CN112504112A - 一种山区管道应变监测安全管环与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山区管道应变监测安全管环与方法，所述安全管环包括磁力测试探头和保护所述磁力测试探头的保护壳，所述磁力测试探头设置4n个，n为大于等于1的自然数，相邻探头之间的夹角为180°/2n，且相邻探头之间通过数据传输线并联并通过数据传输接口接出，所述保护壳外层由无磁硬质合金制成，所述保护壳内层由非金属材料制成。本发明能够利用所述安全管环长期实时获取目标管段的磁测数据，并解析得到目标管段的轴向应变值，从而持续监控山区管道的安全状态。

Description

一种山区管道应变监测安全管环与方法

技术领域

本发明涉及油气管道结构健康监测技术领域，特别涉及一种山区管道应变监测安全管环与方法。

背景技术

山区管道沿线地理环境复杂、高差大，在多荷载与不稳定地质条件作用下，管道易受集中载荷影响，存在变形、断裂等风险，因此，需要采取相应的管控手段来保障山区管道安全平稳运行。国内外应用较广泛的解决方式为通过弱磁测试技术识别出危险管段，该技术通过在非开挖条件下检测管道沿线地面磁异常来确定管道的局部应力集中区域，并通过半定量方法间接评估得到管道的损伤等级，从而确定管道的安全状态。

目前，弱磁测试技术主要用于油气管道的即时检测，而且存在以下缺点：

(1)弱磁测试技术只能检测评估出山区管道当前的相对力学状态，而无法持续监控山区管道的安全状态；另外，利用弱磁测试技术采集管道磁场数据后，需要通过人工评估方式确定应力集中管段的相对风险水平，效率低，误判率高。

(2)不同于直接计算管壁应变值，弱磁测试技术采用半定量评估方法，通过损伤指标F值来确定管道的相对力学状态，因此，无法确定山区管道的真实安全状态。

(3)高钢级管道环焊缝处的弹性弯曲应变是导致焊缝失效的常见因素，但弱磁测试技术只能确定管道是否存在局部应力集中，无法判断是否发生了弹性弯曲变形。

(4)弱磁测试技术是一种非开挖管道检测技术，山区管道埋深大，地面微弱的管道磁场信息容易被强背景磁场掩盖，因此，难以有效地获取山区管道的状态数据。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种山区管道应变监测安全管环与方法，采用管道应变监测安全管环长期实时获取目标管段的磁测数据，从而持续监控山区管道的安全状态。

本发明的技术方案如下：

一方面，提供一种山区管道应变监测安全管环，包括磁力测试探头和保护所述磁力测试探头的保护壳，所述磁力测试探头设置4n个，n为大于等于1的自然数，相邻探头之间的夹角为180°/2n，且相邻探头之间通过数据传输线并联并通过数据传输接口接出，所述保护壳外层由无磁硬质合金制成，所述保护壳内层由非金属材料制成。

作为优选，所述保护壳包括相连且对称的上半环和下半环，所述上半环和所述下半环的左端铰接，右端设有支耳，上半环的支耳与下半环的支耳之间通过螺栓相连；或者所述上半环和所述下半环的左右两端均设有支耳，上半环左端的支耳与下半环左端的支耳之间、上半环右端的支耳与下半环右端的支耳之间均通过螺栓相连。

作为优选，所述上半环和所述下半环之间设有橡胶垫片。

作为优选，所述磁力测试探头包括单轴磁通门传感器和保护所述单轴磁通门传感器的外壳，所述单轴磁通门传感器设置一个或两个，所述外壳由非金属材料制成。

另一方面，还提供一种山区管道应变监测方法，包括以下步骤：

确定每个磁力测试探头的校准因子，然后将其组装为上述任意一项所述的山区管道应变监测安全管环；

将所述安全管环安装到监测管道上，并安装所述安全管环的配套装置，所述配套装置包括数据采集器；

根据所述校准因子，将所述数据采集器采集得到的监测管道表面法向感应强度的变化值转换为监测部位的局部纵向应变值；

根据所述局部纵向应变值计算管道截面的整体轴向应变值；

确定监测管道的轴向应变预警阈值，然后与所述整体轴向应变值比较大小，结合磁力测试探头的信号特征，确定监测措施。

作为优选，所述校准因子通过以下步骤进行确定：

选择与监测管道相同材质的材料制作平板试件，然后将所述平板试件装夹在拉伸试验机的夹具上；

将磁力测试探头固定加装在平板试件测量线正上方，所述磁力测试探头的磁场测试方向与平板试件加载方向一致；

开启所述拉伸试验机，拉伸所述平板试件，在弹性变形范围内，测试循环加载过程中所述平板试件表面的法向磁感应强度值，并处理得到法向磁感应强度变化值的变化曲线；

测试完成后，从拉伸试验机配套的上位机中导出所述平板试件在循环加载过程中的实际应变曲线；

将法向磁感应强度变化值的变化曲线与所述实际应变曲线进行比对校准，从而确定所述校准因子的取值。

作为优选，通过下式将所述数据采集器采集得到的监测管道表面法向感应强度的变化值转换为监测部位的局部纵向应变值：

Eε_L＝f_y·ΔB_y (1)

