一種承壓工業(yè)管道壁厚全覆蓋監(jiān)測(cè)方法的研究

何箭（合肥中大檢測(cè)技術(shù)有限公司，安徽合肥 230088）

一種承壓工業(yè)管道壁厚全覆蓋監(jiān)測(cè)方法的研究

何箭
（合肥中大檢測(cè)技術(shù)有限公司，安徽合肥 230088）

承壓工業(yè)管道一般由鐵磁性材料軋制形成。管道壁厚受到油氣和危險(xiǎn)化學(xué)品的腐蝕作用會(huì)發(fā)生壁厚變薄，嚴(yán)重的會(huì)受壓破裂泄漏，造成安全事故。國(guó)際上常用射線測(cè)厚和超聲測(cè)厚兩大常規(guī)方法，不能滿足對(duì)管道全面覆蓋監(jiān)測(cè)。本文研究一種對(duì)承壓工業(yè)管道全覆蓋的壁厚監(jiān)測(cè)方法。該方法利用管道的磁屏蔽效益，對(duì)鐵磁性工業(yè)管道外施穩(wěn)恒磁場(chǎng)充分磁化，由于壁厚損失區(qū)對(duì)壁內(nèi)磁場(chǎng)的排斥作用，將一部分磁場(chǎng)排擠到管道外表面，利用大量磁敏元件覆蓋管道圓周，拾取被排擠到管道外表面的壁厚損失磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)化為壁厚的損失圖形，達(dá)到全覆蓋監(jiān)測(cè)承壓工業(yè)管道壁厚的目的。

承壓工業(yè)管道 壁厚損失 穩(wěn)恒磁場(chǎng) 全覆蓋 壁厚監(jiān)測(cè)

承壓工業(yè)管道一般由鐵磁性材料軋制成，承載高壓油氣采集和運(yùn)輸，也輸送危險(xiǎn)品化工材料。管道壁厚受到油氣和危險(xiǎn)化學(xué)品的腐蝕作用會(huì)發(fā)生的變薄現(xiàn)象，嚴(yán)重的壁厚變薄可能造成管道承受不了高壓作用而造成破裂泄漏，甚至發(fā)生嚴(yán)重的安全事故［1］。對(duì)這些承壓管道壁厚定期全覆蓋監(jiān)測(cè)有非常重要意義。目前，國(guó)際上通常采用射線和超聲測(cè)厚兩大常規(guī)方法。射線測(cè)厚是將射線束聚焦后在穿過(guò)管道，在感光膠片或顯示器上形成圖像，再對(duì)圖像分析，確定壁厚變化情況。該方法要求嚴(yán)密防護(hù)射線對(duì)人體的傷害，同時(shí)也只能進(jìn)行局部測(cè)厚；超聲測(cè)厚也是將超聲束聚焦，通過(guò)油、水介質(zhì)耦合到管道壁上進(jìn)行測(cè)厚。介質(zhì)的耦合性能對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很大，也只能對(duì)局部區(qū)域的測(cè)厚［2］［3］。本文研究一種對(duì)承壓工業(yè)管道全覆蓋壁厚監(jiān)測(cè)方法。該方法利用管道的磁屏蔽效益，對(duì)鐵磁性工業(yè)管道外施穩(wěn)恒磁場(chǎng)，進(jìn)行充分磁化，根據(jù)管道壁厚損失區(qū)對(duì)磁場(chǎng)的排斥作用，將一部分磁場(chǎng)排斥到管道外表面空間。利用磁敏探頭檢測(cè)管道外表面空間磁場(chǎng)的變化，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析和專用軟件圖形顯示管道壁厚的化情況和等級(jí)，達(dá)到全覆蓋監(jiān)測(cè)承壓工業(yè)管道壁厚的目的。

圖1　鐵磁性管道壁厚電磁法監(jiān)測(cè)原理

圖2　管道壁厚全覆蓋監(jiān)測(cè)方法

1　工業(yè)管道壁厚電磁法檢測(cè)原理

1.1管道對(duì)穩(wěn)恒磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)

如果鐵磁性管道材料介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ1，管道內(nèi)外空間的介質(zhì)的磁導(dǎo)率為μ2，由于（μ2＜μ1），如圖1對(duì)鐵磁性工業(yè)管道外施穩(wěn)恒磁場(chǎng)，長(zhǎng)直的管道在受到外施局部磁場(chǎng)充分磁化作用時(shí)，外磁場(chǎng)進(jìn)入管道物質(zhì)內(nèi)時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)烈匯聚在管道壁內(nèi)，而鐵磁性管道所包圍的管道內(nèi)壁空腔內(nèi)可能是空氣、油、水和化學(xué)材料等物質(zhì)，其磁導(dǎo)率比管道的磁導(dǎo)率小得多，因而幾乎無(wú)磁感應(yīng)線通過(guò)管道內(nèi)腔［4］。這表明工業(yè)管道鐵磁性物質(zhì)對(duì)它所包圍的內(nèi)壁空腔起到磁場(chǎng)屏蔽作用。

