（油气储运工程专业论文）海底管道漏磁检测应用技术研究.pdf

s t u d yo ni n t e l l i g e n tm a g n e t i cf l u xl e a k a g e i n s p e c t i o no f s u b s e ap i p e l i n e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：x i ai i j u n s u p e r v i s o r ：p r o f c a ox u e w e n o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 嗍4舢2肌6 胂77舢7川_胛y 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得 的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致 谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得 中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：垦垒至日期：2 。i 。年f 月工。日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( f l 括但不限于其印刷 版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅 和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 垦皇圣 指导教师签名： 日期：上o i 年s 月工日 日期：山fo 年s 月h 日 鬻盘糖措 摘要 油气管道担负着输送油气产品的任务，在油气田生产中起着十分重要的作用。对 管道进行定期清管，可以有效的去除管道内积存的杂质和产生的积蜡、积液等。对管 道实施内检测，准确把握管道状况，并根据一定的优选原则，对一些严重缺陷进行及 时维修，这样可以避免管道事故发生，同时也能大大延长管道寿命。本文主要研究海 底管线清管现场应用技术并对管道漏磁内检测进行仿真分析。主要研究内容和结论如 下： 针对海底管线清管过程中的问题，设计并进行了清管器破碎及密封性能试验研究， 并模拟制作了清管收发球阀挡板，试验发现泡沫清管器在管线中一般不会因为遇卡而 破碎，压力增加到一定程度，泡沫清管器会产生旁通；直板清管器密封性能不如皮碗 清管器，全聚氨酯皮碗清管器密封性能不如钢制骨架皮碗清管器；十字交叉型和圆环 型收发球挡板能够对清管器有很好的阻挡作用，不会产生清管器在收发球阀挡板处破 碎的情况。 海底输油管线和输气管线清管存在一定的差异，输油管线考虑结蜡问题，输气管 线需考虑积液的存在；清管时间的预测方法有多种，根据现场经验总结的差压和流量 预测清管器到达的方法能够达到预测清管器到达的目的。 管道的缺陷类型多种多样，腐蚀坑是研究的重点，利用a n s y s 软件作为仿真分析 工具，建立不同尺寸和不同形状缺陷的数学模型，对缺陷所产生的漏磁信号进行仿真 分析，得出不同深度的缺陷，缺陷径向漏磁信号峰值随缺陷深度的增加而增大，并且 呈线性关系；对于不同长度的缺陷，缺陷径向漏磁信号正负峰值之间的距离虽长度的 增加而增大，并且正负峰值之间的距离等于缺陷宽度；对于不同形状的缺陷，缺陷轴 向漏磁信号显示出与缺陷本体相似的形状。 关键词：海底管道，清管，实验研究，漏磁内检测，有限元分析 娄wm魄w a b s t r a c t p i p e l i n ew h i c ht r a n s p o r t s o i la n dg a sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei no i la n dg a s p r o d u c t i o n p i g g i n gt ot h ep i p e l i n ea tr e g u l a ri n t e r v a l sc a ne f f e c t i v e l yr e m o v et h ed e p o s i t s a n dw a xa c c u m u l a t e di nt h ep i p e l i n e t h o u g ht h ei n t e l l i g e n ti n s p e c t i o no fp i p e l i n ec a nh e l p t h eo p e r a t o r st og r a s pt h es i t u a t i o n so fp i p e l i n e ，g i v en e c e s s a r ym a i n t e n a n c