基于瞬變電磁法的城市熱力管道腐蝕檢測

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

作為城市的基礎設施，如何確保熱力管道的安全運行是一個亟待解決的問題。瑞典、德國、芬蘭等歐洲國家都有一系列完整的熱力管道檢測、運行和維護的技術標準和實施方法。對于直埋式熱管網，這些國家已經推廣使用熱力管道的漏點檢測系統(LDS)[1]，其工作原理是泄漏的液體會改變檢測系統的阻抗，同時可以準確、及時地監測管道泄漏或管網中涂層損壞引起的漏水問題，從而實施相應的維護措施[2]。但是，LDS只能判斷出管體是否存在泄漏點，不能知道未發生泄漏管體的使用情況，從而埋下安全隱患，而且泄漏的液體沿著管體流動，易降低檢測精度。隨著國內供暖事業的日益發展，較先進的熱力管道漏點檢測系統采用的是光纖光柵檢測法，其檢測原理是在熱力管道網線的下方放置光纖光柵傳感器，檢測其管線的溫度場分布，熱力管道正常運行時的溫度場分布均勻；當某段熱力管道出現泄漏時，其泄漏部位周圍溫度升高，光纖光柵傳感器能實時監測到其溫度變化[3]。通過計算機監測系統可準確得知熱力管道網線中發生泄漏的所在位置，但光纖光柵法存在造價高、維護困難等問題。目前，當這些老舊管道出現管道腐蝕泄漏時，主要采用閥門隔離、閥門聽音、聞氣味及測量地表溫度等方法對管道進行檢測。這些方法主要是依靠有經驗的工作人員，他們通過聽管道水流聲音，或者通過閥門控制系統測試、分段試壓、測試挖掘觀測等方法[4]判斷管道的泄漏位置。這些方法雖然能有效判斷熱力管道的腐蝕泄漏位置，但易受外界環境變化和人員因素的干擾，并且效率較低、成本高、定位也不精準。

筆者提出的瞬變電磁檢測方法是一種有效的在役非開挖檢測技術。該技術的探測深度范圍大，抗干擾能力強，可得到管道的壁厚信息[5]，可以實現在不開挖、在役的前提下對城市熱力管道進行腐蝕檢測。其通過接收二次場所含的管體信息，直接由管體金屬量的減少來判定腐蝕程度，從而實現城市熱力管道腐蝕的提前預警。

1 城市熱力管道瞬變電磁法檢測原理

瞬變電磁法是一種基于以麥克斯韋電磁場理論為核心的電磁感應原理的時間域人工源電磁檢測方法。其使用不接地回線或接地線源向地下發射脈沖場，即一次場。在激發狀態下，熱力管道中激發的感應渦流將產生隨時間變化的感應電磁場，即二次場。在發射一次場的間隙下，利用接收線圈接收隨時間變化的二次場，提取和分析二次場的感應電動勢的瞬時值，該瞬時磁場值可用下式表示。

(t)/I=V(t)/(qI)

(1)

通過傅里葉變化得到

(2)

(3)

(4)

歸一化處理得到的歸一化感應瞬態電壓為

(5)

為了得到熱力管道真實的管體情況，要通過剩余壁厚反演得到管體的壁厚百分比。根據接收到的二次場感應電動勢情況，建立指數擬合模型

(6)

式中：P為壁厚百分比；D0為熱力管道原始壁厚；K1以及K2為擬合系數；V為歸一化感應電動勢。

由式(2)和式(5)得，熱力管道的磁導率和電導率影響著感應電場瞬時值的大小，熱力管道發生腐蝕的局部區域的金屬量減少會導致該處管體的電導率發生變化，而管道腐蝕的區域會時刻發生復雜的化學變化，從而影響管道磁導率的大小，因而接收的感應電場的瞬時電壓會發生改變，由式(6)反演，可得到熱力管道的真實管體情況，從而達到檢測熱力管道的目的。城市熱力管道的瞬變電磁法檢測原理如圖1所示。

