基于三軸漏磁內檢測技術的管道特征識別

王富祥,馮慶善,張海亮,宋漢成,陳 健

(中國石油管道研究中心,廊坊 065000)

管道內檢測作為完整性管理的核心技術之一,可以在管道正常運行狀態下,檢測出管道存在的缺陷,為管道事故的預防以及管道的合理維護提供科學依據,對保證管道,尤其是長輸管道的安全運行具有重要作用。一直以來,由腐蝕導致的金屬損失是管道事故的主要風險源,而漏磁內檢測技術因其對管道內環境要求不高、不需要耦合、適用范圍廣(可用于油、氣管道)、價格低廉等優點,是目前應用最廣泛也是最成熟的技術。

在漏磁技術用于管道內檢測的早期,漏磁檢測器只能探測到大面積的腐蝕或腐蝕群。隨著內檢測器設計、電子器件、傳感器以及磁化技術的進步,檢測器的性能顯著提高,能夠探測、識別出更小的缺陷,精確計算出缺陷的尺寸。隨著漏磁內檢測器精度的不斷提高以及數據分析技術的不斷進步,結合多年來在各種管道檢測中的使用經驗,漏磁內檢測器除了用于檢測金屬損失外,還能探測、識別甚至確定多種管道缺陷和管道結構特征的尺寸。筆者首先簡要介紹了漏磁內檢測的原理,然后論述了目前工業上使用的最先進的高分辨率軸向磁化三軸漏磁內檢測器的特征,最后重點探討了如何使用三軸漏磁內檢測數據識別管道缺陷特征及管道結構特征。

1 漏磁內檢測原理

漏磁內檢測器的工作原理[1]是利用自身攜帶的強磁鐵產生的磁力線通過鋼刷耦合進入管壁,在管壁全圓周上產生一個縱向磁回路場,使磁鐵間的管壁達到磁飽和狀態。如果管壁沒有缺陷,則磁力線在管壁內均勻分布。如果管道存在缺陷,管壁橫截面減小,由于管壁中缺陷處的磁導率遠比鐵磁性材料本身小,則缺陷處磁阻增大,磁通路變窄,磁力線發生變形,部分磁力線穿出管壁兩側產生漏磁場,漏磁場形狀取決于缺陷的幾何形狀。漏磁信號被位于兩磁極之間緊貼管壁的探頭(傳感器)檢測到,并產生相應的感應信號,這些信號經過濾波、放大、模數轉換等處理后被記錄到檢測器的存儲器中。檢測完成后,通過專用軟件對數據進行回放、識別和判斷,就可以獲得缺陷的位置、類型、形狀和尺寸等信息。圖1顯示的是漏磁內檢測原理圖。

圖1 漏磁內檢測原理示意圖

2 三軸漏磁內檢測器系統構成

如圖2所示的是某直徑為φ711mm的軸向磁化三軸漏磁內檢測器結構圖。該三軸漏磁內檢測器由測量單元、輔助測量單元、記錄單元和電池單元等組成。檢測器分前后兩節,中間由萬向節連接。檢測器靠皮碗前后的壓差推動,在管道內向前運動。導向輪能夠保證檢測器順利通過管道轉彎處并免受撞擊,如圖2中A部分所示。

圖2 三軸漏磁內檢測器結構圖

測量單元包括稀土永磁體軸向磁化裝置、三軸正交霍爾傳感器、前置放大和濾波電路等,見圖2中B部分。為保證缺陷的識別和判定精度,該檢測器共有280路三軸正交霍爾傳感器沿周向均勻分布在管道內壁。此外,還有溫度、壓力和速度等輔助傳感器來記錄相關的參數。

輔助測量單元的次級傳感器為單向霍爾傳感器,次級傳感器上自帶的永久磁鐵僅使管道內部缺陷磁化,通過與測量單元的三軸漏磁內檢測數據對比,用來區分管道內外缺陷。記錄單元負責完成對所有部件的控制和數據保存,記錄單元里的里程輪每行走一定距離,硬件電路采樣所有傳感器信號,并記錄保存在硬盤存儲器上。通常內檢測器隨管道內輸送介質移動行程達上百公里,硬件檢測和傳感器部分依賴電池艙里配備的電池對整個檢測系統供電。詳細結構如圖2中C部分所示。

3 三軸漏磁內檢測器的特點

金屬損失產生的漏磁場是空間三維矢量場。由于傳感技術、數字信號處理能力和存儲介質容量的限制,以前的大部分檢測器只記錄三維漏磁場的一個或兩個分量。隨著對檢測缺陷類型和檢測尺寸精度要求的不斷提高,一個選擇是提高傳感器的分辨率,然而分辨率越高并不總是精度也越高。另一個選擇是增加記錄漏磁場的分量,根據不同方向的分量來識別不同類型的缺陷并精確回歸缺陷的尺寸。