et ot h ef l a w sc a l l a v o i do c c u r r e n c eo fp i p e l i n ea n de x t e n tt h el i f eo fp i p e l i n ee f f e c t i v e l y t h i sp a p e rs t u d i e st h e t e c h n o l o g yo fp i g g i n gu s i n ga tt h ef i e l da n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm a g n e t i cf l u xl e a k a g e o f p i p e l i n e t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： d e s i g na n di m p l e m e n ta ne x p e r i m e n ta b o u tf r a g m e n t a t i o na n ds e a l a b i l i t yo f t h ep i g i t w a sf o u n dt h a tt h ef o a mp i gi sh a r dt ob r o k e ni nt h ep i p e l i n e ，a n dw h e nt h ep r e s s u r e i n c r e a s e dt oac e r t a i nv a l u e ，t h ef l u i dw i l lb y p a s s i tw a sa l s of o u n dt h a tt h es e a l a b i l i t yo ft h e c u pp i gi sb e t t e rt h a nt h es t r i g h tc u pp i g ，a n dt h es e a l a b i l i t yo ft h ec u pp i g 谢t l lt h es t e e l f r a m ei sb e r e rt h a nt h ep o l y u r e t h a n ec u pp i g t h eb a f f l ew h i c ha r ee r i s s - c r o s sa n da n n u l a r c a no b s t r u c tt h ep i gw e l la n dd on o tc a u s et h eb r o k e no ft h ep i g p i g g i n go fa l lo i lp i p e l i n ea n dag a sp i p e l i n eh a v es o m ed i f f e r e n c e s w ec o s i d e rw a x m o s ta tt h eo i lp i p e l i n ea n dh y d r o p sm o s ta tt h eg a sp i p e l i n e t h e r ea r el o t so fm e t h o d st o p r e d i c t t h e p i g g i n g t i m e ，t h em e t h o du s i n gp r e s s u r ed i f f e r e n t i a la n dg a s - f l o w r a t e s u m m a r i z e df r o mt h ef i l e dc a na c h i e v et h eg o a l t h et y p eo ft h ef l a wo nt h ep i p ei sv a r i e d ，c o r r o s i o np i t sa r et h ek e yp o i n t sw h i c h s t u d i e di nt h i sp a p e r t h em a g n e t i cf l u xl e a k a g em o d e l so fd i f f e r e n td e f e c t sw e r ee s t a b l i s h e d b ya n s y s ，a n dt h ec o n d i t i o n so fd e f e c t sw e r es i m u l a t e d i tw a sf o u n dt h a tt h em a g n e t i cf l u x l e a k a g ep e a kv a l u ei n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fd