雙金屬復合管缺陷微磁檢測技術研究

于潤橋，萬冠杰，胡 博，饒曉龍

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

雙金屬復合管缺陷微磁檢測技術研究

于潤橋，萬冠杰，胡 博，饒曉龍

（南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

為了將微磁檢測技術更好地應用于雙金屬復合管的缺陷檢測，針對雙金屬復合管結構的特殊性，提出了一種新型微磁檢測技術。以人工預制腐蝕缺陷的雙金屬管為研究對象，采用自主研發的微磁檢測儀，對復合管管體及焊縫腐蝕缺陷進行檢測。研究結果驗證了微磁檢測技術在復合管管體及焊縫缺陷檢測中的可行性，同時針對焊縫缺陷，將采集到的信號剔點、差分放大及濾波處理后，微磁檢測技術仍有較好的檢測效果。

雙金屬復合管；微磁檢測；缺陷；濾波

復合管又稱為雙金屬管或包覆管[1]，它是由兩種不同金屬管構成的復合管，通過一定方法，如液壓法、熱擠壓法、爆炸焊接法及堆焊法等[2]使管層之間結合緊密，從而提高或改善其綜合性能，使管道具有高強度、良好的耐腐蝕和耐磨性能。復合管作為一種新型結構材料已被廣泛應用。目前，國內累計應用雙金屬復合管近2 000 km[2]，美國復合管應用年增長率為10%，日本大直徑供水管道中復合管占25%，英國管道總長度中復合管占25%，而瑞典使用復合管已占管道總長度的40%[3]。因此，對雙金屬復合管進行定期無損檢測至關重要。

常規的無損檢測技術由于各自的局限性而無法滿足對雙金屬管的檢測需求，雙金屬復合管內外金屬材質不同，晶粒度級別相差較大，采用傳統的超聲波探傷設備和方法無法檢測復合管管體和焊縫的缺陷[4]。由于復合管厚度變化大，散射線影響大，使得射線檢測效果不是很理想，且由于復合管兩層金屬的結合多屬于機械貼合結構，在焊縫的射線檢測中經常出現結構性黑影，干擾底片的正常評定[5]。

微磁檢測技術是建立在地磁場環境下對管道檢測基礎上而發展起來的一種新技術，具有安全可靠、體積小、質量輕、操作簡單方便等優點，不僅解決了許多五大常規檢測技術難以解決的技術難題，還成為近年來管道檢測技術的新熱點。陳桂琴[6]等運用微磁檢測技術實現了對鍍層工件裂紋定量的有效檢測。徐偉津[7]等驗證了微磁檢測技術對于順磁材料渦輪盤無損檢測的可行性，提出了信號差值比較法結合低通濾波降噪后數據處理的新思路。劉美全[8]等分析了地磁場在缺陷微磁檢測中的作用。程強強[9]等測量了油管橢圓度，并建立了油管缺陷的微磁檢測等效磁導率計算模型，并推導了5個參數計算油管橢圓度的方法。

1 微磁檢測技術原理

微磁檢測技術是指檢測過程不需要外界磁化，利用缺陷生成過程中在缺陷處產生的漏磁場的奇異變化來進行檢測和識別缺陷的一種檢測方法，其原理如圖1所示。

圖1 微磁檢測原理示意圖

當被檢管道置于均勻的磁場中，若材質是連續、均勻的，磁力線將均勻分布在管壁內部[10]，當被檢試件中存在缺陷，若試件相對磁導率高于缺陷材質的相對磁導率時，此時該位置會產生一個向上的凸起；若試件相對磁導率低于缺陷材質的相對磁導率時，此時產生一個向下的凹陷。根據其原理可知，裂紋、氣孔、疏松、管體腐蝕及低磁導率夾渣所產生的缺陷信號為向上凸起；高磁導率夾渣所產生的缺陷信號為向下凹陷。

2 試驗材料

本研究選用碳鋼內覆不銹鋼雙金屬復合鋼管，直徑為113 mm，基層為8 mm厚20碳鋼，復層為2 mm厚304不銹鋼。在復合管內側預置兩個大小不同的圓形腐蝕坑，如圖2所示。缺陷A位于內側焊縫焊道上，深度為1.61 mm，直徑為10 mm；缺陷B位于復合管管體內側，深度為2.49 mm，直徑為5 mm。復合管預置缺陷實物照片如圖3所示。

圖2 復合管預置缺陷示意圖

圖3 復合管實物圖

3 試驗結果與討論

3.1 管體人工缺陷的檢測

試驗使用自主研發的單通道微磁檢測儀，該儀器需使用手持傳感器貼近管道外表面，使傳感器垂直管體外表面在A缺陷附近由左向右掃查，掃查長度為80 mm，傳感器起始點距離A缺陷中心位置56 mm，定向重復掃查復合管道，其檢測結果如圖4所示。

圖4 管體缺陷原始信號

將管道置于均勻磁場中，磁力線均勻分布在管壁內部，在檢測過程中，排除人為因素（如抖動、掃查速度等）產生的干擾，磁感應強度在管體由左到右整體呈現為遞減趨勢，原始曲線整體呈現趨勢取決于傳感器探頭正負的朝向。經多次重復試驗后，當傳感器經過缺陷上方時，缺陷對磁力線產生排斥作用，使得缺陷上下兩端靠近管體邊界處的磁力線密度變大，即管道表面的磁感應強度與無缺陷時相比變大，此時缺陷位置的磁感應強度均會產生一個向上凸起的異常，在圖4中凸起處的場強變化幅值為124 659.2 nT，磁傾角41°33′， 地磁場強度垂直分量為 31 520 nT[11]，傳感器所測得場強變化值即為垂直工件表面的地磁場場強分量。同時，圖4中檢測到的異常處位置也與缺陷A實際位置相吻合，故該異常突變是由A缺陷引發的。