圖1 城市熱力管道的瞬變電磁法檢測原理

2 城市熱力管道的失效分析

我國北方城市管道運營時間較長，大部分城市熱力管道已經老化，失效頻率高。城市熱力管道失效的主要原因有腐蝕失效、第三方破壞失效和管道缺陷。

腐蝕失效是城市熱力管道失效的主要原因，腐蝕失效分為外腐蝕和內腐蝕。防腐層的完整性對外腐蝕失效的影響最大。城市熱力管道長期處于復雜的地下環境中，通過對發生腐蝕的城市熱力管道進行分析，發現管體周圍土壤的含水量、酸堿度、含氧量、含鹽量、溫度、pH值等對外腐蝕起主要作用[6-7]。不僅如此，還發現在電氣化軌道附近的城市供熱管線的腐蝕更為嚴重。城市軌道交通會產生雜散電流，周圍埋設的管道也會影響與之相連的市政管網，甚至造成事故。內腐蝕主要是熱力管道在供熱期和非供熱期受到內部介質腐蝕的現象，在供熱期，管道內處在一個高溫高壓的環境中，管道內壁時刻發生著復雜的化學與電化學反應，又由于供熱期管道內水循環量大，富含大量的氧和二氧化碳，氧腐蝕和酸腐蝕是造成管內壁腐蝕的主要原因；在非供熱期，管道內水量較供熱期大幅減少，管道內出現氣水分界面，使得水中的氧和二氧化碳增加，加速了管道內壁的腐蝕。

第三方破壞是城市熱力管道失效的第二大原因，無論施工破壞、違章占壓，還是車輛沖擊，都屬于外力環境引起的防腐層破損，管道才會發生腐蝕失效。

管道缺陷也很容易導致管道故障，主要包括管材原有的缺陷(包括制造缺陷和運輸過程中的損傷)、焊接或熔接缺陷，以及不合理的早期管道鋪設引起的缺陷。偶爾會發現管道的原始缺陷，但管道失效的情況非常少；然而，焊接缺陷導致管道失效的情況卻時常發生，主要是早期施工的不合理、不規范，施工質量控制不嚴，焊工無證上崗和盲目趕工期所致。通過分析發現，焊縫處的破壞主要是腐蝕，因為焊縫處的防腐層品質遠不如管道的原始防腐層品質。

圖2 瞬變電磁檢測儀組成部分的外觀

3 檢測儀器及檢測方法

采用的檢測儀器為WTEM-1QⅡ/GPS瞬變電磁檢測儀(見圖2)，該檢測儀主要由3個部分組成：瞬變電磁儀主機、方形線圈傳感器以及傳輸線纜。發射機和接收機集成在主機上，主機左半部分為發射機，右半部分為接收機。發射部分為發射線圈提供不同頻率的雙極性正弦方波信號，接收部分為接收線圈采集信號。傳輸線纜負責檢測系統與線圈傳感器的連接，其由8個接線口和一個阻尼電阻組成，阻尼電阻可消除接收回路的震蕩，其中阻尼電阻設置為200 Ω，經驗證檢測效果較好。

檢測方法：① 記錄現場檢測環境信息；② 連接發射機、接收機及檢測探頭；③ 將掌上電子計算機和接收機通過藍牙連接，并在掌上電子計算機里設置采集數據的相關參數；④ 校對，初步檢測并采集數據，作最后調整；⑤ 正式檢測并采集數據，并記錄試驗參數；⑥ 分析數據并對熱力管道進行安全評估。

4 工程實際應用

4.1 檢測前期準備工作

在開始檢測之前，需要對管道和檢測環境進行全面的信息采集和記錄。需要向待檢熱力管道運營單位人員了解管道的相關信息，如：管道埋深、管徑及原始壁厚，管道防腐及維修情況，管道材料，地表檢測環境等。管道埋深和管徑大小有助于對激勵源及線圈傳感器的相關參數進行調整，確保接收到最佳的管體信息。

全面了解相關的檢測信息及現場條件后，制定檢測方案。由于管道鋪設年代久遠，熱力管道運營方可能無法提供準確的管道走線，為了保證線圈傳感器經過管道正上方，且采集的信號是管體信息，實際檢測時，有必要確定管道的正確走向，采用RD8000管線探測儀探測管線的位置，在地面做好相應的標識，以便后續檢測工作的高效展開。調試好瞬變電磁儀，線圈傳感器工作參數如表1所示。