e f e c td e p t h ，a n dt h e r e i sal i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e p t ha n dt h ep e a kv a l u e ；t h ed i s t a n c eb e t w e e nm a g n e t i cf l u xl e a k a g e p o s i t i v ea n dn e g a t i v ep e a kv a l u e si n c r e a s ea st h el e n g t hi n c r e a s e ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e n m a g n e t i cf l u xl e a k a g ep e a kv a l u e se q u a l st od e f e c tl e n g t h ；f o rt h ed i f f e r e n tt h r e e d i m e n s i o n s h a p e so ft h ed e f e c t s ，t h ea x i a lm a g n e t i cf l u xl e a k a g es i g n a ls h o w sa s i m i l a rs h a p e k e yw o r d s ：s u b s e ap i p e l i n e ，p i g g i n g ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , m a g n e t i cf l u xl e a k a g e ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 熟f，女m饼渺 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究意义一l 1 2 国内外管道清管和内检测研究现状1 1 2 1 清管技术一l 1 2 2 管道无损检测技术研究现状3 1 2 3 漏磁内检测技术国内外发展5 1 3 主要研究内容7 第2 章海底管线清管应用技术研究9 2 1 清管器破碎及密封试验研究9 2 1 1 试验系统介绍9 2 1 2 高低密度泡沫清管器的密封和破碎试验1 2 2 1 3 皮碗清管器和直板清管器的密封性能试验1 5 2 2 不同管线清管方法研究1 6 2 2 1 含蜡原油管线清管1 6 2 2 2 存在积液的天然气管线清管18 2 3 清管器到达预测方法研究2 0 2 3 1 理论计算2 0 2 3 2p i p e p h a s e 模拟方法2 l 2 3 3 差压与流量变化预测方法2 2 2 3 4 几种清管器到达预测方法的对比2 5 2 4 小结2 7 第3 章缺陷漏磁检测基础研究2 8 3 1 管道腐蚀类型及腐蚀机理研究2 8 3 1 1 管道腐蚀类型2 8 3 1 2 海底管道腐蚀机理一2 9 3 2 缺陷漏磁检测的理论分析3 1 3 2 1 漏磁内检测原理3 1 3 2 2 电磁场理论3 4 蒸 3 2 3 漏磁场理论3 5 3 2 4 漏磁内检测器组成3 8 3 2 5 漏磁内检测器检测数据分析3 9 3 2 6 缺陷信号特征分析4 1 3 3 小结4 1 第4 章缺陷漏磁场有限元分析4 2 4 1 缺陷漏磁场的二维有限元分析4 2 4 1 1 模型的建立4 2 4 1 2 定义材料属性4 3 4 1 3 网格划分4 3 4 1 4 边界条件及载荷4 4 4 1 5 求解和后处理4 4 4 2 二维有限元分析结果对比4 6 4 2 1 缺陷深度对漏磁信号的影响4 6 4 2 2 缺陷长度对漏磁信号的影响4 9 4 2 3 缺陷倾角对漏磁信号的影响5 l 4 2 4 不同缺陷形状的影响5 3 4 2 5 不同提离值对漏磁信号的影响5 4 4 3 三维模型的建立与求解5 5 4 4 不同形状缺陷模拟结果分析5 7 4 5 小结6 2 结论6 3 参考文献6 5 攻读硕士期间取得的成果6 8 致 射6 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 油气管道担负着输送油气产品的任务，在油气田生产中起着十分重要的作用。根 据对国内外管道事故统计资料分析，管道投入运行的早期和晚期是事故的高发期，特 别是服务晚期，管道事故发生的可能性随着管道的老化而急剧增加。目前，普遍公认 的观点是对管道实施内检测，准确把握管道状况，并根据一定的优选原则，对一些严 重缺陷进行及时维修，这样可以避免管道事故发生，同时也能大大延长管道寿命【l 】。 