海底管道典型缺陷磁記憶檢測試驗研究*

史小東， 謝建橋， 張輝宇

（中石化勝利海上石油工程技術檢驗有限公司， 山東 東營257000）

0 前 言

隨著油氣開采技術的快速發展， 管道作為油氣運輸的一種經濟高效的方式， 廣泛應用于陸地油氣輸送和海上油氣輸送[1-2]。 伴隨著海上油氣產量的增加， 海底管線的里程也在不斷增大。 相對于陸地管道， 海底管道所處的環境更為復雜， 海底管道在使用過程中， 受海水腐蝕及波流交變載荷的影響極易產生裂紋及腐蝕坑等缺陷， 從而造成管道失效， 引發油氣泄漏。 海底管道泄漏不僅會造成重大的經濟損失， 還會嚴重污染海洋[3-5]。為保障海上油氣管道長期安全運行， 必須對海底管道進行定期檢查與維護。

不管是陸地管道還是海底管道， 其檢測方法主要采用內檢測， 目前管道內檢測技術主要有壓電超聲檢測、 電磁超聲檢測及漏磁檢測。其中壓電超聲檢測法檢測過程中需要耦合劑，對檢測環境要求較為苛刻； 電磁超聲法檢測利用電磁耦合原理激勵和接收超聲波， 該方法檢測精度高， 檢測過程中不需要耦合劑， 但檢測信號易受周圍噪聲干擾； 漏磁檢測法可檢測出油氣管道典型缺陷損傷， 目前該技術已廣泛應用于陸地長輸管道檢測， 但由于漏磁內檢測需要對管道外加磁化， 以形成飽和漏磁場， 使得管道內檢測裝置體積龐大， 檢測成本較高[6-9]。

磁記憶檢測技術是20 世紀末由俄羅斯學者[10]提出的一種新型無損檢測方法， 檢測原理為鐵磁性金屬構件在加工和運行時， 受載荷和地磁場共同作用， 在應力集中和變形區域會發生具有磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向，應力集中部位會出現磁疇的固定節點， 產生磁極， 從而在金屬表面形成自有漏磁場[11-15]。 相對于漏磁檢測技術， 基于磁記憶檢測裝置無需外加勵磁機構， 結構簡單， 檢測效率高。

圖1 海底管道磁記憶內檢測裝置

基于磁記憶檢測技術， 并結合已有的管道漏磁內檢測裝置， 研制開發了基于磁記憶檢測技術的海底管道內檢測器， 采用X65 管線鋼搭建了管道刻傷試驗臺， 并開展了相應的檢測試驗研究。

1 海底管道磁記憶內檢測裝置及試驗臺搭建

1.1 海底管道磁記憶內檢測裝置

基于勝利油田現役海底管道規格及使用工況，研制的管道內檢測裝置適用于Φ325 mm×14 mm海底管道的檢測， 檢測裝置整體耐壓12 MPa， 耐溫80 ℃， 內檢測裝置驅動壓差為0.1～0.3 MPa，海底管道磁記憶內檢測裝置設計及組裝實物如圖1 所示。 內檢測裝置主要由防撞頭、 支撐及驅動皮碗、 承壓密封儀器艙、 里程輪、 磁記憶檢測傳感器、 變徑檢測機構、 O 形圈密封、 高速數據采集卡、 耐高溫鋰電池、 檢測信號傳輸密封插頭及傳感器耐高溫高壓密封膠等組成。

整個檢測裝置圓周方向均布30 個通道磁記憶檢測傳感器， 以實現對海底管道內壁全覆蓋檢測，變徑檢測機構使得檢測過程中傳感器與管道內壁始終貼合， 通過耐高溫高壓密封膠對傳感器進行封裝， 以達到要求的耐溫及耐壓性能； 傳感器采集的磁記憶檢測信號通過密封插頭傳輸到儀器艙內部的高速數據采集卡中進行存儲； 耐高溫鋰電池位于承壓密封儀器艙內部， 實現對整個檢測裝置的供電； 里程輪用于對管道檢測路徑及長度的記錄； 支撐皮碗比管徑略小起到對裝置的支撐作用； 驅動皮碗用于對裝置前后流體進行憋壓以提供檢測運行驅動壓差。 相比較漏磁內檢測器該檢測裝置無外加磁化機構， 檢測裝置結構簡單輕便。

