埋地鐵磁管道環焊縫非開挖定位技術研究

鄧茂云，秦明旺，陳 浩

（西南石油大學 工程學院，四川 成都 610500）

1 背景

非接觸式磁記憶檢測技術能夠在不接觸檢測管道的情況下，通過探棒探測管道的磁場強度分布情況，對這些磁場信號進行分析，識別出管道上的異常應力變化，既能對形成的宏觀裂紋進行檢測，又可發現管道內部的微觀缺陷以及異常應力集中，探測管道的早期隱型損傷。尤其在近兩年，非接觸式金屬磁記憶技術在埋地油氣管道的缺陷檢測、微裂紋檢測上開展了較多應用，該技術優于其他無損檢測技術的這種方便、準確、快捷的優勢得以體現。但也正是因為這門技術的新穎性，目前缺乏對各種不同管道的磁記憶信號的研究，缺乏相關的經驗規律，限制了該技術在工程實際中的廣泛應用，因此有必要開展相關研究。

2 非接觸式管道磁記憶檢測技術原理

非接觸式磁記憶檢測方法所測量的是位于管道周圍的磁場，進行現場測量時，檢測儀器信號接收器需水平握持，儀器軸向垂直于管道走向，如圖1所示。

圖1 非接觸式管道磁記憶檢測示意圖

根據鐵磁材料的原始應力磁化模型計算出管道缺陷的磁化強度：

式（1）中：M為磁化強度，A/m；Hg為地磁場強度，A/m；μ0為真空磁導率，T·m/A；α，c 為與材料的性質有關的常數；Man為無磁滯的磁化強度，A/m。

測量得到的數據信號為磁感應強度的三個分量沿X方向的變化量為△Bx、△By、△Bz，經過公式推導，得到磁場的梯度模量：

埋地鐵磁管道被地磁場磁化后產生一個磁場，這個磁場主要反映該處的應力變化，而管道各種應力變化主要由缺陷、焊縫引起，分析這些數據，就可以得到環焊縫的位置。

3 埋地鐵磁管道焊縫定位檢測試驗

試驗采用“非接觸式管道磁記憶檢測方法（ZL 201310020694.0）”檢測儀器，根據俄羅斯聯邦礦工業委員會頒布的《運用非接觸式磁檢測方法進行管道技術狀況診斷指南》（PД 102），利用高精度三維磁場梯度測試系統確定管段的磁異常分布特征、綜合應力水平，探尋環焊縫的位置。

3.1 檢測步驟

利用LD8000 進行管線路由及埋深測繪、管線勘察與條件分析、管線正上方磁信號采集、基礎資料收集和分析、磁信號數據分析與定位。

3.2 檢測結果

根據檢測結果顯示，當dz處于波峰或者波谷時，另兩條曲線的波動也比較大，由金屬磁記憶檢測的一般缺陷定性判斷方法，在管道環焊縫位置，也符合磁信號曲線的切向分量有最大值，法向分量過其曲線波動的零值點且改變符號，較有力地證明了此位置即環焊縫的位置。

4 埋地管道環焊縫力磁效應仿真分析

4.1 建模與網格劃分

根據管道焊接國標《焊接工藝規程》（GB/T 19866—2005）、《鋼質管道焊接及驗收》（GB/T 31032—2014），得到環焊縫的大小、形狀數據，建立環焊縫模型。非接觸磁記憶檢測結果如圖2所示。考慮環焊縫附近應力集中，對此處網格進行細分，如圖3所示。

圖2 非接觸磁記憶檢測結果曲線

圖3 管道環焊縫幾何實體模型

材料基本屬性如表1所示。

表1 材料基本屬性

4.2 加載及求解

埋地鐵磁管道受到內部壓力和外面土壤的壓力，引起管道內部的變化。

將土體外表面以及管道端面定義約束，添加重力場，管道內部壓力為4 MPa。在環焊縫處，焊材與管材不同，因焊接高溫引起兩材料內部結構的變化不同，環焊縫處就會產生應力集中現象。在內部壓力的作用下環焊縫呈現由內而外應力逐漸減小，如圖4所示。

內表面力最大，越往外，反而越小，根據鐵磁試件磁疇 組織隨應力變化的相關理論，猜測管道內部由于應力引起的磁疇組織變化，從而產生的磁場其在軸線方向上的分量會達到最大值。

管道與土壤接觸面的應力分布云圖如圖5所示。

圖4 環焊縫應力分布云圖

圖5 與土壤接觸面應力云圖

管道受到土壤的壓力，其表面的壓力在環焊縫處有明顯的集中現象。靠近管道端部，應力最小。

5 檢測結果與模擬結果對比分析

對比聯合檢測結果與數值模擬的結果，如圖6所示。

圖6 檢測結果和應力分析結果對比

檢測結果分析出環焊縫的位置，同應力分析結果，環焊縫處應力集中最大。

根據金屬磁記憶檢測原理，應力變化引起磁疇組織變化，在檢測結果與數值分析結果都正確的基礎上，說明非接 觸式金屬磁記憶檢測技術可以用來進行埋地鐵磁管道環焊 縫的定位，為埋地鐵磁管道的檢測奠定了試驗基礎。

通過磁場分析得到的結果與金屬磁記憶檢測一般缺陷判斷原則，在應力集中位置切向分量有極大值，法向分量過0 值點，管道環焊縫的磁場信號符合判斷準則。對比應力數值模擬結果和磁記憶檢測的缺陷曲線顯示圖，符合磁疇組織變化，引起應力變化，最終產生磁場的相關理論，說明本次數值模擬結果準確。說明非接觸式金屬磁記憶檢測技術可以用來進行埋地鐵磁管道環焊縫的定位，為埋地鐵磁管道的檢測提供了依據。