1.2承壓工業(yè)管道壁厚電磁法監(jiān)測(cè)原理

根據(jù)管道對(duì)穩(wěn)恒磁場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)，對(duì)管道施加軸向磁化場(chǎng)至充分飽和程度，磁場(chǎng)主要分布在管道壁內(nèi)和管道外壁表面空間，而管道內(nèi)腔幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)通過(guò)［5］［6］；在管道外壁設(shè)置大量磁敏傳感器組成的陣列，他們閉合時(shí)構(gòu)成完整的檢測(cè)圓環(huán)，檢測(cè)管道外壁空間磁場(chǎng)的分布和變化情況［7］［8］。當(dāng)管道壁厚正常的部分進(jìn)入磁化區(qū)，管道外表面空間形成磁場(chǎng)恒定，磁敏探頭檢測(cè)該恒定磁場(chǎng)，并顯示正常管道壁厚圖形數(shù)據(jù)；當(dāng)管道的壁厚變薄區(qū)域進(jìn)入磁化區(qū)，管壁內(nèi)部分磁力線被排斥到管道外表面空間，在管道外表面空間形成磁場(chǎng)增量，磁敏探頭檢測(cè)磁場(chǎng)增量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分析和專用軟件界面圖形來(lái)顯示管道壁厚的變薄情況和等級(jí)。當(dāng)管道的壁厚增厚區(qū)域進(jìn)入磁化區(qū)，外壁空間部分磁力線被匯聚到管道壁內(nèi)，在管道外表面空間形成磁場(chǎng)減量。探頭檢測(cè)磁場(chǎng)減量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，監(jiān)測(cè)管道壁厚的增加情況。

圖3　石油用管壁厚電磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)圖形

表1　各種管道壁厚檢測(cè)方法性能對(duì)照

2　承壓工業(yè)管道壁厚監(jiān)測(cè)方法

2.1陣列化磁敏探頭的組成

圖2示出管道壁厚監(jiān)測(cè)陣列化磁敏傳感器構(gòu)成的探頭以及探頭對(duì)管道的外壁空間的分布情況。

每一個(gè)通道的磁敏傳感器長(zhǎng)度約2.5mm，由大量的單通道磁敏傳感器精密排列，組成陣列化壁厚檢測(cè)探頭。至少由四組探頭共同實(shí)現(xiàn)對(duì)管壁外圓的360度全覆蓋。四組探頭構(gòu)成環(huán)狀，分別處于管道圓周的第一、第二、第三和第四象限，當(dāng)他們合攏時(shí)，各自覆蓋90度的空間位置。

2.2待檢測(cè)狀態(tài)

當(dāng)管道沒(méi)有到達(dá)或者離開(kāi)壁厚檢測(cè)的磁化區(qū)間時(shí)，圖2中的四組探頭在定位機(jī)構(gòu)的作用下張開(kāi)，處于等待狀態(tài)，避免管道端頭或接箍撞擊探頭。此間，磁化器發(fā)出的磁通在線圈的中心沿縱軸和線圈的外側(cè)分布，所有的霍爾陣列處于關(guān)閉截止階段，無(wú)信號(hào)輸出。

2.3檢測(cè)狀態(tài)

當(dāng)管道進(jìn)入檢測(cè)的磁化區(qū)間內(nèi)，大量磁力線將匯聚在管道壁內(nèi)。四組探頭在定位機(jī)構(gòu)的作用下貼合管道外壁，處于檢測(cè)狀態(tài)。若有管道壁超厚的部分進(jìn)入磁化區(qū)，處于外壁空間的磁力線匯集到管道壁內(nèi)，從而在探頭處形成-△B，探頭反相輸出+△V電平。

相反地，若有管道壁超薄的部分進(jìn)入磁化區(qū)，管道壁內(nèi)部分磁力線被排斥到外壁空間，從而在探頭處形成+△B，探頭反相輸出-△V電平。

隨著管道壁厚的增厚或變薄程度的變化，探頭輸出的電平也相應(yīng)線性地變化。

同理，對(duì)于管道壁均勻區(qū)域，管道外壁空間磁場(chǎng)穩(wěn)恒不變，探頭輸出恒定。

3　承壓工業(yè)管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

承壓工業(yè)管道壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般由恒流源磁化裝置、陣列化磁敏探頭、管道全覆蓋掃查裝置、信號(hào)處理裝置、顯示和記錄裝置等組成。

恒流源磁化裝置為磁化器提供穩(wěn)恒勵(lì)磁電流，經(jīng)過(guò)調(diào)整確定后的穩(wěn)恒勵(lì)磁電流能將通過(guò)磁化區(qū)的管道充分磁化。

