淺析埋地管道上非接觸式磁力檢測技術的應用

胡康，王營

(中石化西北油田分公司 油氣運銷部，新疆 輪臺 841600)

隨著中國石油工業的發展，大部分管道已經運行超過10 a甚至20 a之久，管道的管理與運行面臨著腐蝕、變形、泄漏等風險[1]。對管道進行有效的檢測是避免安全事故發生、完善管道完整性管理的必要措施。目前管道的檢測手段主要分為管道內檢測、外檢測[2-4]，然而內檢測對于管道清管器的收發球筒及彎頭、斜口改造有一定要求，需要對管道通徑及變形進行檢測，以確認管道滿足通過檢測器要求。非接觸式磁力掃描技術是新發展起來的埋地管道外檢測技術[5-6]，通過檢測管道磁場強度的變化而識別異常應力，無需接觸管道就可以確定管道上存在的缺陷，具有很好的管道完整性檢測能力。

1 技術介紹

1.1 檢測原理

在地磁環境中，鐵磁材料受周期載荷作用，缺陷處的磁導率減小，管道表面缺陷處的漏磁場就會增大，卸掉載荷后管道依然保留這些特征，漏磁場“記憶”了管道的缺陷或應力集中的位置，這就是“磁記憶”效應。基于該機理，通過檢測管道表面的磁場分布，能夠發現管道的應力集中和宏觀缺陷[7-8]，管道應力磁檢測技術方法與實現過程如圖1所示。由于管道處于微弱的地磁場環境，局部應力狀態的變化致使其磁化率發生改變，進而引起管道外一定范圍內磁場發生的變化，管道局部缺陷的磁場強度變化如圖2所示。

圖2 管道局部缺陷的磁場強度變化示意

圖1 管道應力磁檢測技術方法與實現過程示意

1.2 檢測設備

由俄羅斯POLYINFORM公司研發的KMD-01M系統是一種新型磁力檢測設備，其特點如下：

1)使用基于各向異性磁阻效應的高靈敏度變換器。

2)磁阻納米級變換器具有有效電阻和低噪音，保障高選擇性和抗干擾穩定性，可以在電力線路、電力地下電纜、電力電氣設備附近工作。

3)能夠在計算機屏幕上實時顯示，診斷過程中觀察地磁記錄圖。

4)結合磁場圖形矢量結構應用梯度測量方法，以補償地球背景磁場的影響，并測量更多與缺陷相關的磁場波動參數。

5)定位精度高，可達0.5 m。

6)應用采集和處理信息的專用軟件保障系統的移動工作模式，還可以使用現有數據庫處理所得信息。

該系統的作業原理是基于測量和記錄管道局部損傷和應力應變狀態引起的磁場振動參數的變化，通過分析參數變化而確定管道的腐蝕情況。能夠檢測出的管道損傷包括： 管道的裂紋、金屬剝離、折痕、幾何形變、管道的連續性損失、伴隨金屬損失的腐蝕缺陷、焊接接頭缺陷等[9]。

1.3 檢測缺陷分級標準和等級

檢測缺陷危險評估是根據磁異常綜合指數F確定的。F是基于振幅、磁場矢量分布形狀、異常長度、操作和設計壓力、管道檢查日期及投產時間的函數。它考慮了磁場異常長度L和振幅A以及磁場矢量分布形狀等因素[10]，F的分級標準和等級依據RD-102-008—2002《非接觸式磁力診斷管道技術條件的技術細則》，見表1所列。

