海底管道是海洋油气输运系统的重要组成部分,被喻为海上油气田的生命线。为了防止原油在低温海底环境下冷凝、结蜡和生成固体水化物,海底管道通常在高温高压下运行,因而存在很大的轴向和环向应力。由于管土约束,轴向应力很难通过管道伸长来释放,常常以整体竖向或水平屈曲的形式释放,导致管道屈曲变形。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。因此,需要定期、密集地对海底管道屈曲变形进行检测,并及时采取加固和补救措施。现有的海底管道屈曲变形检测方法,外检测法成本高、周期长,内检测法基于惯性导航,灵敏度低且在海底管道中无法远距离独自导航。考虑到海底管道屈曲不仅伴随着几何形状和管道走向的局部改变,还存在着特殊的应力分布,因此本文将针对上述特点,开展海底管道屈曲变形检测的理论及关键技术研究。主要工作包括三部分:(1)为了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,研究了包含非理想原始磁化的管道磁屏蔽模型。通过对比经典磁屏蔽模型、有限元仿真分析以及实验验证,得出现场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,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)研究了屈曲管道内的磁场分布特点。针对其特殊的应力分布,研究了基于磁机械效应的管道屈曲变形检测。利用J-A力磁耦合模型计算出应力与相对磁导率之间的关系,对屈曲管道进行了热、力、磁多物理场耦合有限元仿真分析以及实验分析。结果表明,利用管道内磁场可以检测出微小的管道屈曲变形,验证了磁屏蔽效应和磁机械效应在管道屈曲变形检测应用中的可行性和优势。(3)针对管道几何形状的改变,提出了一种基于球形内检测器和磁接近开关的海底管道竖向屈曲检测的新方法。该方法通过对管道倾角的高精度和高灵敏度测量来判断管道是否发生竖向屈曲。通过有限元仿真分析和实验验证,验证了该方法的可行性和优势,且倾角测量误差大部分小于0.5°。