基于磁記憶技術的油氣管道缺陷檢測研究

羅順友，王 鼎，周曉瑩，楊 毅

（1.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南鄭州 451450；2.中國石油天然氣管道局國內事業部，河北廊坊 065000；3.中國石油北京油氣調控中心，北京 100010）

基于磁記憶技術的油氣管道缺陷檢測研究

羅順友1，王 鼎2，周曉瑩3，楊 毅3

（1.中國石油天然氣管道局第三工程分公司，河南鄭州 451450；2.中國石油天然氣管道局國內事業部，河北廊坊 065000；3.中國石油北京油氣調控中心，北京 100010）

采用金屬磁記憶方法對管道缺陷進行精確測定，是當前無損檢測領域的研究熱點和難點。文章介紹了磁記憶檢測的優勢和原理，分析了采用磁記憶儀檢測油氣管道缺陷的結果，并對磁記憶檢測的影響因素進行了研究。檢測試驗結果表明，磁記憶檢測儀能比較準確地定位管道缺陷；提離對金屬磁記憶檢測的影響比較明顯，隨著提離值的增加，磁場信號越來越弱；掃描速度對檢測信號影響較小；不同的檢測姿態對磁記憶檢測信號特征值的影響效應存在較大差異，這對磁記憶檢測信號特征量的提取極為不利，建議開發三維探頭進行檢測。

油氣管道；缺陷檢測；金屬磁記憶；無損檢測

0 引言

工程實踐證明，鋼質油氣管道在長期使用后，由于金屬管壁受到流體沖刷、電化腐蝕、疲勞破壞、自然與人為因素以及管材本身潛在缺陷等影響，會出現管徑變化、機械裂紋和腐蝕穿孔等問題，最終導致輸送效率降低、輸送介質泄漏等惡性安全事故發生。開展埋地管道綜合檢測技術研究，進行科學有效的檢測以及制訂綜合檢測技術與方案，具有重要意義。

金屬磁記憶檢測技術是迄今為止在管道早期診斷方面唯一可行的無損檢測方法。該方法基于地磁場環境中鐵磁性管道受工作載荷作用出現磁疇組織定向和不可逆取向現象，通過檢測應力集中或變形區形成的漏磁場變化即可進行缺陷的預報和檢測[1]。采用金屬磁記憶方法對管道缺陷進行精確測定，是當前油氣管道狀態檢測領域的研究熱點。本文深入分析了磁記憶檢測的基本原理與優勢，對磁記憶檢測儀用于油氣管道缺陷檢測進行了試驗研究，對磁記憶檢測的性能及檢測效果進行了分析；研究了磁記憶檢測儀在檢測中的影響因素，為磁記憶技術在油氣儲運工程檢測中的應用奠定了一定基礎。

1 磁記憶檢測的優勢

磁記憶檢測法與傳統的無損檢測方法相比最突出的優點是可以檢測出構件上應力集中區域應力集中的程度，為檢測缺陷的存在和發展、防止災難性事故的發生、進行結構壽命的早期診斷提供依據。磁記憶檢測法是目前對在役設備結構應力—應變狀態進行早期檢測診斷唯一可行的檢測、評價方法。

金屬磁記憶檢測方法與傳統的磁學檢測方法相比，具有一些明顯的優點：

（1）利用地球磁場，無需專門的磁化設備，從而使檢測設備體積小、質量輕、成本低。

（2）不需對鐵磁性構件和被檢設備的表面進行特殊處理，可以減少工序，降低勞動強度，縮短檢測工期。

（3）在檢測中可快速確定應力集中區域，適用于大面積的普查，可以快速發現可能產生缺陷的部位。

（4）原理可靠，特征信號明顯，檢測速度快，適合于在線檢測，去除人為因素，檢測結果準確性高。

（5）與超聲波檢測相比，傳感器與被測表面之間不需要填充耦合劑，因此不存在耦合劑污染的問題。

（6）檢測時探頭與被檢測工件不接觸，且檢測靈敏度高于其他磁性檢測方法。

（7）與漏磁檢測相比，磁記憶檢測的激勵源為大地磁場，因此磁記憶檢測不需要專門的磁化設備，并且靈敏度相當高。而漏磁檢測需要一個強磁場作為激勵源，并且要求能夠對被檢工件進行飽和磁化，這就決定了漏磁檢測設備比磁記憶檢測設備要復雜得多。

2 磁記憶檢測的原理

圖1為處于地磁作用下的鐵磁工件，在載荷的作用下，其內部會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區形成最大的漏磁場Hp的變化。