三軸漏磁內檢測器工作原理[2]與傳統漏磁內檢測器基本相同,主要區別是三軸漏磁檢測器在一個探頭中安裝了三個軸向正交霍爾傳感器,分別測量軸向、徑向和周向的磁通量數據,用來確定絕對的漏磁場矢量,增強了對不同類型缺陷的探測能力,提高了缺陷尺寸的測量精度。使用與管道中心線重合的簡單圓柱參照系,三軸漏磁傳感器的軸向分量、徑向分量和周向分量如圖3所示[3]。第四個傳感器稱為次級傳感器,用于區分是內部還是外部缺陷,也有助于特征的識別與分級。與傳統漏磁內檢測器相比,三軸漏磁內檢測器不僅能精確識別、判定出腐蝕等常規缺陷的尺寸,還能識別出螺旋焊縫缺陷、環焊縫缺陷和凹陷等傳統漏磁檢測器難以識別的缺陷以及管道壁厚變化、法蘭、閥門等管道結構特征。下文的許多特征識別來自于三軸漏磁傳感器或所有四個傳感器的數據。

圖3 三軸漏磁傳感器坐標示意圖

4 管道特征識別

4.1 金屬損失和金屬增加

漏磁內檢測器主要用來識別金屬損失。在進行特征識別前,首先要明確金屬損失與金屬增加的三軸漏磁信號特征,這是其它特征識別的基礎。最常見的金屬損失是腐蝕缺陷,圖4為傳感器通過一個典型腐蝕缺陷的三軸信號特征。信號的形狀和尺寸變化依賴于檢測到的腐蝕缺陷的形狀與尺寸,但對于任何單個腐蝕缺陷,峰的數量和極性是相同的：軸向信號有一個帶有兩個較小負峰的正峰(正/負峰以色彩區分);徑向信號有一負一正兩個峰;周向信號在一個類似矩形的范圍內有兩正兩負四個峰。

最常見的金屬增加信號是位于管壁外表面的金屬物,或者是管道附近的金屬物,圖5顯示的是傳感器通過一個典型金屬物的三軸信號特征。與金屬損失類似,金屬增加信號的形狀和尺寸變化依賴于檢測到的金屬物形狀與尺寸,對于任何單個金屬物,峰的數量和極性也是相同的。與金屬損失相比,金屬增加峰的數量與分布相同,而極性則剛好相反：軸向信號有一個帶有兩個較小正峰的負峰;徑向信號有一正一負兩個峰;周向信號在一個類似矩形的范圍內有兩負兩正四個峰。雖然正負的指示是人為設定的,但金屬增加與金屬損失的極性卻總是相反,這也是識別其它類型的缺陷及特征的基礎。

4.2 復雜的腐蝕缺陷

從簡單點蝕的漏磁信號特征很容易回歸缺陷的幾何特征,但大片復雜的腐蝕的幾何特征僅從軸向信號上卻很難具體化。圖6中顯示的是大片嚴重腐蝕區域及其三軸漏磁信號特征,相應腐蝕區域的照片顯示沿管道存在不同程度的金屬損失。漏磁信號表明存在大量腐蝕,但由于不同腐蝕點之間的信號相互影響,僅從軸向漏磁信號很難精確回歸出腐蝕缺陷實際的幾何形狀,但結合徑向信號與周向信號,腐蝕缺陷的嚴重位置很容易確定,缺陷的長度、深度也很容易歸一化處理。

4.3 復雜的金屬增加

圖7顯示的幾何形狀比較復雜的補板及其三軸漏磁信號特征。該處補板比較規則,共有十條加強筋,基本上呈軸對稱分布,從軸向和徑向信號上很容易確定中間呈金屬增加特征的三對周向加強筋幾何特征,但兩側沿軸向分布的四條加強筋只顯示存在金屬增加,幾何特征不明顯。主要原因是軸向磁化漏磁檢測器的軸向和徑向信號對狹長軸向特征不敏感,但結合周向信號的特征,很容易回歸出這兩對沿軸向分布的加強筋的幾何特征。這也正是使用周向漏磁傳感器的優勢所在,有助于準確判斷狹長的軸向信號特征,精確回歸特征的幾何形狀。

圖7 復雜補板及其三軸漏磁信號

4.4 環焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷

在討論環焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷前,首先要明確環焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號特征。焊縫的本質是焊接連接導致的管體表面金屬增加。圖8顯示的是某環焊縫與螺旋焊縫的漏磁信號特征,從圖上可以看出：環焊縫的軸向與徑向信號特征與圖5中的金屬增加信號特征完全一致,而周向信號的特征不明顯,這是由于環焊縫沿整個圓周對稱分布,周向漏磁場變化不明顯。與環焊縫一樣,正常螺旋焊縫的軸向與徑向信號特征與金屬增加信號特征完全一致;與環焊縫不同的是,螺旋焊縫的周向信號特征非常明顯,但與簡單金屬增加信號不同的是,螺旋焊縫周向只顯示單一極性,這是由于金屬增加沿整個螺旋線連續分布的結果,并且正反螺旋焊縫的周向信號極性相反,這是矢量的方向性決定的,也正是軸對稱規則缺陷(圖4和5)的周向信號也呈軸對稱分布而極性相反的原因。

