中国石油大学（北京）管道技术与安全研究中心 编译

栏目主持人董绍华教授：北美联合工业项目（JIP）将轴向应变传感器（StressProbe）集成在ILI工具上。该TSC StressProbe新型在线应变检测器属于电磁非接触式应变测量工具，利用电磁技术在钢结构加载时其电磁特性发生变化为原理，通过监测磁特性的变化测量管道轴向应变。目前，许多应力/应变检测方法，只能够确定从安装之日起的应变变化，而该检测器可检测管道的实际总应变。本期介绍该检测器实施检测的可行性，并讨论案例研究的初步结果。

 

许多管道系统穿过山体滑坡和/或沉降区域。其中要么在原始管道布线期间未被识别，要么在管道建设之后发生，要么由管道施工触发。岩土工艺技术已被公认用于识别表征和监测这些危害。鉴于对管道运行的潜在影响，管道/岩土工具可以直接测量由于土壤/结构相互作用而对管道施加的应力/应变。

            

目前由于滑坡和/或沉降导致的管道变形的在线检测（ILI）方法仅限于基于测量管道中的弯曲应变。即以惯性工具测量管道的中心线来进行。曲率半径允许水平、垂直和总弯曲应变计算见下列方程和图 1、图 2。

                         

其中:

Δs =样品之间的距离； P1 =第1个样品的间距；P2 =第二个样品的间距； A1 =第一个样本的方位角；A2 =第二个样本的方位角； ΔP =修正间距的变化；ΔA =校正方位角的变化； Kh =垂直曲率半径； Kv =水平曲率半径。

首先通过ILI界定焊缝上的弯曲应变，然后连续运行ILI，并将管线的几何形状与先前的情况进行比较，以确定是否存在变化。然而，这些方法不能计算由于在管道上加载而产生的轴向应变。这种轴向载荷通常是弯曲载荷的前置，因此检测管道中的轴向应变 是至关重要的。

1 测量技术理论

人们早就知道，铁磁材料的磁化与弹性应变有相互作用，称为磁致伸缩或磁畴。当磁畴在施加的磁场下重新排序时，每个域内的磁致伸缩应变引起材料的尺寸变化。为了使存储的总能量最小化，具有正磁化常数值的铁中的磁畴磁化矢量优选地使它们自身平行于拉伸应力轴并垂直于压缩应力轴。

使用磁现象在应力测量中有两种有代表性的方法;巴克豪森噪声方法和磁致伸缩方法。前者基于铁磁材料中畴壁的突然运动，这些材料受到磁性变化的影响。后者基于磁导率和磁感应的测量。它利用反磁致伸缩效应，即磁畴行为取决于所施加的磁场的强度和磁化强度。根据磁畴特性，磁致伸缩曲线M与铁磁材料的磁场H可分为四个阶段。基于ACSM技术的StressProbe使用低场级I，这是磁化畴壁移动并有助于磁化的区域。图 3显示了由于施加应力和磁场引起的磁畴壁变化的示意图。磁化的变化会影响磁导率。

StressProbe系统使用感应线圈磁化感兴趣区域和小感应线圈，以测量靠近金属表面的磁场变化。它使用频率为5 kHz的交流（AC）电流，因此测量的应变是由于铁材料中的趋肤效应而在薄表面层中的应变，实质上是2 d应变分布。 Zhou和Dover建立了数学模型，以提供涉及应力/应变对渗透率影响的电磁感应的解析解。 Han， Brennan和Dover[5]开发了使用正交场来增强StressProbe模型的使用。

传感器在管道表面存在的情况下测量线圈中的感应电压。这受到管道中金属的电磁特性，特别是渗透性的影响。渗透率受微观结构，晶粒取向，晶界，位错密度等的影响，而这些又受应力/应变的影响。