式中：E为监测管道材料的弹性模量，MPa；ε_L为局部纵向应变值，με；f_y为校准因子，无量纲；ΔB_y为法向感应强度的变化值，nT。

作为优选，所述整体轴向应变值的计算方法为：

式中：ε_a为整体轴向应变值，με；4n为安全管环中磁力测试探头的总数，无量纲；ε_Li为第i个磁力测试探头的局部纵向应变值，με；γ为泊松系数，无量纲；ε_hp为环向应变，με；P为监测管道运行压力，MPa；D为监测管道管径，mm；δ为监测管道壁厚，mm。

作为优选，所述轴向应变预警阈值为：

式中：ε_T为轴向应变预警阈值，με；σ_s为监测管道材料的屈服强度，MPa；η为安全系数，无量纲。

作为优选，所述监测措施具体为：

当所述整体轴向应变值小于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为分离状态时，监测管道的环焊缝处监控使用，管道本体正常运行；

当所述整体轴向应变值小于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为相似趋势状态时，监测管道的环焊缝处以及管道本体均正常运行；

当所述整体轴向应变值大于等于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为分离状态时，监测管道的环焊缝处立即维修，管道本体监控使用；

当所述整体轴向应变值大于等于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为相似趋势状态时，监测管道的环焊缝处以及管道本体均监控使用。

本发明的有益效果是：

本发明的山区管道应变监测安全管环中设置有磁力测试探头，能够长期实时获取目标管段的磁测数据，从而持续监控山区管道的安全状态；基于校准计算模型，能够将法向磁感应强度变化值转换为局部纵向应变，效率高，误判率低；通过磁信号校准与轴向总应变回归分析方法，能够直接计算出监测管段的轴向应变值，从而准确识别山区管道的力学安全状态；通过多通道磁信号特征能够判断监测管段是否发生弹性弯曲变形；安全管环贴近管道表面安装，能够克服远程采集的微弱磁信号被强背景信号掩盖的问题，获取可靠的管道磁场数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明山区管道应变监测安全管环的一个实施例结构示意图；

图2为本发明山区管道应变监测安全管环磁力测试探头的一个实施例结构示意图；

图3为本发明确定磁力测试探头的校正因子的过程示意图；

图4为本发明山区管道应变监测方法配套装置的一个实施例结构示意图；

图5为磁力测试探头信号特征为遵循相似趋势状态的一个实施例示意图；

图6为磁力测试探头信号特征为分离状态的一个实施例示意图；

图7为一个实施例的法向磁感应强度变化值的变化曲线示意图；

图8为一个实施例的实际应变曲线示意图。

图中标号：

1-磁力测试探头、101-单轴磁通门传感器、102-外壳、2-保护壳、201-上半环、202-下半环、203-保护壳外层、204-保护壳内层、3-数据传输线、4-数据传输接口、5-支耳、6-螺栓、7-橡胶垫片；

11-监测管道、12-平板试件、13-数据采集器、14-土壤、15-工业路由器、16-太阳能板、17-风机、18-蓄电池、19-供电控制器、20-逆变器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语；使用的术语中“上”、“下”、“左”、“右”等通常是针对附图所示的方向而言，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言；同样地，为便于理解和描述，“内”、“外”等是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。但上述方位词并不用于限制本发明。

如图1-2所示，本发明提供一种山区管道应变监测安全管环，包括磁力测试探头1和保护所述磁力测试探头1的保护壳2，所述磁力测试探头1设置4n个，n为大于等于1的自然数，相邻探头之间的夹角为180°/2n，且相邻探头之间通过数据传输线3并联并通过数据传输接口4接出，所述保护壳2的外层由无磁硬质合金制成，所述保护壳2的内层由非金属材料制成

在一个具体的实施例中，所述保护壳2包括相连且对称的上半环201和下半环202，所述上半环201由保护壳外层203和保护壳内层204组成，所述保护壳外层203由无磁硬质合金制成，所述保护壳内层204由非金属材料制成，2n个所述磁力测试探头1设置在所述保护壳外层203和所述保护壳内层204之间。

