基于磁机械效应的海底管道屈曲变形检测研究

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。 2100433B

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。

深水海底管道的铺设问题是深水油气田开发的核心问题。深水海底管道在铺设过程中往往因初始缺陷或铺设过程中造成的局部凹陷而发生屈曲失稳。这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部静水压力作用而沿着管道纵向迅速传播，造成危害性较大的传播性屈曲，令管道整体结构失效。目前，我国在这方面的研究刚刚起步。本课题将基于深水管道铺设过程中的受力特点，建立轴力、弯矩和静水压联合作用下的管道屈曲模型，研究其承载力和椭圆化屈曲变形，进行局部屈曲和屈曲传播的理论分析；开发管道屈曲三维有限元分析模型，分析管道屈曲敏感性因素和屈曲传播趋势；开展不同径厚比、缺陷形式下的管道屈曲试验，验证理论和数值分析结果；由理论分析、数值分析和试验研究结果总结管道屈曲和屈曲传播规律，分析对比已有的各种止屈器的优缺点及适用范围，并对止屈器止屈效果影响因素、止屈器长度和间距选取原则、止屈器安装方法进行研究，从而设计出适应于不同水深环境的止屈器。

深水海底管道的铺设问题是深水油气田开发的核心问题。深水海底管道在铺设过程中往往因初始缺陷或铺设过程中造成的局部凹陷而发生屈曲失稳。这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部静水压力作用而沿着管道纵向迅速传播，造成危害性较大的传播性屈曲，令管道整体结构失效。目前，我国在这方面的研究刚刚起步。本课题将基于深水管道铺设过程中的受力特点，建立轴力、弯矩和静水压联合作用下的管道屈曲模型，研究其承载力和椭圆化屈曲变形，进行局部屈曲和屈曲传播的理论分析；开发管道屈曲三维有限元分析模型，分析管道屈曲敏感性因素和屈曲传播趋势；开展不同径厚比、缺陷形式下的管道屈曲试验，验证理论和数值分析结果；由理论分析、数值分析和试验研究结果总结管道屈曲和屈曲传播规律，分析对比已有的各种止屈器的优缺点及适用范围，并对止屈器止屈效果影响因素、止屈器长度和间距选取原则、止屈器安装方法进行研究，从而设计出适应于不同水深环境的止屈器。 2100433B

物质的磁效应具有基础研究的意义，它提供了物质结构、物质内部各种相互作用以及由此引起的各种物理性能相互联系的丰富信息。例如磁光效应可用来探测磁性物质内磁性电子的跃迁及其能级；磁电效应则反映传导电子与导致宏观磁性的电子之间的相互作用。磁效应在技术应用中已经或正在获得重要应用，为各种需要提供了性能优良的新器件、新材料和新手段。 如磁-力效应与磁声效应分别用于制造电声换能器及延迟线；磁光效应被用于观察磁化强度的分布，研制磁光器件及磁光存储器件；顺磁盐或核磁的绝热退磁为获得超低温的有效手段；磁电阻效应则用于检测磁场而制成新型磁头及磁泡检测器。在工程技术上有特殊应用的恒弹性材料及低膨胀系数材料则基于磁-力效应及磁热效应,均与磁致伸缩效应有关。