陣列化磁敏探頭將大量磁敏傳感器按管道外表面弧度密集排列，形成陣列化的壁厚檢測(cè)探頭。將多只探頭排列構(gòu)成能覆蓋全部圓周的探頭組。

管道全覆蓋掃查裝置，使管道按一定的速度通過(guò)磁化器接受穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁化，同時(shí)保證探頭貼合在管道全部外圓表面，掃查管道外表面的磁場(chǎng)變化，并轉(zhuǎn)化成壁厚信號(hào)。

信號(hào)處理裝置，大量磁敏傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，采用時(shí)總線的方式將多路信號(hào)送到信號(hào)處理裝置，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、比較后形成數(shù)字化的壁厚數(shù)據(jù)。

顯示和記錄裝置，用圖形方式顯示每只管道被監(jiān)測(cè)的全部過(guò)程，顯示管道的壁厚變化并及時(shí)記錄，建檔備查。監(jiān)測(cè)圖形中有對(duì)比試樣形成的報(bào)警線，當(dāng)被監(jiān)測(cè)管道全長(zhǎng)壁厚沒(méi)有越過(guò)報(bào)警線為合格；當(dāng)管道任意一處壁厚變化超過(guò)報(bào)警線，為不合格；監(jiān)測(cè)圖形還包括管道的參數(shù)、鋼號(hào)、爐號(hào)、監(jiān)測(cè)時(shí)間、操作人員、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

4　試驗(yàn)與使用情況情況

本監(jiān)測(cè)方法形成的石油用管壁厚電磁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2014年10月開(kāi)始應(yīng)用在勝利油田高原石油裝備有限公司，現(xiàn)場(chǎng)分別采用外徑73、139.7 、177.8、mm，壁厚分別為5.51、9.17、9.19mm的試樣，各進(jìn)行25次驗(yàn)收試驗(yàn)，形成的監(jiān)測(cè)圖形如圖3所示。

驗(yàn)收試驗(yàn)說(shuō)明壁厚損失為管道標(biāo)稱壁厚12%的試樣都檢測(cè)出來(lái)，并觸碰了報(bào)警線。

其后，通過(guò)1年的正式運(yùn)行監(jiān)測(cè)，說(shuō)明該壁厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足對(duì)大批量石油用管檢測(cè)可靠的壁厚監(jiān)測(cè)，滿足美國(guó)石油學(xué)會(huì)API規(guī)范相關(guān)要求。

在鞍鋼無(wú)縫鋼管廠和淄博孚瑞特石油裝備有限公司的推廣應(yīng)用做了同樣證實(shí)。

5　承壓工業(yè)管道壁厚檢測(cè)方法對(duì)比與總結(jié)

將國(guó)際上常用的兩大管道壁厚檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)照在表1中。

本文研究了利用管道的磁屏蔽效益，對(duì)鐵磁性工業(yè)管道充分磁化，根據(jù)管道壁厚損失區(qū)將一部分磁場(chǎng)排擠到管道外表面的程度，利用大量磁敏覆蓋管道圓周，檢測(cè)管道外表面磁場(chǎng)變化量，轉(zhuǎn)化為管道壁厚變化圖形，實(shí)現(xiàn)全覆蓋監(jiān)測(cè)承壓工業(yè)管道壁厚方法。在鐵磁性承壓工業(yè)管道壁厚檢測(cè)的各種方法中，本方法具有檢測(cè)速度快、覆蓋率高、漏檢率小、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。

多家大型管道軋制和加工企業(yè)的長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐也證實(shí)了上述

············

結(jié)論。

［1］何輔云，丁克勤.鋼管漏磁檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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Industrial pressure-bearing pipes are made of ferromagnetic material. The pipe wall thickness may be reduced due to the corrosion of oil，gasoline and biohazard. The wall-thickness loss area would be cracked and leaked under the pressure to cause safety accident. The two common methods of testing wall-thickness are x-ray and ultrasonic. However， neither of the methods can test the pipe wall-thickness full-lengthily. In this paper a new method is proposed to achieve full-lengthily test of pipe wall thickness. When a ferromagnetic pipe is saturated in an external constant magnetic field， magnetic shielding will be formed on the pipe. If wall-thickness loss area exists on the pipe， there will be magnetic flux leakage. Arrange an array of magnetic sensors to cover the circumference of the pipe. Move the magnetic sensors array from one end of the pipe to the other to pick up the magnetic flux leakage signal. The MFL signal will be displayed graphically on a computer monitor. The goal of full-lengthily testing pipe wall thickness is achieved.

industrial pressure-bearing pipe； wall-thickness loss； constant magnetic field； full-lengthily test； wall-thickness test

何箭（1980—），女，安徽合肥人，副研究員，博士。

國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品（2014GRC30036）