三軸漏磁內檢測器能夠探測、識別出具有一定開口寬度的未熔合、未焊透等環焊縫缺陷與螺旋焊縫缺陷,焊縫缺陷的本質是焊接不良導致的焊縫金屬填充不足。圖9方框中顯示的是環焊縫缺陷的漏磁信號特征。該環焊縫缺陷位于環焊縫與下游螺旋焊縫交界處,該缺陷的軸向漏磁信號與徑向信號與圖4中的金屬損失極性指示一致,周向信號在缺陷的兩端有極性相反的指示。圖10方框中顯示的螺旋焊縫缺陷的漏磁信號特征,缺陷處的軸向與徑向漏磁信號與圖4中的金屬損失極性指示一致,缺陷處的周向漏磁信號的特征指示非常明顯,也顯示單一極性,但與正常螺旋焊縫指示的極性相反。

4.5 凹陷

凹陷指的是引起管壁橫截面曲率產生顯著變化的凹坑,通常是管道在施工或服役過程中受到外力的碰撞或沖擊導致管壁發生永久塑性變形產生的。通常認為漏磁數據不能可靠地識別凹陷,主要是因為軸向漏磁傳感器對凹陷不敏感。圖11方框中顯示的是凹陷的三軸漏磁信號特征。實際上,僅依賴軸向數據很難發現凹陷。徑向漏磁信號與周向漏磁信號清楚地顯示了該凹陷的存在,凹陷最明顯的特征是徑向信號呈馬蹄鐵狀。凹陷特征的識別驗證是三軸漏磁傳感器的主要優點之一。

4.6 壁厚變化

壁厚變化的軸向和徑向信號特征最明顯,由于環焊縫在周向上的對稱性,在周向信號上幾乎沒有顯示。圖12顯示的是壁厚變化的三軸漏磁信號特征示意圖,圖中的中垂線是環焊縫,將兩個壁厚不同的管子聯接在一起。圖12(a)顯示的是壁厚增加的信號特征,圖12(b)顯示的是壁厚減小的信號特征。壁厚增加與壁厚減小的軸向與徑向漏磁信號極性相反,這與前面金屬增加與金屬損失的極性相反一致。

4.7 錨和支撐

圖13錨和圖14支撐的軸向和徑向漏磁數據都很明顯,徑向信號因形狀與距離不同顯示略有差異。錨通常可由管道正上方的金屬增加特征來識別。支撐也顯示為金屬增加,但位于管道的正下方,一般沿管道長度上等間距設置。

4.8 閥門

圖15和16方框中顯示的分別是管道閘閥和球閥的漏磁數據。閥門在所有四個傳感器上的信號都非常明顯,與正常管道的結構差異較大,且在閥門的上下游通常有其它的結構件。

4.9 法蘭

法蘭在所有的傳感器上信號都非常明顯,通過次級傳感器上三條一組的垂線也最容易識別,見圖17。中間線是法蘭的實際密封,由其將兩根管連接在一起。

4.10 套筒與套管

圖18 套筒的漏磁信號

套筒(圖18)和套管(圖19)在軸向和徑向傳感器上的數據都很明顯,看起來像壁厚改變,但它們總是開始和結束于管道的中間。套筒兩端通常與管壁焊接起來,因此周向和次級傳感器信號非常明顯;而套管的周向和次級信號都不明顯。另一個重要區別是它們的長度,套筒要短得多,通常限制在約2 m之內。套筒用于修復缺陷,以減輕現有管道缺陷的風險,通常可以看到套筒下面存在的腐蝕等缺陷。

圖19 套管的漏磁信號

5 結論

管道運營公司的主要目標是保證油氣介質的安全、持續、穩定的輸送。隨著經濟的發展和能源需求的持續增加,管道運營公司面臨不斷拓展管道網絡,使用超過設計壽命的老管道滿足油氣資源的可靠供應。加上政府日益嚴格的監管,這迫使管道運營公司制定全面的管道完整性計劃,對管道實施有效的完整性管理。管道內檢測技術,特別是先進漏磁內檢測技術的使用,提供了獲得最新管道所需信息的有效手段。隨著高分辨率三軸漏磁內檢測器的應用,管道異常特征和管道結構特征的識別更加可靠、精確,減少了開挖驗證確認的費用,降低了管道的風險。高精度的內檢測數據為后續的評價提供了數據基礎,管道異常的精確評價提高了完整性管理計劃的決策過程的效率,減少了檢測器的校驗及驗證開挖,從而使管道開挖能夠集中于需要修復的缺陷,提高了管道的維修、維護效率。

[1]韓文花.油氣管道漏磁信號去噪及缺陷重構算法的研究[D].上海：上海交通大學,2006：2-5.

[2]馮慶善.在役管道三軸高清漏磁內檢測技術[J].油氣儲運,2009,28(10)：72-75.

[3]Cholow sky Sharon,Westw ood Stephen.Tri-axial sensors and 3-dimensional magnetic modelling of defects combine to improve defect sizing from magnetic flux leakage signals[C].NACE International,Northern A reaW estern Con ference.Victoria,British Columbia,Canada：2004.