我国自从自1 9 8 5 年在渤海埕北油田建成国内第一条海底输油管道以来，在不同海 域已建成4 7 个油气田，拥有各种规格管道近百条，总长度在3 7 0 0 公里以上，部分海 底管道使用时间已经超过1 8 年，个别已经达到2 5 年。但对于海底管道内检测，目前 我国还没有形成管道内部检测技术能力和海底管道内部检测专业队伍。国内没有一支 海底管道内部检测专业队伍，对于海底管道出现的缺陷，不能做到未雨绸缪，只能被 动的进行修复工作。为了保证海上油气生产的安全运行，对海底管道内部检测技术进 行研究和工程应用。 工业发达国家通过对海管进行内部检测，对管道实施了完整性管理策略，虽然管 道总长度逐年增加，但泄露事故率呈逐年下降趋势。 海底管道规范2 1 对海底管道内部检测必要性等做出了规定，因此为了保证海上油 气生产安全运行，我们需要对海底管道的内部检测技术进行研究，减少海底管道事故 发生率，保证海洋石油生产的正常运作。 管道的清管是管道进行内检测之前必须的过程，通过清管可以去除管道内部杂质， 为内检测器的通过扫清道路。因此清管的效果直接关系到管道内检测实施成功与否。 1 2 国内外管道清管和内检测研究现状 1 2 1 清管技术 对于海底管道完整性管理来说，管道的清管不仅是对管道进行内检测之前的必要 步骤【3 1 ，也是管道运行中必不可少的一项清理杂质和提高输送效率的措施。对于新建 管道来说，对管道进行清管可以清除施工时遗留在管道内杂物，同时需要用带测径板 的清管器对管线进行椭圆度的检测，还需要使用清管器对管道进行排水和干燥；对于 1 h 影魄 第l 章绪论 投产后的管线，对管线进行周期性的清管可以保证管线的输送能力，达到控制腐蚀的 目的【引。 国内外对于清管技术的研究大都基于建立清管的单相和多相数学模型进行理论分 析。目前国外比较完整的数学模型主要有： 1 m c d o n a j d b a k e r 【5 】【6 】清管模型，把清管过程中的管道分为四个区：多相流再 生区、气体流动区、液相流动区、未扰动多相区。另外，m c d o n a l d - - b a k e r 还研究了 地形起伏对管道清管的影响。 2 k o h d a 7 】模型，这是第一个以瞬态两相流方程为基础的清管模型，该清管模型 以漂移模型为基础，使用稳态的压降和持液率关系式描述相间滑脱；k o h d a 将清管过 程中的管道分为三部分，清管器前方为瞬态两相流区，紧挨清管器下游的是液塞区， 液塞的下游是瞬态两相流区。然而，由于漂移模型应用起来相对复杂，实际中也存在 复杂的操作条件，这样就大大地增加了k o h d a 模型的使用难度。 3 m i n a m i 【8 】清管模型。m i n a m i 等人对清管过程进行数值分析，用水力学模型预 测了流型、相间滑脱及计算压降，并开发出基于清管模型和瞬变流模型耦合得到的计 算机软件，预测在清管和没有清管条件下的瞬态两相流动。 4 l i m a 【9 】等人开发了以双流体模型为基础的清管模型，用来分析清管操作过程中 流体的瞬态运动。 5 t a c i t e l lo 】模型。用于模拟管道中的多相流动，主要目的就是预测由流体流动 边界条件发生变化所引起的液塞在瞬态两相流中的传播。 国内，虽然没有很完备的理论体系，但也有很多人在这方面做了很多研究工作。 西安交通大学梁志鹏在对清管瞬态过程进行研究的基础上，建立了一个初步的瞬态 清管模型。并进行了通球清管的实验研究。中国石油大学李玉星教授【1 2 】【1 3 1 同样采用修 正了的m i n a m i 模型，根据质量与动量守恒原理建立了混输管道清管的物理模型，并 在实验环道进行了清管实验研究。 关于清管方法，对于从未进行过清管或很长时间未进行过清管的管道，国内外应 用最广泛的是渐进式清管方案，即先发送泡沫清管器对管线进行试通，当泡沫清管器 完好收到之后，再考虑发送不同直径的带测径板的直板清管器对管道进行进一步清理。 关于清管安全性和风险对策的研究，多数是从实际经验总结出来的，但是对海底 管线研究较少。 2 骆 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 2 管道无损检测技术研究现状 1 ) 漏磁内检测技术 漏磁检测技术主要是针对管道被碰撞引起的管体伤害或者内外腐蚀造成的管道金 属损失缺陷进行检测，同时也可检测出不影响管道正常运行的小缺陷( 硬斑点、毛刺、 管道夹杂物以及各种其他异常) 。漏磁检测技术对裂纹等类型的长、窄缺陷的检测有一 定的限制。漏磁检测技术相对应用比较简单，对检测环境的要求不高，具有很高的可 信度，而且可兼用于输油和输气管道。 自1 9 6 5 年美国t u b o s c o p e 公司以及1 9 7 3 年英国b r i t i s h g a s 公司相继应用漏磁检 测器进行清管以后，经过近半个世纪的发展，漏磁检测器已成为应用历史最长，技术 最成熟的内检测技术。 2 ) 超声波内检测技术 超声波内检测是利用超声波在管体中传播的物理性质来对管体的缺陷进行探测的 一种方法。