1.2 管道檢測試驗臺搭建

為驗證基于磁記憶技術研制的管道內檢測器缺陷檢出性能， 采用Φ325 mm×14 mm 的X65 鋼管搭建了管道缺陷損傷檢測試驗臺， 在管道內壁分別加工有不同深度環形槽缺陷、 不同寬度及不同旋轉角度矩形槽缺陷， 人工缺陷設計尺寸及試驗臺照片如圖2 所示。

圖2 人工缺陷設計尺寸及管道內缺陷檢測裝置試驗臺（單位：mm）

對于不同深度環形槽缺陷， 環形槽采用V形缺口， 保持環形槽頂部槽寬4 mm， 環形槽深度為自變量， 槽深從1 mm 增加到4.5 mm， 槽深每次增量為0.5 mm。 對于不同寬度矩形槽缺陷，缺陷長度20 mm， 深度7 mm， 矩形槽軸線與管道軸線夾角90°， 槽寬為自變量， 槽寬從1 mm增至11 mm， 槽寬每次增量為2 mm。 對于不同旋轉角度矩形槽缺陷， 缺陷長度60 mm， 寬度10 mm， 深度8 mm， 缺陷旋轉角度作為自變量從0°增加到90°。

2 海底管道磁記憶內檢測系統組成

海底管道磁記憶內檢測裝置采用電動絞盤牽拉方式對管道缺陷進行檢測， 圖3 為管道內檢測試驗系統組成及檢測流程。 整個檢測系統由380 V 電動絞盤、 海底管道磁記憶內檢測裝置、 無線路由器和筆記本電腦組成， 其中內檢測器配置有帶網口輸出的數據采集卡， 通過網線與無線路由器連接， 實現與筆記本電腦之間的數據通訊。

檢測過程中， 電動絞盤通過膨脹螺釘固定于地面， 內檢測裝置通過鋼絲繩牽拉實現對管道內壁缺陷的檢測， 電動絞盤牽拉速度為0.1 m/s， 檢測傳感器采集到的管壁磁場信號經由數據采集卡實現A/D 轉換， 檢測數據通過無線通訊方式實時傳輸到筆記本電腦上以供保存記錄， 并可實時觀測檢測信號變化。

圖3 管道內檢測試驗系統組成及檢測流程

3 試驗結果分析

3.1 不同深度環形槽缺陷檢測結果

當缺陷深度分別為1 mm、 1.5 mm、 2 mm、2.5 mm、 3 mm、 3.5 mm、 4 mm 和4.5 mm 時， 環形槽缺陷磁記憶檢測信號總體分布如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 環形槽缺陷處檢測信號呈現波谷狀， 隨著環形槽深度的增加， 信號峰谷值增大， 信號寬度基本不變。 檢測信號梯度呈現正弦波形，隨著缺陷深度的增加， 梯度峰谷值增大， 梯度信號寬度基本不變。 環形槽缺陷深度變化可通過原始信號及梯度云圖進行準確反映。

圖4 不同深度環形槽缺陷磁場信號總體分布

為更直觀表明不同深度環形槽缺陷檢測信號及梯度變化規律， 對原始信號及其梯度進行單通道數據提取， 檢測信號及梯度隨環形槽深度變化如圖5 （a） 和圖5 （b） 所示。 正如圖4 中所示， 受缺陷自有漏磁場影響， 原始信號呈現波谷狀， 梯度信號呈現正弦變化， 由于環形槽缺陷寬度一致， 缺陷處對應的原始信號及梯度幅值間距基本不變。 對原始信號及梯度峰谷值進行提取， 原始信號及梯度峰谷值隨環形槽槽深變化關系如圖5 （c） 和圖5 （d） 所示，通過線性擬合可知， 原始信號及梯度峰谷值隨環形槽槽深增加近似線性增大。