對A缺陷處的信號進行數據處理，由于儀器采集的信號存在隨機信號的干擾，故本次試驗對信號采用的是差分放大處理，以消除干擾。同時，隨機信號不是一個固定值，而是無規律性出現。采集到的信號服從正態分布[12]，即

式中：u—正態分布的期望；

σ—正態分布的方差；

Z—常系數；

該正態分布的置信區間為u±Zσ。其置信區間即為閾值線，結果如圖5所示。

經差分處理后，由圖5可知，[76，80]區域靠近管道邊緣，其檢測結果超出閾值線是由管道邊緣的端頭效應引起的，故而不納入評定范圍。而在[47，67]區域中經差分處理后，檢測結果變化明顯，且超出閾值線很多，同時，原始信號在該區域也出現異常走勢，故而超出閾值線部分為缺陷信號異常區域。

圖5 管體缺陷檢測結果

3.2 管道焊縫缺陷的檢測

傳感器緊貼環形焊縫外表面，沿焊道對管道焊縫B缺陷進行掃查，掃查長度為90 mm，起始點距B缺陷中心位置為54 mm，檢測結果如圖6所示。

圖6 焊縫缺陷檢測結果

由于管道焊縫是雙面手工焊，內側表面存在高低起伏的余高，焊縫余高的不平整對整個檢測效果影響較大。

傳感器探頭的朝向導致原始曲線呈現出整體上升的趨勢，在圖6中出現了兩處曲線異常。經差分放大數據處理后這兩處附近均超過了上下閾值線，凹坑1是由于焊縫余高所造成的，故應將凹坑1影響區域的點去除后重新分析。將數據前20個信號采集點剔除，將掃查長度修正為70 mm，同時對該采樣點進行低通濾波處理，檢測結果如圖7所示。

圖7 修正后的焊縫缺陷檢測結果

對比圖6和圖7，剔除偽缺陷并濾波后，缺陷2的凸起比之前明顯很多。由此可知，微磁對焊縫上的缺陷檢測也能有很好的檢測效果。

4 結 語

采用一種新型的微磁檢測技術，對雙金屬復合管管體和焊縫上模擬的人工腐蝕坑進行了檢測，驗證微磁檢測在復合管管體及焊縫上缺陷檢測的可行性。同時，針對焊縫上的缺陷，將采集到的信號剔點、差分放大及濾波處理后，微磁檢測技術對管道焊縫上的腐蝕缺陷仍有較好的檢測效果，證明了微磁檢測技術對雙金屬復合管缺陷檢測具有高效、快速、穩定的特點。另外，對于雙金屬復合管的分層缺陷及定量評估，還有待于進一步研究。

[1]涂厚道，周慶升，王先進.復合管生產綜述[J].焊管，1996（6）： 5-9.

[2]王永芳，袁江龍，張燕飛，等.雙金屬復合管的技術現狀和發展方向[J].焊管，2013（2）： 5-9.

[3]鄭光明，李秉海，孫曉光，等.國外復合管的制造和施工技術（二）[J].國外油田工程，2001（2）： 42-45.

[4]孫育祿，白真權，張國超，等.油氣田防腐用雙金屬復合管研究現狀[J].全面腐蝕控制，2011（5）：10-12.

[5]吳崗.雙金屬復合管焊縫底片中結構性影像的確認[J].無損探傷，2013（6）： 36-37.

[6]陳桂琴，徐章遂，王鋒，等.基于微磁理論的鍍層工件裂紋檢測儀[J].儀表技術，2005（4）： 34-36.

[7]徐偉津.發動機渦輪盤微磁檢測技術研究[D].南昌：南昌航空大學，2014.

[8]劉美全，徐章遂，米東，等.地磁場在缺陷微磁檢測中的作用分析[J].計算機測量與控制，2009（12）：2371-2373.

[9]程強強，夏桂鎖，于潤橋，等.基于微磁的連續油管在線檢測技術[J].天然氣工業，2014（7）： 109-114.

[10]ULABY F T.應用電磁學基礎（第4版）[M].伊華杰，譯.北京：人民郵電出版社，2007：202-203.

[11]劉天佑.地球物理勘探概論[M].北京：地質出版社，2007.

[12]王亮，于潤橋，胡博，等.奧氏體不銹鋼管磁法檢測研究[J].無損探傷，2014（5）： 21-23.

Micro-magnetic Detection Technology Research of Bimetal Composite Pipe Defects

YU Runqiao,WAN Guanjie,HU Bo,RAO Xiaolong
（Key Laboratory of Nondestructive Testing(Ministry of Education),Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China）

In order to make the micro-magnetic detection technology be well applied in defect detection of bimetal composite pipe,aiming at the special structure of bimetal composite pipe,a new type of micro-magnetic detection technology was put forward.With artificial prefabricated corrosion defects of bimetal composite pipe as the research object,adopted the independent research and development micro-magnetic detector,to test the corrosion defects of composite pipe body and weld.The results proved that the micro-magnetic detection technology is feasible for detecting the corrosion defects of composite pipe body and weld.Meanwhile,in view of weld defects,the acquired signals were picked point,after differential amplification and filtering processing,micro-magnetic detection technology still possesses better detection effect.

bimetal composite pipe;micro-magnetic detection;defect;filtering

TG441.7

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.02.007

于潤橋（1963—），男，碩士，教授，主要從事電磁檢測技術的研究。

2015-10-13

李 超