金屬磁記憶技術(shù)在埋地金屬管道應(yīng)力集中區(qū)檢測中的應(yīng)用

楊 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營 257000）

金屬磁記憶技術(shù)在埋地金屬管道應(yīng)力集中區(qū)檢測中的應(yīng)用

楊 勇，尹春峰，姬 杰

（中石化股份勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營 257000）

在埋地金屬管道檢測中，非開挖狀態(tài)下如何檢測應(yīng)力集中區(qū)是一個亟需解決的問題。金屬磁記憶技術(shù)可以檢測地磁場作用下的埋地金屬管道應(yīng)力集中區(qū)，通過分析檢測到的管道表面磁場法向分量及其梯度值可確定應(yīng)力集中區(qū)位置。利用TSC-4M金屬磁記憶檢測儀分別對位于小區(qū)占壓、林地和穿跨越區(qū)域的埋地管道進(jìn)行了應(yīng)力檢測，管道應(yīng)力集中區(qū)檢測結(jié)果與開挖驗(yàn)證結(jié)果相符。檢測結(jié)果表明，金屬磁記憶檢測技術(shù)可以在非開挖狀態(tài)下進(jìn)行埋地金屬管道應(yīng)力集中區(qū)檢測，能夠?qū)艿肋M(jìn)行早期診斷，檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

埋地管道；應(yīng)力集中區(qū)；金屬磁記憶；無損檢測

0 引言

輸油氣管道在實(shí)際工程應(yīng)用中不可避免地會受到疲勞失效的威脅[1]。由于疲勞裂紋大多數(shù)位于管道表面或者近表面的應(yīng)力集中區(qū)域，且管道中存在的腐蝕等微觀缺陷也會導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此實(shí)施應(yīng)力檢測不僅可以檢出腐蝕等缺陷，還可以對管道缺陷進(jìn)行早期預(yù)警。

20世紀(jì)90年代，俄羅斯學(xué)者杜波夫首先提出利用金屬磁記憶效應(yīng)進(jìn)行金屬材料應(yīng)力檢測[2-3]。金屬磁記憶檢測技術(shù)是一種全新的無損檢測手段，該技術(shù)主要利用鐵磁性金屬管道在地磁場中所產(chǎn)生的磁記憶效應(yīng)，通過對管道表面磁場法向分量進(jìn)行檢測，以確定被檢管道的缺陷和應(yīng)力集中區(qū)。

本文利用金屬磁記憶技術(shù)檢測某輸油處所轄管道，結(jié)果證明，該技術(shù)是一種行之有效的管道應(yīng)力狀況檢測手段，利用該技術(shù)可以分析判斷管道的疲勞損傷狀態(tài)。

1 管道應(yīng)力集中區(qū)金屬磁記憶檢測原理

鐵磁性金屬材料在應(yīng)力作用下，其內(nèi)部會產(chǎn)生位錯形成滑移，在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中。金屬材料中的應(yīng)力集中區(qū)在地磁場作用下，將發(fā)生磁疇的自發(fā)轉(zhuǎn)動，形成磁極，以磁性能的形式來抵消掉部分應(yīng)力集中帶來的彈性能量。即對于鐵磁性金屬來說，磁機(jī)械效應(yīng)和磁彈性效應(yīng)的產(chǎn)生是為了降低體系本身的自由能，其結(jié)果必然會在金屬管道表面形成特定的漏磁場，從而產(chǎn)生磁記憶效應(yīng)[4-7]。漏磁場強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

式中Hp——漏磁場強(qiáng)度/（A/m）；

λH——磁彈性效應(yīng)的不可逆分量；

μ0——真空磁導(dǎo)率/（N/A2）；

Δσ——周期性外加載荷/MPa。

該漏磁場在應(yīng)力集中區(qū)域，其切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）會改變符號，并具有零值點(diǎn)。因此，利用金屬磁記憶儀器通過測定鐵制工件表面Hp（y）的變化，便可以準(zhǔn)確地推斷出鐵磁性構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和區(qū)域，如圖1所示。通過測量金屬表面漏磁場的分布特征，就可以得到金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)域的分布以及大小，達(dá)到檢測應(yīng)力集中區(qū)及缺陷位置的目的。

圖1 金屬構(gòu)件應(yīng)力集中區(qū)磁記憶效應(yīng)Hp檢測原理示意

另外，在金屬構(gòu)件缺陷區(qū)域的應(yīng)力集中區(qū)，漏磁場的法向分量Hp（y）變化劇烈，因此還可以用磁場梯度值K來判斷該金屬構(gòu)件的缺陷或應(yīng)力狀況。

式中K——磁場梯度值；

ΔHp（y）——相鄰兩檢測點(diǎn)之間漏磁場的變化值/（A/m）；

Δlk——傳感器的采樣長度/m。

由式 （2）可知，在其他條件相同的情況下，梯度值越大的區(qū)域存在的缺陷或應(yīng)力就越大。

2 檢測結(jié)果及分析

利用金屬磁記憶檢測儀分別對位于小區(qū)占壓管道區(qū)段、林地以及穿跨越區(qū)域的埋地管道進(jìn)行了應(yīng)力檢測，檢測示意見圖2。檢測設(shè)備選用俄羅斯動力診斷公司研制的TSC-4M-16金屬磁記憶檢測儀以及非接觸檢測探頭，探頭由4個3通道傳感器組成；現(xiàn)場檢測對象為某輸油處所轄長輸管道的一段，該段管道為16Mn螺旋焊縫鋼管，壁厚為8 mm。