圖5 不同槽深原始信號及梯度變化曲線

3.2 不同寬度矩形槽缺陷檢測結果

當缺陷寬度分別為1 mm、 3 mm、 5 mm、7 mm、 9 mm、 11 mm 時矩形槽磁記憶檢測信號總體分布如圖6 所示。 從圖6 可以看出， 矩形槽缺陷檢測信號與環形槽缺陷檢測信號波形分布保持一致， 原始信號也呈現波谷狀， 隨著矩形槽寬度的增加， 磁記憶檢測信號峰谷值基本保持不變， 峰谷值間距增大。 檢測信號梯度呈現正弦變化， 隨著矩形槽寬度的增加， 梯度峰谷值基本保持不變， 峰谷值間距增大。 矩形槽缺陷寬度變化可通過原始信號及梯度云圖進行準確反映。

圖7 （a） 和圖7 （d） 為單通道原始信號及梯度隨矩形缺陷槽寬變化， 圖7 （b）、 圖7 （c）、圖7 （e） 和圖7 （f） 為原始信號和梯度峰谷值及間距隨缺陷寬度的變化曲線。 由于檢測的是管體缺陷處自有漏磁場信號， 管體磁場值并非均勻分布， 寬度1 mm 缺陷處磁場值較小， 由于矩形缺陷槽深保持不變， 其余寬度矩形缺陷原始信號及梯度峰谷值隨缺陷寬度增加在小范圍內浮動。 原始信號及梯度峰谷值間距則能明顯反映缺陷寬度變化， 隨著缺陷寬度的增加， 原始信號及梯度峰谷值間距近似線性增大。

圖6 不同寬度矩形槽缺陷磁場信號總體分布

圖7 不同槽寬原始信號及梯度變化曲線

3.3 不同旋轉角度矩形槽缺陷檢測結果

當旋轉角度分別為0°、 30°、 45°、 60°、 75°和90°時， 矩形槽缺陷磁記憶檢測信號分布如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 磁記憶檢測原始信號及梯度空間分布均能夠反映出矩形槽旋轉角度變化， 矩形槽中心線與試驗管段軸線夾角為0°時磁場信號較弱， 隨著矩形槽中心線與試驗管段軸線夾角的增大， 磁記憶檢測原始信號及梯度峰谷值均明顯增大， 梯度相較于原始信號能夠克服磁場不均勻分布的影響。

在不同旋轉角度下， 單通道磁記憶檢測信號及其梯度分布如圖9 （a） 和圖9 （d） 所示。 從圖9 （a） 和圖9 （d） 可以看出， 檢測信號及梯度分布較為復雜， 當轉角在0°和30°時， 檢測信號無異常跳動， 近似呈現一條直線， 在靠近缺陷兩側呈現波谷狀； 當轉角在45°及45°以上時，檢測信號呈現波谷狀， 梯度呈現正弦分布。 伴隨著缺陷轉角增大， 原始信號及梯度峰谷值增大， 峰谷值間距減小， 如圖9 （b）、 圖9 （c）、圖9 （e） 和圖9 （f） 所示。

圖8 不同旋轉角度矩形槽缺陷磁場信號總體分布

圖9 不同旋轉角度原始信號及梯度變化曲線

4 結束語

基于磁記憶檢測技術的管道內檢測器能夠有效檢出管道缺陷并進行量化。 對于環形槽缺陷，隨著缺陷深度的增加， 磁記憶檢測信號及梯度峰谷值幅值增大， 峰谷值間距不變； 對于不同寬度矩形槽缺陷， 隨著矩形槽寬度的增加， 磁記憶檢測信號及梯度峰谷值間距增大， 峰谷值幅值不變；對于不同旋轉角度矩形槽缺陷， 磁記憶檢測信號能夠有效反映缺陷轉角變化， 隨著矩形槽旋轉角度的增加， 磁記憶檢測信號及梯度峰谷值幅值增大， 峰谷值間距減小。 本研究為磁記憶檢測技術應用于海底管道缺陷檢測及量化提供了技術支撐。