可选地，所述上半环201和所述下半环202一体成型。如此设置的安全管环可在监测管道未埋入地底时直接套设在监测管道上。

可选地，所述上半环201和所述下半环202的左端铰接，右端设有支耳5，上半环201的支耳5与下半环202的支耳5之间通过螺栓6相连；或者所述上半环201和所述下半环202的左右两端均设有支耳5，上半环201左端的支耳5与下半环202左端的支耳5之间、上半环201右端的支耳5与下半环202右端的支耳5之间均通过螺栓6相连。如此设置的安全管环可应用在即将埋入或者已经埋入地底的管道上，无需现场焊接组装传感器、数据线缆、防护附件等，能够缩短现场安装周期。需要说明的是，除了本实施例所采用的便于将安全管环安装到监测管道上的结构外，其他现有技术中便于安装的结构也可以应用到本发明所述的安全管环上。

为了防止过度旋钮螺栓的螺母，压损保护壳，可选地，所述上半环201和所述下半环202之间设有橡胶垫片7。

在一个具体的实施例中，所述磁力测试探头1包括单轴磁通门传感器101和保护所述单轴磁通门传感器101的外壳102，所述单轴磁通门传感器101设置一个或两个，所述外壳102由非金属材料制成。可选地，所述单轴磁通门传感器101采用能够测试uT级别或nT级别磁感应强度的单轴低场磁通门传感器。需要说明的是，本发明除了采用单轴磁通门传感器外也可采用其他磁力测试探头，比如三轴磁通门传感器，只是本发明在监测时只需要测试法向磁感应强度，因此选用单轴磁通门传感器就能够满足需求，且能够节省成本。另外，当所述单轴磁通门传感器101设置两个时，一备一用，更加符合现场工程实际。

在一个具体的实施例中，所述保护壳内层204和所述外壳102所采用的非金属材料相同，可选地，所述非金属材料为碳纤维材料。在另一个具体的实施例中，所述保护壳内层204和所述外壳102所采用的非金属材料不同，所述保护壳内层204采用碳纤维材料制成，所述外壳102采用橡胶材料制成。需要说明的是，本发明所述的保护壳内层204和磁力测试探头1的外壳102只要是非金属材料制成的就行，并不局限于上述两种非金属材料。不过上述选用的碳纤维材料的使用寿命较塑料或者陶瓷等非金属材料的使用寿命更长一些。

另一方面，本发明还提供一种山区管道应变监测方法，包括以下步骤：

S1：确定每个磁力测试探头的校准因子，所述校准因子通过以下子步骤进行确定：

S11：选择与监测管道11相同材质的材料制作平板试件12，然后将所述平板试件12装夹在拉伸试验机的夹具上；

S12：如图3所示，将磁力测试探头1固定加装在平板试件12测量线正上方，所述磁力测试探头1的磁场测试方向与平板试件12加载方向一致；

S13：开启所述拉伸试验机，拉伸所述平板试件12，在弹性变形范围内，测试循环加载过程中所述平板试件12表面的法向磁感应强度值，并处理得到法向磁感应强度变化值的变化曲线；

S14：测试完成后，从拉伸试验机配套的上位机中导出所述平板试件12在循环加载过程中的实际应变曲线；

S15：将法向磁感应强度变化值的变化曲线与所述实际应变曲线进行比对校准，从而确定所述校准因子的取值。

在整个加载过程中，磁力测试探头1处于铁磁构件环境中，磁力测试探头1的测试值包括试件本身的磁信号P_i，由加载引起的磁信号F_i以及背景磁信号E_i。上述校准因子的确定方法在加载过程中，所述平板试件12的磁测量位置靠近夹具部件，并且试件的尺寸变化范围较小，所以试件本身的磁信号P_i与背景磁信号E_i几乎不变，磁信号变化值为ΔB＝F_i+1-F_i。因此，无需对实验测试信号进行降噪处理，来消除试件磁信号P_i与背景磁信号E_i对结果分析的影响。

S2：将所述磁力测试探头1组装为上述任意一项实施例所述的山区管道应变监测安全管环。

S3：将所述安全管环安装到监测管道11上，并安装所述安全管环的配套装置，所述配套装置包括数据采集器13，所述数据采集器13的通讯通道的数量与所述安全管环中磁力测试探头1的数量相同。