在IPC2008中，在实验室条件下和斜坡缓解减缓期间，在双轴加载条件下在管道上使用静态传感器。

2 案例 1

在2008年使用高分辨率惯性测量工具重复进行在线检测以确定弯曲应变之后，在20英寸的天然气管道上确定了管道移动的位置。工具识别的位置与管道穿过的陡坡的下三分之一相关（图 4）。 2008年、 2009年和2010年的后续岩土工程检查观察到了斜坡下部（水偏转护堤下方）土壤运动的迹象。

该斜坡计划于2011年8月进行减缓（管道应变消除和斜坡稳定）。在减缓斜坡之前， 2011年3月开始使用另一种在线检测高分辨率惯性测量工具。该工具还结合了StressProbe技术更好地了解影响管道的土壤运动的轴向应变分量。检查的初始结果未发现上述目标 区域中的任何显著的轴向应变变化。这可能是因为管道不会受到大的轴向应变变化和/或管道经受弯曲和轴向应变的综合影响。轴向应变由4个传感器的平均值计算，这些传感器将消除由于弯曲的存在而引起的纵向应变变化的影响。

斜坡缓解工作于2011年8月完成。在斜坡修复过程中，露出五个钟孔，对管道中心线进行测量，并安装配备太阳能遥测的振弦式应变仪进行远程监控。应变仪（包括冗余仪表）安装在每一个钟孔的三个时钟位置。在整个修复过程中测量并记录管道中心线和应变的变化。应变仪仍然受到监控限制，一旦超出限制，就会通过电子邮件发送通知。

2012年11月，配备轴向应变传感器的在线检测高分辨率惯性测量工具在该管道段上第二次运行。检查结果确定了轴向应变的变化区域。确定的区域对应于第一次检查中存在的大的张力峰值，在第二次检查中几乎消失，如图 5中的圆圈区域所示。第一次或第二次检查中，数据分析人员不知道应变消除的确切位置。该变化区域对应于应变消除区域。

            

在对来自ILI工具的数据进行盲分析之后，从安装的应变仪收集的数据与ILI服务提供商共享，以更详细地分析应变消除区域。两个数据集的比较结果汇总如图 6所示。

使用两种应变测量技术计算轴向应变差异的结果显示了在该位置处轴向应变变化的测量中的潜在相关性。这些初步结果虽然有利，但应谨慎使用，因为应变仪结果与ILI工具数据之间的直接比较并不严格正确，因为这两种技术测量管道中应变分布的不同方面。此外，当管道完全掩埋时，总是进行ILIStressProbe测量。应变仪测量不一定是这种情况。

目前正在开展工作以开发两种应变测量技术之间的比较程序，并更好地解释所涉及的误差。

3 案例 2

关于边坡稳定性监测有两条曲型管线，一条是NPS 24英寸线，另一条是NPS 42英寸线。这两条线都穿越了河流，路堤非常陡峭。在管道的设计和建造过程中，河坡的南缘被认为是潜在的斜坡运动区域。在斜坡南缘跨越1公里，在两条管道33个位置安装了应变仪。 4个振弦式轴向应变仪安装在0°， 90°，180°和270°方向（132个仪表）上，在10个位置安装了环形应变仪。

在管道运行期间，在斜坡的顶部和顶部的张力压缩时观察到不稳定性。需要进行补救措施以减少应变量。通过应变仪评估斜坡不稳定性是一种反应性方法，随着时间的推移，仪表的失效可能导致管道应变信息的可靠性降低。

在使用ILI工具执行例行检查时，人们认为添加TSC StressProbe传感器有助于告知操作员在特定斜坡和/或线路上任何其他斜坡上的潜在应变区域。这两条管线均在2011年使用TSC StressProbe检测器进行在线检测。

当操作员收到供应商报告时，他们与第三方顾问签订合同，以查看管道上安装的应变仪数据与 StressProbe读数之间是否存在关联。目的是确定StressProbe和应变仪数据之间的一致趋势。使用不同的统计方法来尝试和关联数据。值得注意的是，检测工具上传感器的未知方向导致StressProbe数据与仪表数据之间没有明显的关系。其他统计方法包括使用“平滑的” StressProbe数据，去除异常值以及StressProbe数据到仪表方向的分辨率，显示出对相关性的有限改进。

