基于磁机械效应的海底管道屈曲变形检测研究

Subsea pipeline buckling can easily cause pipeline to break and accelerate pipeline corrosion and aging. Our previous research demonstrates that magnetic field distributions inside pipelines are closely related to pipeline orientations, and the plane stress can significantly alter the magnetic permeability of a steel plate and the magnetic field distributions around it. Taking into account the special geometry and stress distributions of a buckling steel pipeline, this project proposes a subsea pipeline buckling inspection method based on magnetomechanical effect in order to achieve low cost, short cycle, and high resolution inspections. The project utilizes analytical method, finite element method, multiscale modeling approach, and experimental method to carry out the following researches: (1) Analyze stress distributions of pipeline buckling, and establish the magnetomechanical effect of pipeline steel under the combination action of the geomagnetic field and composite stresses; (2) Establish the magnetic shielding model considering the magnetomechanical effect of pipeline steel in the biaxial stress state, and get the magnetic field distributions inside buckling pipelines; (3) Demonstrate the characterization approaches of pipeline buckling using the magnetic field inside and its derivate variables; (4) Finally provide concrete implementation procedures and system integration solutions for inside inspection of pipeline buckling. The research will provide theoretical and technical bases for pipeline buckling inspections using the magnetic field inside subsea pipelines. It shows great significance in timely maintenance of subsea pipelines and ensuring their long-term safe operations.

海底管道屈曲变形极易造成管道破裂和加速管道腐蚀老化。前期研究表明：管道内磁场与管道走向密切相关，平面应力会显著改变钢板磁导率及其周围的磁场分布。针对屈曲钢管特殊的几何形状和应力分布规律，本项目提出一种基于磁机械效应的海底管道屈曲变形内检测方法，以实现高分辨力、低成本、短周期检测。本项目综合采用解析法、有限元法、多尺度分析法、实验研究等手段开展以下研究：（1）分析屈曲变形管道的应力分布，研究建立地磁场和复合应力作用下管道管材磁机械效应模型；（2）研究建立双轴应力状态下考虑磁机械效应的钢管磁屏蔽模型，获得屈曲管道内磁场分布规律；（3）研究利用管道内磁场及其导出变量表征管道屈曲变形的方法；（4）最终给出屈曲变形内检测的具体实施步骤和系统集成方案。本项目的开展将为利用管道内磁场进行海底管道屈曲变形检测提供理论依据和技术基础，对于及时维护海底管道和确保其长期安全运行具有重要意义。

海底原油输送管道需要在高温高压下运行，以防止原油冷凝结蜡，累积着很大轴向热应力，常常引起管道发生侧向和竖向屈曲失稳。屈曲变形会使海底管道承受巨大的拉伸和弯曲应力，大大增加了其遭受应力腐蚀和发生疲劳断裂的风险。本项目创新地提出基于磁机械效应的海底管道屈曲变形检测技术，充分利用屈曲管道特有的形貌/应力/内部磁场分布规律，实现对管道屈曲变形的高灵敏检测，形成了若干关键技术，具有分辨力高、成本低、准实时等优点。（1）项目研究了包含非理想原始磁化的管道磁屏蔽模型，以便利用管道内磁场确定管道走向的改变，进而判断管道是否发生屈曲；对比经典磁屏蔽模型与有限元仿真分析结果以及实验验证，表明现场长输管道的磁屏蔽系数在统计学上符合无限长圆柱腔体模型，且磁屏蔽系数不随管道走向的变化而变化，因此能够用于预测屈曲变形管道内的磁场分布特征，从而验证了管道屈曲磁表征的可能性。（2）针对管道几何形状的改变，研究并提出了一种基于滚动磁接近开关的海底管道竖向屈曲检测方法，通过对管道倾角的高精度和高分辨力测量来判断管道是否发生竖向屈曲，倾角测量误差大部分小于 0.5°；研究并提出了一种利用载体滚动频率和向心加速度来检测海底管道竖向屈曲的方法，弯曲挠度检测分辨力可以达到1 cm/12 m。（3）研究了不同应力、不同走向、不同消磁强度时屈曲管道内的磁场分布特点，明确了各个条件下屈曲变形管道的内部磁特征，提出可通过消磁来显著地提高弯曲变形检测分辨力；研究表明，管道内磁场可以指示出形貌上不易察觉的微弱管道屈曲，验证了磁机械效应应用于管道屈曲检测的可行性和优势。（4）开发了球形内检测器，定制了高性能的磁场和惯性数据采集模块，优化了球体结构和各个模块的布局，保证了测试数据的高质量，在现场管道上开展了多次测试，取得了良好的效果。项目研究成果填补了海底管道屈曲变形准实时检测的理论和技术空白，对海底管道精准维护和长期安全运行具有重要意义。