油气管道应力监测方法对比分析_何莎.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 47 油气管道应力监测方法对比分析 油气管道应力监测方法对比分析 何 莎1，冯 强1，张 兰1,2，吴雨晟1，汤宏宇1，程 玲1，李经伟3，葛凯奇3，杨云皓1（1中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 德阳 618300；2四川宏大安全技术服务有限公司，四川 德阳 618300；3中国石油集团川庆钻探工程有限公司页岩气项目经理部，四川 成都 610051）摘 要：摘 要：长输油气管道的运行环境十分恶劣且复杂，不可避免的穿越一些地质沉降或滑坡等自然灾害多发区，将造成管道产生应力集中，应力集中是导致油气管道发生破坏的主要原因之一。因此，展开油气管道应力监测方法的研究对管道安全运行具有重要的理论意义及工程价值。本文通过对 L360 试件进行拉伸实验，采用电阻应变片、磁测法和引伸计同步采集试件应变数据，并将三类测试结果进行对比分析，总结三种测量方式的适应性，为油气管道应力监测的现场应用奠定基础。关键词：关键词：油气管道；应力集中；磁测法；电阻应变片 引 言 引 言 长输油气管道长度跨度大，途径区域广泛，当油气管道通过滑坡段、高陡边坡、不均匀沉降等特殊地段，地质灾害将引起管道途径的土体或者石块移动或变形，造成管道受力支撑的变化，发生失稳和变形，由此产生应力集中改变了管道的机械特性，严重时将导致管道破裂。为了保证地质灾害多发区管道的安全运行，最合理有效的方法就是对在役管道管体进行应力应变监测。本文介绍了管道常用的应力应变监测方法，开展 L360 管材试件的拉伸试验，使用电阻应变片、磁测与引伸计测量同时采集数据，分析测试结果，总结各种测量方法的特点及适用性。1 单轴拉伸试验 1 单轴拉伸试验 拉伸试验得到的拉伸图可全面而具体的反映试件的整个变形过程。在试件的弹性变形范围内，当拉伸图为线性曲线时，试件的受力与变形量呈现比例关系，处于胡克定律的弹性范围内。图 1 拉伸试验测试图 图 1 拉伸试验测试图 1.1 实验材料 拉伸实验的材料选用 L360 管线钢，弹性模量为 2105MPa，泊松比为 0.3。试件总长度 300mm，标距段长度160mm，宽度 65mm，厚度 6mm。为了确定试件在加载过程中产生应力集中的位置，在试件标距段中心设置两处半径 1mm的半圆形缺口。1.2 加载制度 拉伸试验在最大拉伸力为 1000kN 的拉伸试验机上开展，试件固定端分别夹持于试验机夹头上，试件须与水平面保持垂直，应力控制速度为 20MPa/s，拉伸试验过程如图 1所示。在试件的弹性范围内加载，L360 管材的屈服强度为360MPa，通过公式（1）计算加载至屈服所需试验力值：AF=（1）式中：为应力，A为试件横截面积，F为试验力值。计算得到试验加载力为 140.4kN，由于样件有缺口，且为非标件，故保守取值为 130kN。2 电阻应变片测量 2 电阻应变片测量 电阻应变片简称应变片，其基于应变效应工作，即导体或者半导体材料在受到外界力的作用下发生机械变形的时候，金属丝受外力作用而伸长时长度增加，截面积减小，电阻值增大，金属丝电阻 R 可表达为：2rLALR=（2）式中：为电阻率，L为电阻丝长度，r为电阻丝横截面半径。使用粘结的方式将电阻应变片固定于被测构件表面，弹性变形过程中，电阻应变计可感知被测物理量（如载荷、位移、压力等）的变化，并将测量值转换为电阻变化信息输出，DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.04748 何 莎：油气管道应力监测方法对比分析 根据电阻变化换算出弹性构体受到的外界力大小1。本次试验使用单轴电阻应变片，由于拉伸试验主要承受单向应变，故使用 1/4 桥与应力分析仪连接进行测量，被测试件的应变值见表 1，测量结果见图 2。表 1 电阻式应变片测量应变值 表 1 电阻式应变片测量应变值 时间/s 荷载/kN 应变片测微应变 转换应力/MPa 20 40.58 688 137.6 40 79.16 1184 236.8 60 117.8 1662 332.4 图 2 电阻应变片测量曲线图 图 2 电阻应变片测量曲线图 电阻式应变片应用操作便捷，对信号的感知灵敏度高，能感知到受力构件的微小变形，其使用已较为成熟且应用较广。