首先通过产生超声波并使其进入管体，然后再通过超声接收器将管体中的 缺陷通过反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，因为缺陷导致的管体的 不连续，导致产生与正常管体不同的特征信号，对接收到的信号进行分析，从而获得 有关缺陷的特性信息。但是超声波内检测技术在检测过程中探头与被测管道之间不允 许存在气体，因此进行气体管道内检测时需要有耦合剂的存在，超声波检测可用于输 油管道。另外，超声波检测技术是最适合裂纹检测的内检测技术。 国外传统的超声波是静态超声波，采用多元蜂窝式检测头，各个探头直接向管壁 发射宽频超声波，又直接接受发射波。目前国内有的学者采用动态检测，就是探头盘 带着若干个超声头在石油管道中随石油的流动做旋转检测，这种动态超声波成本低、 检测全面而且易于采用【1 4 1 。超声波检测器最适合于裂纹检测，但是它需要液体耦合剂， 这就限制了它的应用。利用电磁超声波就可以免用耦合剂。电磁超声波是利用电磁感 应原理激发超声波。不需要耦合剂时就可以对高温、高速、表面粗糙、表面有锈垢和 油漆层的物体直接进行检测。如今激光超声波正在兴起。激光超声波是将一束高能激 光脉冲入射到被测物体表面，由于其瞬间热效应，使入射点吸收热量而膨胀，从而激 发出超声波。无论激光超声波入射光束是否垂直于被测物体表面，所产生的超声波都 垂直于被测物体的表面，因而对于表面粗糙、曲率大、几何形状复杂的物体也适用。 2 0 0 6 年国际管道会议上，美国g e p i i 和德国n d t 公司分别推出了一种先进的内检测 器，应用新一代超声、电子技术与相控技术相结合，对超声波传感器进行了全新的设 3 第1 章绪论 计，把金属损失、壁厚及裂纹检测功能融为一体，实现了可以同时检测管道的腐蚀和 裂纹的功能。 3 ) 射线检测 射线检测技术即射线照相术，它可以借助标准的图像特性显示仪来测量壁厚来检 测管体的局部腐蚀f 1 5 1 6 1 。射线穿过管体作用于照相底片上，产生的图像密度与受检管 材的厚度及密度有关，目前使用最普遍的是x 射线。射线检测技术的优点是可得到永 久性记录，结果比较直观，辐照范围广，检测技术简单，检测时不需去掉管道上的保 温层。缺点是设备复杂，不便操作，费用高，效率低。 目前，国内已有一种专门为管道外照法探伤研制的y 射线探伤仪及其配套器材， 但1 9 2 办源有一个透照厚度下限值，因此受到一定的限制。 4 ) 涡流检测 涡流检测是建立在电磁感应基础上的，它利用在交变磁场作用下不同材料会产生 不同振幅和相位的涡流来检测铁磁性和非铁磁性金属材料的物理性能、缺陷和结构的 异常【1 7 】。 涡流检测技术最新提出了脉冲涡流检测技术、远场涡流检测技术和多频涡流检测 技术等。 传统涡流检测的对象必须是导电材料，只能检测管道表面或近表面缺陷。并且由 于检测信号易受工件的几何形状、磁导率、电导率、提离值等因素的影响，使得缺陷 产生的信号分析存在一定难度。而远场涡流检测具备良好的抗干扰性，不受磁导率与 电导率的影响，可检测铁磁性和非铁磁性管道的表面及内部缺陷。 传统涡流检测采用单一频率，探伤深度和检测灵敏度之间存在矛盾。采用传统涡 流检测时，检测效率和缺陷检测能力往往也不能同时达到要求，要追求高精度则必须 降低检测速度；而多频涡流检测技术同时采用多个频率信号来激励探头，有效地解决 了上述问题。 5 ) 红外热脉冲成像 根据被检测物性质和检测条件确定脉冲热源，利用该脉冲热源照射被检测物体， 从接收到的一系列物体表面温度场的变化数据，复原出物体内部的结构，用图像方式 显示出来，这就是红外热脉冲成像技术。由于高精度红外测温传感器和技术的实现， 并且在脉冲加热技术、红外热成像理论、温度场序列采集技术和专用信息提取技术等 4 静 嫱抽。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 方面的一系列重大突破，加上计算机技术的辅助，使得红外热脉冲成像技术与旧的红 外热图技术相比有着质的飞跃。红外热脉冲成像技术所得到的图像清晰，可以定量评 价，检测可信度古【1 引。 6 ) 光纤反射技术 光纤具有电绝缘特性好、重量轻、直径细、抗电磁干扰等独特优点，并且具有高 灵敏度及可扰曲的特点，使管道检测的高精度及实现管道内远距离检测成为可能；光 纤极细的直径，使其对小型管道内部和小型仪器的检测易于实现，避免了其他无损检 测技术的一些缺陷。 该技术在国外正处于实验阶段，可检测出热交换管道内表面3 0 u r n 的裂纹。在腐 蚀管道中，腐蚀部位经常被沉积物或腐蚀物掩盖，因此在检测之前需要先对被测构件 进行清洁工作，以利于对内部沉淀及腐蚀深度特性进行检测。 7 ) 光学检测方法 基于光学技术的无损检测技术，具有高的尺寸测量精度及易于自动化等优点，受 到了重视【1 9 1 。新近发展的光学检测法有c c t v ( c l o s e c i r c u i tt e l e v i s i o n ) 摄像技术、激 光光源投射成像技术等。