圖2 埋地金屬管道檢測示意

圖3 占壓管道區(qū)段金屬磁記憶檢測結(jié)果

占壓管道區(qū)段位于某小區(qū)院內(nèi)，被測管道從小區(qū)五層住宅樓下穿越 （分別占壓管道18 m），檢測管段為住宅樓兩側(cè)，檢測結(jié)果見圖3。從檢測結(jié)果來看，被占壓管段檢測到的磁場信號變化較為平穩(wěn)，未見明顯的異常。12道磁場接收數(shù)據(jù)都未發(fā)現(xiàn)過零點(diǎn)的現(xiàn)象，僅在距檢測起始點(diǎn)約2.0 m處發(fā)現(xiàn)干擾信號，如圖3中紅色方框標(biāo)出位置。經(jīng)現(xiàn)場分析，發(fā)現(xiàn)該處磁場異常信號是由于管體側(cè)上方存在鐵制下水道井蓋所致。

利用金屬磁記憶檢測儀TSC-4M-16檢測林地區(qū)段的管道應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。檢測結(jié)果表明，距檢測起始位置4.6 m附近的第10通道磁場信號存在過零點(diǎn)現(xiàn)象，并且該通道磁場梯度值較大，超過規(guī)定極限值。開挖驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，開挖結(jié)果表明該處管段存在一條螺旋焊縫。經(jīng)分析判斷，管道在該處的應(yīng)力集中是由于焊縫處存在缺陷所致。在檢測管段的其他位置未發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。

圖4 林地中管道金屬磁記憶檢測結(jié)果

圖5 林地中管道開挖驗(yàn)證結(jié)果

管道穿跨越區(qū)段開挖驗(yàn)證結(jié)果及金屬磁記憶檢測結(jié)果如圖6、7所示。由檢測結(jié)果可知，該處檢測到的多道磁場信號都存在過零點(diǎn)現(xiàn)象 （如第1、2等通道信號），但是對其信號梯度進(jìn)行分析均未發(fā)現(xiàn)超過規(guī)定極限值。對第10道磁場信號距起點(diǎn)位置約2 000 mm處進(jìn)行梯度求解發(fā)現(xiàn)，該處磁場梯度超過規(guī)定極限值，判斷該處可能存在應(yīng)力集中區(qū)。開挖驗(yàn)證結(jié)果表明該處存在一條螺旋焊縫。由此可知，該處應(yīng)力集中是由于焊縫處存在的缺陷所引起的。另外，根據(jù)圖6所示檢測結(jié)果可知，僅僅依據(jù)Hp（y）信號過零點(diǎn)即判定該處構(gòu)件存在應(yīng)力集中會導(dǎo)致誤判，判定存在應(yīng)力集中還應(yīng)以多道信號梯度值超過規(guī)定極限值作為參考依據(jù)。

圖6 管道穿跨越區(qū)段開挖驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)束語

埋地金屬管道應(yīng)力集中部位信號的基本表征為Hp（y）的突變區(qū)和 Hp（y） 梯度突變區(qū)。 由于管道應(yīng)力集中區(qū)可能存在多種金屬磁記憶效應(yīng)的疊加，因此Hp（y）曲線在該處不一定過零點(diǎn)，所以不能單純依靠Hp（y）曲線過零點(diǎn)來判斷該處是否為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)結(jié)合Hp（y）梯度值進(jìn)行判定。

圖7 管道穿跨越區(qū)段金屬磁記憶檢測結(jié)果

在非開挖狀態(tài)下，金屬磁記憶檢測技術(shù)無需進(jìn)行專門磁化即可對埋地金屬管道表面應(yīng)力集中部位進(jìn)行檢測，且檢測結(jié)果與開挖驗(yàn)證結(jié)果相符。

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Application of Metal Magnetic Memory Technique in Detecting Stress Concentration Zone of Buried Metal Pipeline

YANG Yong（SINOPEC Shengli Oilfield Technology Inspection Center,Dongying 257000,China），YIN Chun-feng，JI Jie

∶How to detect the stress concentration zone in a buried metal pipeline is a problem to be solved urgently.The metal magnetic memory （MMM）technique can detect the stress concentration zone in a buried pipeline under the action of earth magnetic field.The stress detections using TSC-4M metal magnetic memory detector for the buried pipeline sections passing through pressed pipeline area,woods and pipeline crossing area were carried out respectively.The excavation verifications for stress concentration zones were compliant with the detected results.The results show that the MMM technique can detect the stress concentration zone in buried metal pipeline under non-excavation condition and is able to conduct early diagnosis for metal pipeline with accurate and reliable results.

buried pipeline;stress concentration zone;metal magnetic memory;nondestructive testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.015

楊 勇 （1978-），男，山東夏津人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué) （北京）地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)從事管道腐蝕檢測評價工作。

2011-08-15