在一个具体的实施例中，如图4所示，监测管道11埋设在土壤14中，所述配套装置还包括工业路由器15、太阳能板16、风机17、蓄电池18、供电控制器19、逆变器20、数据线缆与供电线缆等。所述数据采集器13、工业路由器15以及数据线缆主要用于监测数据的实时采集与远程传输。所述太阳能板16、风机17、蓄电池18、供电控制器19、逆变器20以及供电线缆主要用于整套监控系统的长期稳定供电。安装完成后，通过在线监测软件登陆云平台，检验是否能够正常接收管道状态数据，然后，安全管环实时测试管道表面设有磁力测试探头1方位的法向磁感应强度值，通过数据采集器13和工业路由器15，将监测数据传输至云平台，通过在线监控软件登陆云平台进行查看。

S4：根据所述校准因子，通过式(1)将所述数据采集器采集得到的监测管道表面法向感应强度的变化值转换为监测部位的局部纵向应变值：

Eε_L＝f_y·ΔB_y (1)

式中：E为监测管道材料的弹性模量，MPa；ε_L为局部纵向应变值，με；f_y为校准因子，无量纲；ΔB_y为法向感应强度的变化值，nT。

S5：根据所述局部纵向应变值计算管道截面的整体轴向应变值，所述整体轴向应变值的计算方法为：

式中：ε_a为整体轴向应变值，με；4n为安全管环中磁力测试探头的总数，无量纲；ε_Li为第i个磁力测试探头的局部纵向应变值，με；γ为泊松系数，无量纲；ε_hp为环向应变，με；P为监测管道运行压力，MPa；D为监测管道管径，mm；δ为监测管道壁厚，mm。

S6：确定监测管道的轴向应变预警阈值，所述轴向应变预警阈值为：

式中：ε_T为轴向应变预警阈值，με；σ_s为监测管道材料的屈服强度，MPa；η为安全系数，无量纲。可选地，所述安全系数η＝1.5～2.5。

S7：将所述整体轴向应变值与所述轴向应变预警阈值进行比较，结合磁力测试探头的信号特征，确定监测措施，制定如表1所示的分级预警指标：

表1分级预警指标

在一个具体的实施例中，信号特征遵循相似趋势如图5所示，信号特征分离如图6所示。信号特征是分离还是遵循相似趋势的分辨方法为本领域技术人员知悉的现有技术，在此不再赘述。

在一个具体的实施例中，以某地的山区管道为例，该山区管道的材质为X80钢。所述山区管道上安装的安全管环采用上述包括上半环201和下半环202结构的实施例中的安全管环，所述上半环201和所述下半环202中的磁力测试探头1分别设置4个，总的磁力测试探头为8个，相邻探头之间的夹角为45°。

步骤S13中处理得到某个磁力测试探头1的法向磁感应强度变化值的变化曲线如图7所示，步骤S14中得到的该磁力测试探头1的实际应变曲线如图8所示；对比校准图7和图8中的两条曲线，从而得到该磁力测试探头的校正因子，如此重复得到步骤S1中8所有磁力测试探头的校正因子。

然后，通过式(1)获得的各磁力测试探头监测部位的局部纵向应变值，通过式(2)和式(3)获得的整体轴向应变值，所述局部纵向应变值和所述整体轴向应变值的结果如表2所示：

表2某地山区管道实施例监测结果

最后，通过式(4)获得的轴向应变预警阈值为491με，比较表2中各时段的整体轴向应变与所述轴向应变预警阈值的大小，结合各磁力测试探头的信号特征，根据表1所示的分级预警指标采取相应的监测措施。

本发明基于安全管环的管道应变磁监测方法可以持续监控山区管道的安全状态数据，通过磁信号校准方法，可以将测量的法向磁感应强度变化值ΔB_y定量转化为纵向应变值ε_L，用于评估管道的力学安全状态，效率高，可靠性强。其中，管道应变磁监测方法采用校准计算模型与轴向总应变回归分析方法，直接获取管道的轴向应变值ε_a，能够以此准确识别管道的力学安全状态。另外，通过多通道法向磁感应强度信号特征，可以直接判断监测管段是否发生弹性弯曲变形，及时发现管道环焊缝的失效风险，有效保障管道的安全运行。再者，本发明的安全管环直接安装在管道表面，一般情况下，近距离采集的管道磁场强度远远高于背景磁场，受外界噪声信号的干扰程度相对较小，因此，测试数据能够更加准确地反映管道的健康状态。具体实施时，安全管环可采用一体化设计结构，能够无需现场焊接组装传感器、数据线缆、防护附件等，缩短现场安装周期；同时，传统应变传感器需要粘接在金属管道表面，而一体化设计时可采用螺栓螺母使其固定在管道上，无需剥离防腐层和对管道表面进行处理，节省了安装成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种山区管道应变监测安全管环，其特征在于，包括磁力测试探头和保护所述磁力测试探头的保护壳，所述磁力测试探头设置4n个，n为大于等于1的自然数，相邻探头之间的夹角为180°/2n，且相邻探头之间通过数据传输线并联并通过数据传输接口接出，所述保护壳的外层由无磁硬质合金制成，所述保护壳的内层由非金属材料制成。