圖1 磁記憶檢測原理示意

從圖1可以看出，漏磁場的水平分量Hp（x）關于y軸對稱，而垂直分量Hp（y）關于原點對稱且過零值點，因而在σmax即應力最大位置處有：Hp軸向=Hpmax， Hp徑向=0， 即表面漏磁場的切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）改變符號且具有零值點。通過檢測構件表面的宏觀漏磁場即可檢測到試件內部應力集中的存在及應力集中的程度。實際中通過漏磁場法向分量Hp（y）的測定，便可以準確地推斷工件的應力集中區。

漏磁場Hp與機械應力的變化Δσ之間的關系為[2-3]：

式中 Δσ——應力場強度/MPa；

μ0——真空磁導率/（N/A2）；

λH——磁彈性效應的不可逆分量/（A/MPa），它是一個取決于機械應力、外磁場強度和溫度的函數，如果測得某鋼種在常溫下的λH值，并測量試件的磁記憶信號后，則可利用上述公式，就可以導出缺陷部位周圍的應力場強度；

R——管道試件的半徑/m；

Hp——漏磁場強度/（A/m）；

Δz——試件徑向尺寸/m。

3 采用磁記憶檢測儀檢測油氣管道缺陷結果分析

金屬磁記憶檢測儀主要由傳感器、數據采集系統及其他輔助部件組成。傳感器主要由磁敏傳感器、溫度傳感器、測速傳感器等組成，是檢測系統的關鍵部分，將磁場強度信號轉換為相應的電壓信號。數據采集系統由CPU系統、濾波器、放大器及A/D轉換器、顯示及鍵控裝置等組成。

為盡可能地貼近輸油管道缺陷的實際情況，利用直徑為219 mm的無縫鋼管加工試驗掛片。用管道切割器將2 m的輸油管道切割成5段，每段長400 mm，采用線切割和電火花加工工藝方法在試驗管道上加工制作不同形狀、不同深度和不同方向的人工缺陷，模擬管道的腐蝕坑、裂紋缺陷。缺陷加工完成后對管道試驗掛片進行退磁處理，消除加工過程中產生的剩磁。在萬能試驗機上對試驗管道施加125 kN后卸載，然后再次加載，反復上述過程10次，完成試驗管道的應力加載。

漏磁場的具體分布見圖2和圖3。

圖2 漏磁場垂直分量Hp（y）

圖3 漏磁場水平分量Hp（x）

圖中橫坐標表示檢測的長度，縱坐標表示漏磁場垂直分量Hp（y）；C點是試驗管道缺陷的中心位置；從檢測結果來看，漏磁場的垂直分量Hp（y）曲線關于缺陷表面中心位置是基本對稱的，漏磁場Hp在缺陷兩側距離缺陷中心15 mm左右的位置出現峰值；峰值大小分別為Hpmin=-128 A/m；Hpmax=156 A/m，即圖中的A點和B點。圖中圓圈位置是信號Hp過零值點的位置，與缺陷中心線相差6～7 mm；隨著與峰值點距離的增加，漏磁場垂直分量迅速減小。而圖3中的磁場水平分量曲線是關于缺陷位置的軸對稱，在缺陷的表面中心位置有極大值，隨著與表面中心位置距離的增加，漏磁場垂直分量迅速減小為負值，然后緩慢增大，趨于零。

檢測結果表明，磁記憶檢測儀能比較準確定位管道缺陷。

4 磁記憶檢測的影響因素研究

目前利用智能磁記憶檢測儀對管道進行檢測，信號識別和缺陷重構是難點，而造成這一難點的是磁記憶檢測的影響因素多，影響效應繁雜。因此，研究金屬磁記憶檢測各因素對檢測信號的影響效應對推動磁記憶檢測定量化研究和缺陷識別具有重要的意義。本文研究了提離值、檢測速度及檢測姿態對檢測信號的影響。

4.1 提離對檢測結果的影響

提離對金屬磁記憶檢測的影響是比較明顯的，如圖4所示，隨著提離值的增加，磁場強度法向分量Hpmax、Hpmin及其梯度Kpmax越來越小，并且開始時減小的速度比較快，隨著提離值增大，減小的速度變慢，即磁場強度及其梯度曲線越平緩。Hpmax、Hpmin和Kpmax在提離值為4 mm時開始趨于平緩，并且在4～7 mm之間信號比較明顯，提離值大于7 mm后信號較弱，不利于檢測信號特征值的分析判斷，即磁記憶檢測過程中的最佳提離范圍為4～7mm。磁

