一种管道轴向应力类型的检测方法

本发明涉及管道在线内检测，尤其涉及一种管道轴向应力类型的检测方法。

背景技术：

1、油气长输管道穿越地质环境复杂的地区时，容易受到服役环境、地形地貌、灾害气候等多方面因素影响，致使管道产生管体变形，不同的应力类型导致的结果有差别。管道在运行过程中会承受轴向应力、环向应力与弯曲应力等共同作用，各类应力异常会引发管体局部受力不均、变形加剧，甚至是管体破裂。其中，轴向应力已成为诱发埋地管道屈曲、断裂等灾难性失效的首要威胁，一旦轴向应力超过临界值，将导致管道结构失效，引发断裂甚至爆炸等灾难性事故，进而对能源经济和生态环境造成巨大损失。因此，定期开展管道轴向应力检测可将风险预控，对于保障国家能源基础设施的本质安全具有重要意义。

2、管道在线内检测技术是目前公认最有效的管道缺陷在线检测手段，在应力作用下铁磁材料内部磁畴结构偏转或畴壁发生位移，引起宏观磁导率发生变化，因此相比于x射线通过衍射角中衍射峰的位移变化来实现残余应力的计算、超声检测通过临界折射纵波的传播时间变化来实现管道应力的定量计算等方法，基于磁弹效应的检测技术是应力检测的首选方案。在实际工程中，应力方向是评估管道风险的重要因素，拉应力易导致管道内部缺陷产生拉伸扩展，诱发管体破裂。而压应力更容易引发管壁起鼓，褶皱甚至坍塌，是评估屈曲临界的指标。不同方向应力对应的处置策略有所差异，因此，在有效检测轴向应力的基础上，精准区分应力方向，可为埋地管道环境的评估、管道修复、增强及风险管控提供更可靠的科学依据。

3、现有研究在管道应力类型识别方面多聚焦于应力大小测算与应力范围评估，例如采用在管道上粘贴应变片的方式，虽能精准区分轴向和环向应力，直接获取局部真实应力值，但是它属于接触式点测量，应变片及引线易受管内介质、压力、温度等影响而失效，无法实现管道全周向与长距离检测。基于磁弹效应的应力检测技术，虽在油气管道的无损实时在线应力检测方面达到很好效果，但是现有分析方法中多集中在通过磁感应强度的大小区别应力类型，但无法区分拉、压应力分量，难以实现应力方向的有效判别。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种管道轴向应力类型的检测方法；从轴向应力的拉、压应力分量特性差异出发，利用周向阵列传感器，通过以有限元仿真定性再由当量对比校正相结合的方式，提取并分析拉、压应力分量下的磁通密度、输出电压幅值与相位的特征，实现在同一轴向位置上拉应力和压应力的辨别与量化。

2、本发明提供一种管道轴向应力类型的检测方法，包括以下步骤：

3、步骤1：利用有限元仿真分析软件进行初步特征关系建立；

4、步骤1.1：利用有限元多物理场仿真软件建立三维仿真模型；

5、所述三维仿真模型包括钢板p1与电磁检测传感器，其中，钢板p1待设置的仿真参数包括钢板长度

l、宽度

w、厚度

t，长度、宽度、厚度方向分别对应空间坐标系下的

x轴，

y轴，

z轴；

6、所述钢板沿

x轴方向的两端面分别为m1与m2，将m1与m2作为固定约束面；沿z轴负方向施加范围为[0，

fmax]的载荷，步进为

f，其中载荷最大值依据钢板材料的屈服强度、钢板几何尺寸及边界条件决定，在钢板上表面几何中心*区域设置载荷加载区，载荷加载区尺寸根据钢板几何尺寸及载荷作用范围确定。将沿z轴正方向、距离钢板上表面

h位置、面积与载荷加载区相同的区域设置为压应力变化观测区，

h按照电磁检测传感器灵敏度设置；将钢板沿z轴负方向距离、钢板下表面

h位置、面积与载荷加载区相同的区域设置为拉应力变化观测区；

7、所述电磁检测传感器由u型磁芯、激励线圈构成，所述激励线圈缠绕在u型磁芯上；电磁检测传感器按照开展拉应力变化仿真和压应力变化仿真分别设置不同放置位置：当进行拉应力变化仿真时，电磁检测传感器的u型磁芯两端面置于钢板下表面，且u型磁芯的两脚截面所在平面的几何中心与拉应力变化观测区的几何中心共线；当进行压应力变化仿真时，电磁检测传感器的u型磁芯两端面置于钢板上表面，且u型磁芯的两脚截面所在平面的几何中心与压应力变化观测区的几何中心共线；