尽管有上述评论，但重要的是要注意应变仪数据和StressProbe数据之间的基本差异。应变仪仅在仪表归零后才响应事件，因此不会出现总应变。另一方面， StressProbe响应检查时的总应变效应。应变仪具有几乎直接的应变值; StressProbe需要校准程序和分析。 遗憾的是，关于这个试验数据，还不可能进行全面的StressProbe校准程序。这项工作还强调了与位于管道部分的所有33个仪表产生可靠的应变仪数据相关的困难，以及如何与StressProbe数据正确关联。

经与ILI供应商和StressProbe供应商面谈，人们普遍认为有些领域可以进行改进，例如软件升级以指示传感器方向，在检测工具上增加更多传感器以及提高采样率以便更好地实现应变仪和StressProbe数据之间的比较。

4 案例 3

在线应力检测StressProbe工具穿过一条30英寸的天然气主干线，该主干线由一个活跃的非常缓慢移动的深层平移滑坡横向加载，具有以下特征。

（1）受影响的管道长度： 3 500米。

（2）典型的覆盖深度： 1.4～5.0米。

（3）运动深度： 16～114米（在特征的中心具有阶梯式多个滑动面）。

（4） 1996～2013年监测期间的年度运动速度：10～70毫米/年，具体取决于载玻片的位置，但通常靠近载玻片的中心增加。

（5）管道安装后预计的最大总横向移动：3～4米。

（6）管道监控：①20应变仪安装，每个位置有3个仪表， 3个光纤应变仪。 ②2003、 2007、 2010和2012年惯性工具数据。

ILI StressProbe第一次运行于2010年11月。由于传感器抬起或记录错误导致重大数据丢失，工具运行结果值得怀疑。第二次运行于2012年7月，传感器报告升空或数据采集无误。

轴向应变工具的结果如图 7所示。

图 7显示了StressProbe工具数据与13公里管道截面上的关系。管道截面包括平移滑道，滑道两侧类似的稳定地形和下游端的一个陡峭的稳定斜坡交叉点。在通过岩土工程方法确定为活动滑坡的区域内，应变的异常区域是明显的。异常区域包括超过看似正常的操作拉伸和压缩应变的区域。

图 7中的数据至少表明， StressProbe数据的分析可以用作识别滑坡导致的土壤/结构相互作用区域的工具。仍在进行工作以确定StressProbe数据是否可以与应变仪数据相关联。运营商对未来改进的评论与案例研究2中提出的建议相似。

关于数据审查的另外两个说明如下。

（1）对来自惯性工具数据的弯曲应变数据的初始和逐次运行比较的回顾产生了滑坡引入的横向变形的少数迹象，而不是在滑动件的下游侧面。从应变仪安装的挖掘点的运行比较中可以清楚地看到大约20～40毫米的垂直变形。

（2）对滑动区南侧区域未破坏数据的审查清楚地表明，由于2011年大约300米长重涂，在滑道之间发生了显著的应力消除。

5 总结

北美联合工业项目（JIP）结果表明，轴向应变测量传感器（StressProbe）集成在ILI工具上，成功完成了超过2 000公里的检测。应变测量工具的结果突出了以下内容。

（1）轴向应变传感器在管道的整个长度上感应轴向应变的变化。

（2）StressProbe数据的分析是在“盲试”的基础上进行的。检测数据分析师能够正确识别发生岩土事件的位置。

（3）该技术具有测量管道中轴向应变的潜力，并且尝试将ILI轴向应变数据与使用应变仪测量的管道应变的变化相关联，具有一定程度的成功性。如前所述，两种技术之间存在根本区别。因此，正在开发的全面StressProbe检测评价程序旨在提供用户更直接的结果与方法，将是未来发展的趋势。