本报记者 张鹏程
中国石油大学（华东） 王龙升
据美联社报道，3月1日，尼日利亚石油管道发生泄漏爆炸，事故造成50余人失踪，还造成当地大范围水资源和空气污染。虽然爆炸的原因尚未公布，但是又一次引起了人们对输油气管道安全的关注。
尼日利亚输油管道爆炸
我国陆上油气管道总长约13万公里，基本形成“三纵四横”覆盖全国的油气管网，油气管道已成为中国经济发展的重要命脉，如何守护油气管道的安全牵动着许多石油人的心。
“全力抓好在役管道安全平稳运行和隐患排查治理，确保管道安全平稳运行”，集团公司副总经理覃伟中在2019年天然气与管道业务工作会上特别强调。
我国的上一个管道建设高潮，是上世纪70年代，开始大规模修建油气长输管道。一般而言，管道设计寿命为50年。因此，早期建设运行的管线，其寿命已接近设计年限，存在较大的事故隐患。
黄维和院士多次指出：相比管道（焊缝）本体缺陷带来的危害，管道变形引起应力集中导致管道破坏的隐患更难发现，后果更加严重。2013年山东省青岛市“11·22”中国石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故的直接原因就是输油管道与排水暗渠交汇处管道腐蚀减薄，由应力集中导致管道破裂，原油泄漏引发的重大事故。
我国迫切需要一种可测量油气管道运行期间的应力技术，就危险管段安全裕度进行准确评价，为管道安全、经济运行提供可靠的技术支撑。
经过6年悉心研究，中国石油大学（华东）李玉坤科研团队在油气管道应力测量技术上取得重大突破，成功开发出该技术的专用工业产品“油气管道在线应力超声测量装置”，在2018年获得专利授权，并荣获中国石油和化学工业专利奖。该技术开创性地将声弹性理论应用于油气管道在线应力检测领域，成功地解决变形管段运行期间安全裕度*评判的技术难题，实现运行期间管道的可靠性评估。
*安全裕度是管材极限应力与设计应力的比值减去1.0后的一个正小数，用以表征管材强度的富余程度。
近日，记者走进中国石油大学（华东），听科研人员讲述油气管道在线应力超声测量装置的“中国创新”之路。
应力测量，变形管段评价制高点
作为油气管道工程力学专家，李玉坤老师多年来开展管道运行期间外部荷载导致其变形的相关研究。“油气管道覆盖范围广，穿越各种复杂的地质环境，在役管道不可避免受到地质灾害的潜在威胁，如断层错动、山体滑坡、黄土湿陷、地基沉降、泥石流、冻土、水毁等。当地质灾害引发地面变形发生时，其间管道会受到土体的推动作用产生不均匀偏移，进而引起管道不均匀变形，不易察觉、日积月累的缓慢累加变形增加了管壁的应力水平，降低了管道安全裕度，最终可引起管道强度失效，成为管道安全的重大隐患。”李老师介绍道。
多年来，李老师经常赶赴现场，同一线管道工程师和应急与维抢修队伍进行交流和探讨，发现外在因素导致管道异常变形的现象在工程现场普遍存在。
“发生变形的管段是否达到其安全极限？继续使用，还是停输维修？释放应力还是更换管段？”这是直接涉及油气管道安全运营和企业经济效益的重大问题。
图片来源于网络
李老师在调研了国内外主流管道检测设备和方法后确定“变形管段在裂纹形成之前的安全评价指标是应力值”，正确的测量该应力值是破解问题的关键。研究在管道运行期间可准确测量管壁应力的技术，对评价管道剩余安全裕度有着巨大的工程运用价值。
历经6年，持续研发攻难关
工程结构在线应力测试是研究热点也是难点，国际上尚未有成熟的检测技术和设备。2012年，李老师科研团队经过比较后，确定超声波法作为检测管道应力的技术手段，从零起步，走上了长达6年的超声应力测量设备“中国创新”之路。
超声应力测量实验平台
油气管道在线应力超声测量装置
2014年，团队克服了种种困难，初步自主研发出具备超声波传播时间测量功能的装置。团队成员于文广介绍说，经过几次测试后，发现自行研发的初代装置达不到技术指标要求。“超声波脉冲信号质量差，算法不合理，自动识别超声波信号稳定性差，直接导致测量结果不准确。”