圖4 磁記憶檢測信號和隨提離值的變化趨勢

4.2 掃描速度對檢測結果的影響

在其他條件相同的情況下，只是掃描速度不同，使用磁記憶檢測儀，對管道試件進行重復檢測，檢測速度分別設為10 mm/s、30 mm/s、50 mm/s 和 70mm/s， Hpmin、 Hpmax、 Kpmax的數值變化見表1。

表1 Hpmin、Hpmax以及Kpmax隨掃描速度的變化關系

從統計的數據可以看到，掃描速度對Kpmax、Hpmax及Hpmin有一定的影響，但是影響較小；該影響可能與試件表面的粗糙度有關；總的來說，掃描速度對磁記憶檢測的效果影響很小。檢測速度的確定要依據被測試件表面的狀況，要保證檢測時傳感器與試件表面的距離保持定值。磁記憶檢測儀受掃描速度影響較小的原因在于磁記憶檢測的信號是試件自身的散射磁場，其檢測速度只受試件表面狀況以及掃描傳感器和信號處理元件的反應速度的影響。

4.3 檢測姿態對檢測結果的影響

磁記憶管道檢測儀在管內運行時，管道走向的水平狀態決定了檢測儀運行姿態，在不同的爬行狀態時，與管道軸向保持垂直的磁記憶檢測探頭與地磁場水平面的角度必然發生變化，而這種變化必然對磁記憶檢測信號產生影響。試驗測量并分析了檢測姿態對磁記憶檢測的影響效應，結果見表2。

表2 Hpmin、Hpmax、Kpmax隨檢測姿態的變化

通過對檢測姿態的試驗研究和數據分析，發現檢測姿態對磁記憶檢測的影響效應為：Hpmax在水平狀態和垂直狀態并沒有特別顯著的變化；Hpmin受檢測姿態的影響比較明顯，在水平狀態信號比較穩定，隨著角度增加，磁記憶檢測信號的穩定特征值ΔHpmin逐漸增大；Kpmax受檢測姿態的影響是隨姿態角度的增加，信號越來越弱。

由此可見，不同的檢測姿態對磁記憶檢測信號特征值的影響效應存在較大的差異，這對磁記憶檢測信號特征量的提取極為不利，出現這種情況的主要原因是磁記憶檢測探頭目前還處于1維和2維檢測，如果能夠開發研究3維檢測探頭，就能夠提取更多有效的特征量，并對特征量進行篩選，更好地避免姿態角度的影響。

5 結束語

本文研究了金屬磁記憶檢測的基本機理和檢測信號的特征量，對磁記憶檢測儀用于油氣管道缺陷檢測進行了試驗研究，對磁記憶檢測的性能及檢測效果進行了分析；研究了磁記憶檢測儀在檢測中的影響因素，為磁記憶技術在油氣儲運工程檢測中的應用奠定了一定基礎。

[1]王麗，馮蒙麗，丁紅勝，等．金屬磁記憶檢測原理和應用[J].物理測試，2007，25（2）：20-30.

[2]Chechkol I.Using the method of magnetic memory of metal to evaluate the service life of the items of power equipment at the Konakovo District Power Station[J].Thermal Engingeering,2002,49（12）∶1028-1031.

[3]Doubov Anatoli A.Diagnostics of metal items and equipment by means of metal magnetic memory[A].Proc of ChSNDT 7th Conference on NDT and International Research Symposium[C].Shantou，China∶ChSNDT，1999∶181-187.

Study on Defect Inspection of Oil-gas Pipelines Based on Metal Magnetic Memory Technique

LUO Shun-you（Third Engineering Branch of China Petroleum Pipeline Co.,Zhengzhou 451450,China）WANG Ding， ZHOU Xiao-ying， et al.

Applying the metal magnetic memory （MMM）method to accurately inspect pipeline defects is a hotspot and a difficult point in current nondestructive testing research.In this paper,the dominance and principle of MMM inspection method is introduced,the inspection data of oil-gas pipeline defects obtained from the MMM instrument and the factors affecting MMM inspection are analyzed.The experimental results show that the MMM instrument can locate pipeline defects with better accuracy;probe lift-off has an evident effect on MMM inspection and the magnetic field signals become weaker with the increase of probe lift-off;scanning speed has less effect on inspection signals;bigger discrepancy exists among eigenvalues of MMM inspection signals from probe at different poses which affects the pick-up of eigenvalues of MMM inspection signals.It is suggested that the 3D probe should be developed for better MMM inspection.

oil-gas pipelines;defect inspection;metal magnetic memory;nondestructive testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.014

羅順友 （1974-），男，河南鄭州人，工程師，1998年畢業于西南石油學院，主要從事石油地面工程施工及管理工作。

2011-08-29；

2012-06-18