表1 瞬變電磁儀線圈傳感器工作參數

4.2 城市熱力管道的瞬變電磁檢測案例

2017年8月，對某熱力管道(稱為熱力管道1)進行檢測。現場采用RD8000管線探測儀對管道走向、埋深等進行勘探，該路段待檢熱力管道原始壁厚為8 mm，管道埋深為1.5 m。根據現場條件與檢測長度設置測量點及測量點間距，設置起測點為管線探測的起始點，檢測長度為33.0 m，測點間距為0.25 m，共計133個測量點，現場檢測示意如圖3所示。

對檢測到的數據進行處理，得到接收線圈的歸一化感應電動勢剖面圖如圖4所示。

圖3 熱力管道1的瞬變電磁檢測現場示意

圖4 接收線圈的歸一化感應電動勢剖面圖(熱力管道1)

通過剩余壁厚反演得到壁厚百分比，該熱力管道的壁厚百分比如圖5所示。

圖5 熱力管道1的壁厚百分比

處理全部數據，選取末尾合適時窗進行分析，可以看出在16～36測點范圍內存在異常增大信號，金屬含量增加到160%，對應檢測長度為現場所標的58 m；在測點96116測點范圍內存在異常信號，金屬增量達到60%，對應檢測長度為現場所標的24.529 mm。根據現場復雜環境來看，距檢測探頭0.5 m處存在一輛汽車，長度約為2 m；距檢測探頭0.3 m處存在三四輛三輪車；同時，觀察原始信號曲線，發現在7181測點范圍內存在異常增大信號，對應長度為1820 m。

針對整體信號中的7181測點處存在的異常信號，進行信號處理，剔除兩個幅值較大的異常信號，選擇4096測點范圍進行研究分析。測點4096的感應電動勢剖面圖如圖6所示，測點4096的壁厚百分比如圖7所示。

圖6 熱力管道1測點4096的感應電動勢剖面圖

圖7 熱力管道1測點4096的壁厚百分比

經過分析可知，在7080測點范圍內存在異常信號，呈增大-減小-增大的趨勢，故判斷此范圍內存在腐蝕。通過壁厚反演計算，得到原始壁厚為8 mm，此處的檢測壁厚約為5.8 mm，腐蝕為27%左右。現場開挖后，用超聲測厚儀對缺陷處進行判斷驗證，得到剩余實際壁厚為5.54 mm，與檢測結果相差0.26 mm。實際腐蝕為30%，誤差在10%以內。

2017年10月，在熱力管道供熱期之前，運用瞬變電磁檢測法對另一熱力管道(稱為熱力管道2)進行在役檢測。管道原始壁厚為8.0 mm，管道埋深為1.75 m。設定起測點為管線探測的起始點，檢測長度為8.0 m，測點間距為0.25 m，共計33個測點。

將采集的數據進行處理，得到接收線圈的感應電動勢剖面圖如圖8所示。通過剩余壁厚反演得到該段的壁厚百分比(見圖9)。

圖8 熱力管道2的歸一化感應電動勢剖面圖

圖9 熱力管道2的壁厚百分比

結合圖8，9，測點10處的歸一化電動勢和壁厚百分比存在輕微的信號增大，金屬含量增多，增多得較低，判斷存在電纜或者小塊金屬物體；在測點24～28間，信號異常增大，在測點25處存在一個明顯的波峰，根據瞬變電磁檢測原理，在測點25處，因金屬含量增多引起的感應電動勢存在一個峰值，判斷此處存在交叉管線或修補，經開挖驗證發現此處確實存在交叉管線，因而管道的感應電動勢和壁厚百分比異常增大。

5 結語

(1) 瞬變電磁法檢測技術對城市熱力管道有較好的檢測效果，能夠得到較為準確的管道剩余壁厚信息，誤差在10%以內。

(2) 在實際檢測的環境中，經過或停靠的汽車、排水井蓋、交叉管等都會對檢測結果造成影響，經信號處理，排除這些干擾信號，瞬變電磁法檢測對特殊工件、管道腐蝕有較高的檢測率。

(3) 利用瞬變電磁法得到較為準確的管道剩余壁厚信息，為管道使用單位提供了可靠的參數，既有利于城市熱力管道的安全評估，又有利于對管道進行及時必要的維護。