c c t v 摄像技术通过在c c t v 摄像头前加设光学投影头，在 检测过程中，光学投影头在管壁上投射出与管道轴线正交的光圈，通过数字c c t v 摄 像头对光圈进行成像。激光光源投射成像技术通过激光投射装置向管道内壁投射出光 环，利用透镜收集管道内表面对此光环所产生的反射，并在二维探测器上形成环形图 像。 1 2 3 漏磁内检测技术国内外发展 1 ) 应用及最新进展 在国外，漏磁式管道内检测技术用于工业上已有四十多年的历史，自从1 9 6 5 年美 国研制出第一台漏磁检测器以来，技术水平和设备性能不断提高，在很多领域应用广 泛，是目前管道工业中应用历史最长，技术最成熟的一项检测技术。俄罗斯、德国、 美国等国家都有专门研制和应用漏磁管道内检测设备的专业化公司，目前，生产实用 的漏磁检测的主要厂家有g e 公司【2 0 1 、德国的r o s e n 公司【2 、美国的t d w 公司【2 2 1 等。检测管道的口径可从1 0 0 - 1 4 0 0 m m ，每年检测施工里程达几万千米。国内的研究 和应用从2 0 世纪8 0 年代开始，目前国内经过几年的引进、消化吸收和国产化研制， 漏磁检测工具规格已从2 7 3 7 2 0 m m ，并形成系列化，对原油和天然气管线都可以进行 5 第1 章绪论 实施，年检测能力大幅度提高1 2 3 。2 0 0 4 年9 月，p i i 公司完成了陕京管道东线7 1l m m 管道的内检测工作，检测距离为1 6 8 k i n 3 1 。2 0 0 7 年9 月份，我国成功的利用漏磁清管 器对西气东输主干线进行了检测。2 0 0 9 年1 0 月，中石油利用漏磁内腐蚀检测器对庆 铁线成功完成管道内检测。 漏磁清管器对管道内的裂纹及由于各种原因造成的影响管道有效内径的几何异常 现象检测困难。针对这种情况，德国r o s e n 公司开发出一种传感器，能够进行机械 损伤方面的检测。该传感器结合了非接触式远距离测量法与测径器手臂的优势，允许 传感器在高动态远行载荷作用下工作，并且该传感器将导航器、高分辨率漏磁检测技 术融为一体口1 1 。此外，加拿大b j 公司开展了基于三轴漏磁信号识别凹陷的研究【2 4 1 。 2 0 0 2 年，在中国石油天然气集团公司的大力支持下，中石油管道局与英国a t 公司开 展了管道检测器方面的科技合作，共同开发“高清晰度漏磁腐蚀检测系统”，2 0 0 6 年 1 2 月，中国首套高清晰度管道漏磁检测器研发成功。 2 ) 理论研究进展 对于漏磁场理论的研究，国外进展较早，主要集中在基于磁偶极子模型的解析法 和求解麦克斯韦方程的数值方法，后者主要体现在有限元分析。 1 9 6 6 年，s h e h e r b b i n i n 和z a s t s e p i n 最早提出了磁偶极子模型，他们认为缺陷漏磁 场由极性相反的偶极子产生，两个磁偶极子位于缺陷的两侧。磁偶极子模型只能应用 于几何上比较简单的模型，如简单的裂纹，简单的方形腐蚀坑等。此模型可以简单的 解释漏磁场的一些特征，但是对不同形状不同位置缺陷的评价还有着很大的局限性， 另外，磁偶极子模型也没有对铁磁材料的非线性作出处理。而利用有限元分析法就解 决了这些问题，因此，有限元分析方法越来越广泛的被应用到漏磁检测。 在管道漏磁检测中，最关键的问题是实现缺陷特征参数的定量化，将缺陷简化为 能够用于研究的分析模型。由于实际的管壁缺陷形状万千，如果想在试验方式上对管 道缺陷进行研究，分析漏磁场信号随缺陷的变化非常困难。在进行不同缺陷漏磁场信 号的试验时由于工作量大，缺陷种类多，试验成本高，测量的精度要求高，需要分析 的数据之间的联系复杂等，并且在现场中的缺陷并不是规则的形状，各种缺陷形状实 际参数的不可度量，使得在当前的试验室条件下很难得做到。而利用有限元仿真分析 技术，不仅可以简化产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品 开发费用和成本，而且可以明显提高产品质量和产品的系统性能。 w l o r d 【2 5 】等最早开始将有限元法引入到漏磁检测的计算中使得漏磁检测的分析计 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 算理论获得了重大的进展。其后，对漏磁场的分析主要集中在缺陷的长度，深度，宽 度以及提离值等对缺陷轴向和径向漏磁信号的影响。如德国的f o r s t e 分析了裂纹宽度 影响缺陷漏磁场。加拿大女皇大学的s l e n a r d 2 6 1 等人利用实验和有限元分析对管道漏 磁检测过程中压力对漏磁信号的影响。 清华大学李路明【2 7 】【2 8 1 等人应用有限元法研究了工件内部磁场强度等对裂纹型缺 陷漏磁场轴向分量之间的影响，分析了缺陷长度对漏磁信号的影响。