8、步骤1.2：在三维仿真模型中，设置固体力学场和频域磁场；所述固体力学场中的弹性模量、泊松比、密度等根据钢板的力学性能确定；所述频域磁场中的钢板磁导率、电导率、磁芯磁导率根据钢板材料的力磁特性确定；向激励线圈施加频率为、幅值为、初相位为的正弦信号，其中，频率根据钢板材料的磁导率、电导率和钢板厚度及所需检测深度确定，幅值根据激励线圈匝数、线圈阻抗、磁芯磁化特性、激励线圈输出能力确定，确保产生的激励场未使钢板达到饱和磁化状态。

9、步骤1.3：在三维仿真模型中，在压应力变化观测区以几何中心为起点，沿x轴的正、负方向设置延长线构成上表面分析截线

ltop，在拉应力变化观测区以几何中心为起点，沿x轴的正、负方向设置延长线构成下表面分析截线

lback，其中，

ltop与

lback的长度均为l1。具体包括：

10、（1）按照拉应力变化仿真设置的内容完成三维仿真模型的电磁传感器放置，在载荷加载区进行加载，有限元仿真分析软件中分别求解并提取不同载荷下的下表面分析截线

lback沿

x轴方向的中点处磁通密度幅值

bx与相位，在求解结果中获得

bx与轴向拉应力的变化数据集，通过回归拟合获得第

i个载荷下的轴向拉应力与磁通密度幅值

bxi的关系，其中：

11、（1）；

12、其中，、、、为轴向拉应力仿真拟合系数，且均不为零。

13、（2）按照压应力变化仿真设置的内容完成三维仿真模型的电磁传感器放置，在载荷加载区进行加载，有限元仿真分析软件中分别求解并提取不同载荷下的上表面分析截线

ltop沿

x轴方向的中点处磁通密度幅值

bx2与相位，在求解结果中获得

bx2与轴向压应力的变化数据集，通过回归拟合获得第

i个载荷下的轴向压应力与磁通密度幅值

bx2i的关系，其中：

14、（2）；

15、其中，、、、为轴向压应力仿真拟合系数，且均不为零，且与、、、不完全相同。

16、步骤2：轴向应力与含有磁场接收元件的电磁检测传感器输出的对应关系确定；

17、步骤2.1：取与三维仿真模型材料及几何尺寸相同的钢板p2，利用三点弯曲试验装置开展标定试验；其中，三点弯曲试验装置中的载荷加载区与固定约束面采用与三维仿真模型中相同的设置，空间坐标系、压应力变化观测区域和拉应力变化观测区域也与三维仿真模型中保持相同设置；分别在钢板p2的压应力变化观测区域、拉应力变化观测区域的几何中心位置，沿x轴方向粘贴电阻应变片，电阻应变片采用三线制四分之一桥接线方式接入静态电阻应变仪。

18、步骤2.2：按照载荷设置范围调整三点弯曲试验装置，对钢板p2的载荷加载区进行加载，观察含有磁场接收元件的电磁检测传感器的检测信号，记录输出电压的幅值和载荷值；具体包括：

19、（1）压应力组测试：开始加载前，将含有磁场接收元件的电磁检测传感器置于钢板上表面，与压应力变化仿真放置位置相同，开始加载，观察静态电阻应变仪示数，在每次改变加载载荷时，在每级载荷稳定后，记录应变仪输出的应变值、含有磁场接收元件的电磁检测传感器的输出电压幅值和相位，每级载荷重复测量三次，取算术平均值，获得压应力实验数据集x；其中任意一个压应力实验数据xi中包含第

i个加载载荷下含有磁场接收元件的电磁检测传感器的输出电压

uci和对应的载荷值，。

20、（2）拉应力组测试：完成压应力组测试后完全卸载载荷，待应变仪示数回归零位、钢板p2恢复无应力初始状态后，将含有磁场接收元件的电磁检测传感器置于钢板下表面，与拉应力变化仿真放置位置相同，再次加载并记录应变仪输出的应变值