但电阻式应变片对于非线性应变的监测误差较大，且不耐潮湿，不适用于长期对现场构件进行应变监测。3 磁测法测量 3 磁测法测量 磁测法基于电磁感应原理，测量钢质构件内部的磁场强度的变化，根据磁场参数与应力之间的耦合关系，获取构件应力的大小和方向2。以电磁感应原理为基础，本次试验所使用的的磁测法基于金属磁记忆效应和逆磁致伸缩效应，检测过程中，导体接近通有交流电的线圈，线圈内部及周围产生交变磁场，磁场与导体之间产生电磁感应现象 3。导体中所产生的磁场对线圈产生的磁场造成影响，其阻抗和电压均随之变化，因此可以通过测定线圈阻抗值的变化推导出导体的特性 4。磁测法主要是测试构件的形变、电导率和磁导率等特征参数的变化，从而推导出构件材料的应力变化情况，在材料的弹性形变范围内，电阻率的相对变化量和应力之间的关系为 5：r0=（3）式中，为电阻率的相对变化量；0为无应力时材料的电阻率；r为应力系数；为单向拉伸产生的拉应力。磁导率的相对变化量与应力之间的关系为6：00=（4）式中，为磁导率的相对变化量；为有应力时材料的磁导率；0为初始磁致伸缩系数；0为无应力时材料的磁导率。本次试验磁测数据见表 2，测量结果见图 3。表 2 磁测法测量应力值 表 2 磁测法测量应力值 时间/s 荷载/kN 磁测应力/MPa 20 40.58 27.77 40 79.16 56.59 60 117.8 85.40 （a）磁测数据线性拟合 （b）磁测数据与应力之间的对应关系 图 3 磁测法测量结果图 图 3 磁测法测量结果图 何 莎：油气管道应力监测方法对比分析 49 磁测法具有测试方便、测量速度快、无辐射危险、精度高并可以进行在线测试等优点。相比于其他无损检测残余应力的方法，磁测法检测无须耦合剂，可检测处于复杂环境中的材料，可应用至管道敷设现场，其具备可靠性、高效性和便捷性的特点。4 引伸计测量 4 引伸计测量 引伸计可测量试样受力后两点之间产生的线变形，其组件一般包括传感模块、信号读取模块和记录模块。当试样产生形变时，与之接触的传感模块部件随之发生变形，并输出为声光电等信号，信号读取模块将以上信号进行读取放大，传输至记录模块进行显示和记录，通常记录模块对引伸计标距范围内的线性变化进行记录。本次试验的引伸计标距范围为 20cm，引伸计传感模块通过夹具装置固定于试样表面，通过数据线连接至 2000 标准负荷仪，通过引伸计的信号读取模块获取转换数据得到试样的变形量l，并通过记录模块记录变形值，试样的应变即为试样变形量l与引伸计标距 l 的比值，计算结果如下表所示：表 3 应变片测量应力值 表 3 应变片测量应力值 时间/s 荷载/kN 引伸计测应变 转 换 应 力/MPa 20 40.58 0.000142 28.65 40 79.16 0.000297 60.06 60 117.8 0.000454 97.73 图 4 应变片测量结果图 5 小 结 图 4 应变片测量结果图 5 小 结 分析对比电阻式应变片和磁测法对管道应力的监测试验结果，两者对比如下：（1）电阻式应变片应用操作便捷，对信号的感知灵敏度高，能感知到受力构件的微小变形，其使用已较为成熟且应用较广。但电阻式应变片对于非线性应变的监测误差较大，且不耐潮湿，不适用于长期对现场构件进行应变监测。（2）磁测法监测应力的精度较高，测量速度快，易于安装和测试，对复杂环境的适应性良好，且可通过数据传导的方式对构件进行在线监测，方便管理人员实时查看设备的应力信息，在现场工程中，常用于钢制设备的内应力实时在线监测。（3）基于本次试验结果，磁测法检测值与引伸计测量值十分接近，说明磁测法测量结果具有较高的准确性和可靠性。（4）电阻应变片测得的结果与引伸计测量值差别较大，可用于测量应力、应变的变化趋势。参考文献 参考文献 1 孔扬.对电阻应变片式测力传感器”应力集中”的探讨J.2 张铁浩,等.残余应力检测与消除方法的研究现状及发展J.精密成形工程,2017,9(5):122-127.3 邹华章,姚恩涛,周静.基于磁致伸缩原理的应力检测方法J.机械制造,2017:37-41.4 闵希华,杨理践,王国庆,等.长输油气管道弱磁应力内检测技术J.机械工程学报,2017,53(12):19-27.5 陶大锦,林晓雷,朱丹峰.涡流技术在应力检测中的应用J.机床与液压,2013,41(4):137-139.6 王威,王社良,苏三庆,等.利用逆磁致伸缩效应检测钢铁结构应力状态J.建筑技术开放,2005,32(1):11-12.