2.根据权利要求1所述的山区管道应变监测安全管环，其特征在于，所述保护壳包括相连且对称的上半环和下半环，所述上半环和所述下半环的左端铰接，右端设有支耳，上半环的支耳与下半环的支耳之间通过螺栓相连；或者所述上半环和所述下半环的左右两端均设有支耳，上半环左端的支耳与下半环左端的支耳之间、上半环右端的支耳与下半环右端的支耳之间均通过螺栓相连。

3.根据权利要求2所述的山区管道应变监测安全管环，其特征在于，所述上半环和所述下半环之间设有橡胶垫片。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的山区管道应变监测安全管环，其特征在于，所述磁力测试探头包括单轴磁通门传感器和保护所述单轴磁通门传感器的外壳，所述单轴磁通门传感器设置一个或两个，所述外壳由非金属材料制成。

5.一种山区管道应变监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定每个磁力测试探头的校准因子，然后将其组装为权利要求1-4中任意一项所述的山区管道应变监测安全管环；

将所述安全管环安装到监测管道上，并安装所述安全管环的配套装置，所述配套装置包括数据采集器；

根据所述校准因子，将所述数据采集器采集得到的监测管道表面法向感应强度的变化值转换为监测部位的局部纵向应变值；

根据所述局部纵向应变值计算管道截面的整体轴向应变值；

确定监测管道的轴向应变预警阈值，然后与所述整体轴向应变值比较大小，结合磁力测试探头的信号特征，确定监测措施。

6.根据权利要求5所述的山区管道应变监测方法，其特征在于，所述校准因子通过以下步骤进行确定：

选择与监测管道相同材质的材料制作平板试件，然后将所述平板试件装夹在拉伸试验机的夹具上；

将磁力测试探头固定加装在平板试件测量线正上方，所述磁力测试探头的磁场测试方向与平板试件加载方向一致；

开启所述拉伸试验机，拉伸所述平板试件，在弹性变形范围内，测试循环加载过程中所述平板试件表面的法向磁感应强度值，并处理得到法向磁感应强度变化值的变化曲线；

测试完成后，从拉伸试验机配套的上位机中导出所述平板试件在循环加载过程中的实际应变曲线；

将法向磁感应强度变化值的变化曲线与所述实际应变曲线进行比对校准，从而确定所述校准因子的取值。

7.根据权利要求5所述的山区管道应变监测方法，其特征在于，通过下式将所述数据采集器采集得到的监测管道表面法向感应强度的变化值转换为监测部位的局部纵向应变值：

Eε_L＝f_y·ΔB_y (1)

式中：E为监测管道材料的弹性模量，MPa；ε_L为局部纵向应变值，με；f_y为校准因子，无量纲；ΔB_y为法向感应强度的变化值，nT。

8.根据权利要求7所述的山区管道应变监测方法，其特征在于，所述整体轴向应变值的计算方法为：

式中：ε_a为整体轴向应变值，με；4n为安全管环中磁力测试探头的总数，无量纲；ε_Li为第i个磁力测试探头的局部纵向应变值，με；γ为泊松系数，无量纲；ε_hp为环向应变，με；P为监测管道运行压力，MPa；D为监测管道管径，mm；δ为监测管道壁厚，mm。

9.根据权利要求8所述的山区管道应变监测方法，其特征在于，所述轴向应变预警阈值为：

式中：ε_T为轴向应变预警阈值，με；σ_s为监测管道材料的屈服强度，MPa；η为安全系数，无量纲。

10.根据权利要求5-9中任意一项所述的山区管道应变监测方法，其特征在于，所述监测措施具体为：

当所述整体轴向应变值小于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为分离状态时，监测管道的环焊缝处监控使用，管道本体正常运行；

当所述整体轴向应变值小于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为相似趋势状态时，监测管道的环焊缝处以及管道本体均正常运行；

当所述整体轴向应变值大于等于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为分离状态时，监测管道的环焊缝处立即维修，管道本体监控使用；

当所述整体轴向应变值大于等于所述轴向应变预警阈值，且磁力测试探头信号特征为相似趋势状态时，监测管道的环焊缝处以及管道本体均监控使用。

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