上海交通大学【2 9 】 通过有限元分析表明管道检测装置在一定的检测行进速度下，缺陷的深度、纵向长度、 轴向宽度长度等参数与漏磁通的法向分量有着密切的关系。沈阳工业大学张国光1 3 0 j 通 过a n s y s 模拟出不同深度和不同长度缺陷与磁通密度的轴向分量之间的关系，从而 得出结论，磁通密度幅值是缺陷深度和长度的函数，磁通密度的持续时间与缺陷长度 呈比例关系；杨理践【3 1 】分析了不同导磁率的材料对管道漏磁信号的影响。合肥工业大 学【3 2 】用a n s y s 对大口径钢管的简化模型进行了模拟分析，只考虑缺陷的宽度，分别 模拟了无缺陷和管道内壁、外壁、中间的大小缺陷漏磁场分布，用于对管道内检测数 据的分析。同济大学吴先梅【3 3 】等对管道漏磁场应用有限元进行模拟，从计算结果可清 楚地看出矩形、尖劈形、梯形缺陷漏磁场磁力线分布情况。 从国内外研究和实际漏磁检测应用来看，目前的漏磁场的有限元分析研究主要集 中在建立二维有限元模型，通过改变漏磁检测参数研究各个参数对漏磁信号的影响关 系，但也很少与工程实际结合。只有少数人研究了漏磁三维有限元模型的建立，但研 究内容局限于个别固定参数的漏磁信号。国外开展管道漏磁检测业务的各大无损检测 公司，也将有限元技术应用于管道漏磁检测装置的设计中，但详细的发展状况和技术 方案未见公布。 1 3 主要研究内容 本文通过现有的实验室条件和仿真分析手段，对海底管线清管和内检测过程中的 部分关键问题上进行了研究和总结，具体研究内容如下： 1 针对海底管线清管现场存在的问题，开展了清管应用技术研究。通过清管球挤 压和密封性实验，研究高低密度泡沫清管器的通过性能以及在流体压力下的破碎情况； 研究钢制骨架皮碗清管器、全聚氨酯皮碗清管器和钢制骨架直板清管器的密封性能以 及现场常用收发球阀门挡板的封堵能力；对不同类型管线清管方法做出经验总结，为 管道清管的现场应用提供依据。 7 第1 章绪论 2 对j z 2 0 2 不同平台间清管的现场数据进行分析，总结出一套能够判定清管器到 达收球筒的规律，用于判断清管过程中清管器的到达，并对不同清管时间预测方法进 行对比，用此验证方法的可用性。 3 通过对管道缺陷研究，分析造成管壁缺陷的主要原因；研究漏磁内检测的原理 和管道缺陷检测的理论基础，对常用的磁偶极子法和有限元法进行对比；对漏磁内检 测装置的组成及漏磁内检测器数据采集方式进行分析。 4 建立管壁缺陷的二维有限元模型，对不同深度、不同长度、不同倾角及不同形 状的管壁缺陷进行有限元模拟，分析其对漏磁信号的影响，从径向漏磁信号及信号峰 值总结缺陷特征对漏磁信号的影响，并且对不同提离值进行了分析。对缺陷建立三维 有限元模型，分析不同形状的体缺陷产生的漏磁信号的形状，为信号的反演做准备。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章海底管线清管应用技术研究 海底管线的清管作业是长输管道投产前或运行中的一项重要工作，可保证管道的 正常运行和输送效率。对于新建管道来说，施工作业遗留物较多，管道打压试验时遗 留的水比较多，投产前清管的主要目的是清除管道内的水以及施工遗留物，包括焊条、 焊渣、木棍、石块、沙土、塑料以及毛刺等。对于己投产运行的管道，天然气输送管 道定期清管可以减少积液对管道的腐蚀；含蜡原油管线定期清管可以提高管线输送效 率，减少管线腐蚀诱因。 管道清管过程中，经常有清管器卡堵在管道中的风险，分析卡堵的原因，一是由 于管道内部有管道施工遗留物，阻挡了清管器的通过，产生旁通或者完全卡堵。经常 采取的措施是增大压力将清管器挤压使其破碎，随流体到下游。但是往往增大压力达 不到所需要的效果。另外，很多情况下管道清管时清管器产生旁通，因此探求不同清 管器的密封性能对清管的现场实施也有着重要意义。因此本文设计并进行了清管器破 碎及密封性能试验研究，以期能够为现场清管实施提供参考。 2 1 清管器破碎及密封试验研究 本次试验主要目的是确认泡沫清管器在海底管道清管过程中遇到不同类型障碍时 的密封及破碎情况，并且比较皮碗和直板清管器的密封性能，为海底管道清管现场实 施做参考。实验制作了四种不同形式的挡板，并在挡板两端设置透明管段便于观察。 清管实验装置图如图2 1 所示。 9 i 冈9i 髟荔彭幺彭多豸；笏羽膨豸务髟务髟多荔笏习i9 眵 b l ；即在缺陷处磁感应强度由于 缺陷的存在而增加，从而使工作点从磁化曲线上的q 点移到q 。从磁导率曲线上可以 看出，与q 相对应的磁导率从曲线上的p 点移到p 点。从而导致一部分磁感应曲线逸 出钢板到周围的介质中，形成漏磁场。 3 3 第3 章缺陷漏磁检测理论研究 3 2 2 电磁场理论 电磁场的分析问题实际上是在给定的边界条件下，麦克斯韦方程组的求解问题。 麦克斯韦方程组 4 4 1 是研究一切宏观电磁学问题的基础，也是电磁场有限元分析的依 据。