表1 磁異常綜合指數F分級標準和等級

1)缺陷等級Ⅰ。是由于金屬缺陷和機械應力的結合，相當于超過相應管道技術標準范圍較大。該類管道屬于緊急情況，需要優先修復。

2)缺陷等級Ⅱ。是由于金屬缺陷和機械應力的結合，相當于超過一定的管道技術標準范圍但不會很快發生事故，該類管道的特點在于可靠性降低，需要列入計劃修復。

3)缺陷等級Ⅲ。相當于管道技術狀況良好的，該類管道可以在監控缺陷發展和應力集中增長的情況下，無需修復繼續運行。

2 技術應用

2.1 原油管線檢測結果對比

以中石化西北油田分公司的某條重質原油聯絡管道為例： 該管道材質為L360，管徑為323.9 mm，壁厚7.1 mm,長20.8 km，埋深為0.5～3.0 m。該區段的地球磁場強度值是5.45×104nT，檢測到的異常波動范圍為2.0×103～2.3×104nT。檢測中發現了103處磁場異常，其中評價立即修復的有3處，評價為監控降壓使用的有7處，評價為繼續使用的有93處。安全狀況處于中高風險的檢測點數據見表2所列。

表2 中高風險檢測點數據

選取距起點1.510 km的風險點進行現場開挖比對，結果如下：

在非接觸式磁力儀通過1.510 km處時，該處的磁化強度出現了較大的波動，如圖3所示，非接觸式磁力掃描技術檢測到的缺陷狀態是腐蝕75%，焊縫缺陷，缺陷等級評估為Ⅰ級。

圖3 缺陷區段的磁化強度曲線

為了驗證非接觸式磁力掃描技術的檢測準確性，采用超聲波測厚儀和接觸式磁力診斷的方法進行了對比實驗。結果發現，超聲波測厚儀檢測出該處管道底部點蝕，剩余薄厚為3.9～5.5 mm。在管內底部發現了壁厚急劇變化區，該類腐蝕應為點蝕，密集腐蝕坑區位于焊縫區，尺寸為200 mm×300 mm，最大深度達5 mm，位于順時針方向3～6點鐘區域。

2.2 天然氣管線檢測結果對比

以西氣東輸某段天然氣管線為例，該管道材質為L415 MB，管徑為355.6 mm，壁厚8.8 mm,檢測管道全長為7.58 km。根據2019年6月21日現場檢測采集的數據，通過分析給出該段管道存在的磁異常點位置和級別見表3所列。其中，6號～7號測試樁之間，8號～8號絕緣樁之間，11～12號絕緣樁之間的磁異常級別都為Ⅲ級，12～13號絕緣樁之間的磁異常級別有兩個為Ⅱ級，兩個為Ⅲ級。

表3 天然氣管段檢測點數據

在所選磁異常段上選取雅克拉集氣站至英買力6號閥室，12～13號測試樁之間，Ⅱ級磁異常挖掘校驗坑進行驗證： 該處開挖坑道長度在1 m左右,發現管道防腐層被破壞，外防腐層破損剝落面積為(200×25) mm2；順氣流11點方向外防腐層破損剝落，破損剝落面積為(140×25) mm2；沿管道在磁異常附近剝開了長度為500 mm的防腐層，采用接觸式超聲導波檢測，發現管體有減薄現象，隨后觀察管體外觀，有密集的腐蝕坑在順氣流2點～6點方向，腐蝕面積為(200×65) mm2，最大腐蝕坑深2.0 mm，位于順氣流3點方向，影響管道的安全運行，需及時修復和處理，該處管段的磁化強度記錄曲線如圖4所示。

圖4 天然氣管段磁強記錄曲線

通過上述2個案例表明，非接觸式磁力掃描技術的檢測結果與接觸式磁力診斷系統的檢測結果對應準確，而且檢測效果較好。

3 結束語

從非接觸式磁力掃描技術的應用結果，可以得到如下結論：

1)非接觸式磁力掃描技術對于管道的外檢測的效率比較高，缺陷分級準確率達到了85%以上。

2)檢測前不需要清管，對管道尺寸無要求。

3)該項檢測技術可以檢測出管體內外腐蝕、疑似裂紋、應力變形等缺陷。

但是該項技術仍然存在一些不足，如容易受到外界磁信號的干擾，需要與開挖式檢測方法相結合來確認管道的缺陷。整體來說，非接觸式磁力技術在埋地管道的檢測上有很大的發展空間，配合其他檢測技術能夠給出準確的管道腐蝕情況。