εp、含有磁场接收元件的电磁检测传感器的输出电压幅值和相位，每级载荷重复测量三次，取算术平均值，获得拉应力实验数据集

q，其中任意一个拉应力实验数据包含第

i个加载载荷下含有磁场接收元件的电磁检测传感器的输出电压和对应的载荷值，。

21、步骤2.3：计算含有磁场接收元件的电磁检测传感器的系统偏移量。

22、取载荷值为0时，基于拉应力实验数据集中的

ul1和

bx1，按照公式（3）计算系统偏移量：

23、（3）；

24、其中k为含有磁场接收元件的电磁检测传感器的灵敏度系数，b为含有磁场接收元件的电磁检测传感器的零点偏移；

25、步骤3：管道轴向应力检测信号特征的提取与区分；

26、步骤3.1：将

n个含有磁场接收元件的电磁检测传感器搭载在管道内检测器上，沿待检测管道内壁周向等间距布置，每个含有磁场接收元件的电磁检测传感器输出的信号构成一个检测通道，并沿检测管道周向按照顺时针依次编号

cv，

v=1,2，...

n；

27、依据环焊缝在电磁检测信号中的特征识别待检测管道所有环焊缝；设检测到的环焊缝总个数为

m且

m≥2

，按环焊缝特征峰的轴向位置将待检测管道的检测通道数据划分为

m-1个独立管段区间；

28、步骤3.2：根据检测通道的输出电压

uest的特征和相位特征判断轴向应力类型：

29、（1）在任一管段区间内，检测通道的输出电压无缓变波峰或缓变波谷，认为当前检测通道未检出轴向应力；

30、（2）在任一管段区间内，检测通道的输出电压为单峰向上凸起倒u形，且相位呈现连续、对称的单谷u型特征，则判定该检测通道内存在轴向压应力。

31、（3）在任一管段区间内，检测通道的输出电压为单谷向下凹的正u形，且相位呈现连续、对称的单峰倒u型特征，则判定该检测通道内存在轴向拉应力。

32、（4）若在同一管段内，周向相邻的

ns个检测通道均满足（2）或（3）中的判断，则将

ns个通道的轴向应力类型依次输出，其中2≤

ns≤

n。

33、步骤3.3：轴向应力检出通道核验；

34、完成步骤3.2的轴向应力类型判断后，基于管道径向对称特性进行结果核验：对于总数为n的检测通道，存在轴向压应力的通道

cm满足公式（4），其中

cj为与

cm同一管段的含有轴向拉应力的通道，

m和

j表示对应通道号：

35、（4）；

36、其中，

round()表示四舍五入取整函数；

37、若依据步骤3.2完成判定的同一管段内检测通道编号满足公式（4），则判定结果有效；若不满足，需按照步骤3.2进行检测通道再次选择，应优先选择与上一次判定时的相邻通道。

38、步骤4：计算管道轴向应力值；

39、（1）单通道应力计算：对于经步骤3判定的任一轴向应力检出通道，将检测通道的输出电压的峰值

uest代入公式（5）后求得检测通道实测磁感应强度

breal，再将

breal依据其判定的轴向应力类型获得对应轴向应力值，即判定为轴向拉应力时代入公式（1）进行计算，判定为轴向压应力时代入公式（2）进行计算。

40、（5）；

41、（2）多通道应力检测情况：对于经步骤3判定后有多个检测通道均检出轴向应力，依次将每个检测通道的输出电压按照单通道应力计算方法进行计算，取轴向应力类型下检测通道全部计算结果中的最大值，作为管道该处该类轴向应力的最终检测值。

42、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

43、针对传统的基于磁弹效应的应力检测方法仅能反映应力大小，难以对应力性质进行区分。本发明提出一种管道轴向应力类型的检测方法，通过深入分析电磁检测传感器的输出信号特征与轴向拉应力和压应力的映射关系，以仿真和实验结合的方式构建了信号特征与轴向应力的定量计算模型，通过对管段进行划分处理，可针对不同区间的具体工况识别并区分是轴向拉应力还是压应力，并计算轴向应力的具体数值，同时设置了同一截面位置的轴向应力通道对称性校验。一方面为管道受力状态分析提供了更加准确的定性分析结果，另一方面也通过定量为管道完整性管理和剩余寿命评估提供技术支撑，与常规管道内检测技术相结合开展，具有非接触、在线检测、覆盖范围广的优势，可有效降低检测成本，提高作业效率。