微分形式如下： v b = 0 ( 磁场高斯定律) ( 3 - 1 ) v x e = 一a b a ( 法拉第定律) ( 3 2 ) v x h = j + a d a ( 麦克斯韦一安培定律) ( 3 3 ) v d = p ( 高斯定律) ( 3 4 ) 其中b 一磁通量密度( w b m ，韦伯米) ； 卜电场强度( v m ，伏特米) ； d 一电通量密度( c m ，库仑米) ； h 一磁场强度( a m ，安培h t ) ； j 一电流密度( a m ，安培米) ； p 一电荷密度( e m ，库仑米) 。 另一个基本方程是表示电荷守恒的连续性方程 v j = 一劲a ( 3 5 ) 在电磁场的有限元分析里，各向同性介质中的本构方程为 d = 6 6 0 e ( 3 - 6 ) b = o h ( 3 7 ) or=oe(3-8) 在线性均匀、各向同性的媒质中，s ，o - 都是恒定的常数，它们分别是介电常数， 磁导率和电导率，式( 3 8 ) 是欧姆定律的微分形式。以静态电磁场为例，线性是指在 媒质中各点处的磁场强度h 与磁通量密度b 是正比例关系。各向同性是指在各个方向 上的性质及导磁能力相同。 在实际分析电磁场问题时，在静态场中我们时常引入电位、矢量磁位和标量磁位 来辅助求解。对于静态磁场的分析问题，由麦克斯韦方程可以得知在静态稳定磁场的 无电流区域，磁场强度矢量的旋度为零，故可将标量磁位作为待求量。 3 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 h = - v m = 一a i 苏一a ，砂 ( 3 9 ) 上式中为标量磁位。将( 3 - 9 ) 代入静态磁场的基本方程式，可以得出标量磁位满 足的偏微分方程，见式( 3 1 0 ) 。 v 2 锄= a 2 舐2 + a 2 砂2 = 0 ( 3 一l o ) 在给定的边界条件下，联立麦克斯韦方程组，就可以解出电磁场问题。联立的方 程组与边界条件组合在一起构成了边值问题，也就构成了待求解的电磁场分析问题的 数学模型。 3 2 3 漏磁场理论 缺陷漏磁场与缺陷形状参数之间关系的研究主要是从两个方面进行的，一是理论 分析计算，二是实验测量。在理论分析方面，主要有磁偶极子方法和借助计算机分析 来完成。磁偶极子法利用磁荷取代缺陷处的铁磁材料，设法求磁荷在铁磁材料表面空 气中漏磁场分布；计算机分析方法主要利用有限元分析对缺陷的漏磁场进行近似的模 拟，也成为近似工程学科。 磁偶极子方法【4 5 1 是目前最流行、简单直观的漏磁场理论分析方法。工件在磁场中 饱和磁化时，如果工件完整，磁场会完全穿过工件，如果存在缺陷，缺陷周围就会产 生漏磁场。我们可以把缺陷的两个侧面看作两个磁极，用等效的磁偶极子来模拟。如 果管道表面存在点蚀造成的孔洞、凹坑等点状缺陷，多数利用等效点偶极子模型来模 拟，由于投产时遗留的木棍铁屑造成的管道内表面的划痕等线状缺陷可以用等效线偶 极子模型来模拟，对缺陷形状类似矩形或者其他裂纹类缺陷可以等效为无限长的矩形 槽，利用等效面偶极子模型来分析。 1 ) 点偶极子模型 工件表面的点状孔、洞等缺陷可用等效点偶极子模型来模拟。如图所示，相距2 a 的两个极性相反的磁荷q 。( 磁偶极子) 在空间任一点p 的磁场为h ：掣，求得磁场的 水平和垂直两个方向的分量： h , r2q m 丽新一面新) ( 3 - 1 1 ) 3 5 第3 章缺陷漏磁检测理论研究 h y = q m 南】3 2【 y 一口) 2 + y 2 】3 2 ( 3 - - 1 2 ) 2 ) 线偶极子模型 线偶极子模型如图所示，线偶极子就是具有符号相反，线磁荷密度q 相等，相距 为缺陷宽度2 a 的两条无限长磁荷线。一条无限长的正磁荷线在与它相距为r l 的点p 所产生的场强为： h l ：2 q f q ( 3 1 3 ) r l 一条无限长的负磁荷线在与它相距为r 2 的点p 所产生的场强为： ，：2_qr2hz-。li2(3-14)，= _ r 2 线偶极子在空间某点的场强是h l 与h 2 的矢量和，其水平分量和垂直分量的值为： 卟一面篝蔫等丽 伊旧 h y - 一面再舞b 丽 1 6 ) 3 ) 面偶极子模型 面偶极子模型如图所示，对于裂纹、折迭一类的缺陷可用面偶极子来模拟，它是 具有符号相反，面磁荷密度q 相等，相距为缺陷宽度2 a ，深度为d 的两个磁荷面。空 间任一点的磁场强度的水平分量h x 和垂直分量h y 分别为： h x = 2 q a r c 协雨一c t a n 瓦】1 7 ) h y = q c h ，羔兰 三筹一- n 羔兰 ：筹， c 3 一t 8 ， 本文主要研究的是矩形和裂纹类缺陷，用面偶极子模型来分析裂纹缺陷，裂纹可 以等效为无限长的矩形槽，将带有缺陷的管道磁化，管道缺陷处产生的漏磁场是一个 空间矢量，将轴对称的管道分解为轴向分量( 水平分量) 和径向分量( 垂直分量) ，图 3 4 为面偶极子模型，相距为2 a ，深度为d 的两个面为两个磁荷面。 中国石油大学( 华东) 硕士学位