随后团队人员通过集体科研攻关，提出了一种新型的超声波传播时间测量方法，改进了滤波算法、超声波激发和接收方法，经过大量试验，最终研发出可现场应用的超声油气管道在线应力高精度测量装置，成为国内外首套针对油气管道研发的应力测量装置。
仅在2016年一年时间里，李老师团队相继制造出5台样机，进行了千余次室内和现场试验。在一次又一次的试验中，一个又一个难题相继解决。例如某分输站在冬季进行测试应用，现场温度零下十几摄氏度，耦合剂涂抹后瞬间凝固，严重影响了测试实施，无法确保测试精度。为解决低温下耦合问题，于文广在实验室开展300余次低温环境下（-20℃~0℃）不同类型耦合剂的耦合实验。“当时科研经费紧张，又恰好在冬季时节，为节省开支，我们直接在室外开展实验，利用室外冷空气降低恒温箱内温度开展实验。”于文广回忆说，“现在实验条件好多了，利用自动温控箱方便进行不同温度条件下的标定实验，可准确模拟各类不同的工况”。
从样机研制、大量参数敏感性实验，到管道现场测试试用，李老师团队最终形成了一套油气管道在线应力超声测量技术和配套设备，在理论研究和装置开发均取得突破性成果，实现了油气管道领域专用应力测量系统的零突破。团队研发过程中形成的相关技术申请8项国家发明专利，已授权5项，并荣获2018年度中国石油和化学工业专利奖。
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专业系列探头 （专利号：201710135279.8） |
两向拉伸实验装置 （专利号：201710106554.3） |
创新创效，现场应用展身手
目前，超声测量装置已在中国石油北京天然气管道有限公司、中国石油西部管道有限责任公司、中国石化集团管道储运公司、朔州富华燃气有限公司4家单位实施应用238次，通过准确测量为管道安全评价提供了有效支撑，为工程现场排查隐患提供了可靠的依据。
北京石油学会曾对该技术作出评价：
“油气管道在线应力超声测量装置可随时测量局部管段运行状态下的应力，对判断危险管段是否处于安全状态有重要意义，特别适用于因管道基础沉降、水毁、冻胀或其他外在因素导致的管道变形应力集中的检测。”
“该装置是对现有主流管道无损检测方法的有益补充，该装置丰富了油气管道安全检测方法，填补变形管段应力检测的技术空白，在我国油气管道无损检测领域实现了技术突破，具有良好的经济效益、社会效益和应用前景。”
现场工程测量
北京天然气管道公司多次应用该技术检测变形管段，对管道在线应力超声测量技术大加赞赏，“在陕京管线的石景山站、西沙屯站、石家庄压气站、阳泉站、常流分输站、乌兰察布27号阀室等地应用油气管道在线应力超声测量装置测量变形管段，测量结果准确，为管段的安全评价提供直接参考依据”。
西部管道公司就霍尔果斯和哈密地区管道进行了应用，测量了上百处焊缝区域应力，根据其测量结果进行了安全评价，提出维护建议，有效地降低了管道风险。
中国石化管道储运公司将该技术应用于大榭岛和岚山油库站、扬子计量站作业区的地基沉降管段，测量得到最大变形管段的应力值，“测量结果为我们后期维护工作提供了宝贵的参考数据”。工作人员表示。
朔州富华燃气有限公司应用该技术后表示：“油气管道在线应力超声测量装置测量结果准确可靠，并且简单易用，确保了朔州市冬季输气用气的安全，该技术的应用保障了公共安全，大大提高了企业的效益。”
初心犹在，面向未来再攀峰
李玉坤老师对记者表示，下一步将围绕该技术的实际工程应用开展细致的研究工作，提高该技术的现场应用水平，提高超声应力测量装置的智能化水平，持续走好“中国创新”之路。
联系方式：010-64523401
投稿邮箱：cnpc_sysb@163.com
策划统筹：张鹏程
责编：张鹏程
校对：王琳琳
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