位移檢測)，管道中心線應(yīng)變檢測可以全線逐點檢測管道的彎曲應(yīng)變和位移，對管道的彎曲應(yīng)變和位移檢測更加全面和精確。重復對管道進行內(nèi)檢測可以檢測管道位移變化和變化率，及時報告管道位移變化較大的缺陷點和管道位移變化較快的點，對管道應(yīng)變進行有效的檢測和預警，便于及時主動維修管道缺陷點和排除導致管道位移的環(huán)境因素。

同時，管道中心線應(yīng)變檢測的結(jié)果可作為管道完整性管理的基準，用于評估管道整體的應(yīng)變、沉降等位移情況。該檢測為油氣管道管理人員提供了完整性的管理工具，可以加強完整性管理和地質(zhì)不穩(wěn)定早期預警，通過識別產(chǎn)生應(yīng)變的原因和對應(yīng)完整的管道特征，避免應(yīng)變積累導致的管道失效。

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ImprovementandApplicationofPipelineCenterlineStrainDetectingSystem

ZHANG Lina, ZHAO Xiao-lia,LI Boa, DAI Lian-shuangb, ZHANG Xin-yua, WANG Xue-wenc, JIN Yuan-zhanga,ZHANG Jia-huia, HE Feid
(a.ShenyangLongchangPipelineSurveyCenter; b.PipelineIntegrityManagementCenter; c.ShenyangOil&GasTransportationBranchCompany; d.JinanOilTransportationBranchCompany,PetroChinaPipelineCompany)

In order to locate defect points and correct mileage errors in the pipeline centerline inspection, having pipeline girth welds taken as the reference point to correct historical inspection data was proposed. Field application shows that, this method can correct mileages in multiple internal inspections and effectively assess the pipeline centerline displacement through making use of historical inspection data.

internal inspection, strain detection, pipeline centerline, data correction

TH865

B

1000-3932(2017)02-0144-04

2016-04-20，

2016-12-29)

中國石油天然氣股份有限公司“漠大線凍土區(qū)管道安全運行關(guān)鍵技術(shù)研究”(油氣1104-03)。

張琳(1985-)，工程師, 主要從事油氣管道內(nèi)檢測研究， zlsylc@163.com。