正交激勵磁場在鐵磁性油氣管道內檢測中的實現

付大為， 郭 鶱， 胡鐵華

（機械科學研究總院集團有限公司， 北京 100044）

0 引言

鐵磁性油氣管道是石油天然氣儲運輸特種重大基礎設施。 由于運輸距離長、應用范圍廣，油氣管道常為埋地鋪設， 常年累月受內外介質侵蝕， 造成油氣管道早期失效，而引發能源安全供給及社會公共安全重大隱患。應用油氣管道內檢測手段，對油氣管道進行檢測，實現對油氣管道早期缺陷發現、早期預防，避免惡性事故發生。 近年來，由于高速發展需求，我國管道建設速度之快、埋下隱患之多堪稱世界之最。 給后期管道安全運行及維護帶來了巨大壓力。為此，國家科技部全方位對管道安全運維立項，重點解決威脅油氣管道安全運行的兩大殺手-金屬損失及裂紋，早期檢測、早期預防。本文基于正交激勵磁場，完成油氣管道壁五維度（長、寬、深、內、外）金屬損失及裂紋檢測及量化， 為油氣管道科學評價及完整性管理提供了重要科學依據。

1 正交激勵磁場激勵感測原理

在鐵磁性油氣管道內壁施加軸向恒磁場， 在軸向恒磁場垂直方向施加高頻動磁場，如圖1 所示。

圖1 鐵磁性油氣管道正交磁場磁化示意圖

圖1 中的鐵磁性油氣管道內壁， 其同時施加了兩種互相垂直的激勵磁場，一為恒磁場Q（|B|，|H|），另一為動磁場q（|b|，|h|）。 管道壁在正交激勵磁場共同作用下的磁化場為Q＇（|B+b|，|H+h|），其磁化工作線可用圖2 表示。

討論：（1）軸向恒磁場提供了預磁化場，其靜態工作點為Q（B，H），此時鐵磁性管道壁靜態磁導率為μBH，其值為100～200 之間。

（2）垂直高頻動磁場q（|b|，|h|）與軸向恒磁場共同作用下，管壁處于動態工作點Q＇（|B+b|，|H+h|），此時管壁將產生動態磁導率張量∨μbh， 此張量的比靜態磁導率μBH小很多。

圖2 鐵磁性管道壁動磁B-H 曲線

（3）磁化工作點由Q（B，H）變化到Q＇（|B+b|，|H+h|），即施加的較小的磁感應強度，引起較大的磁場強度變化，起到了攝動效應。

（4）研究表明，影響管壁感應磁場的主要因素有五個：材料的靜態磁導率μBH、材料的動態磁導率張量∨μbh、正交軸向恒磁場B 和正交動磁場b 之間的夾角余弦及動態激勵磁感應強度的變化率。

由上述討論可知，當管道壁無缺陷時，正交磁場的夾角保持正交，及其夾角為90°，余弦為0，管壁磁化感應保持不變；當管壁存在缺陷，管壁磁化場發生了形變，此時恒磁場與動磁場磁化感應場夾角發生了改變， 即不再保持90°，根據管壁內外缺陷不同，其夾角可在0°～180°范圍變化，余弦可正可負，由此可確認缺陷在管道內壁或者管道外壁；當管壁存在裂紋類型缺陷，正交感應場夾角趨于0°或者180°，感應場達到峰值，故此，此正交激勵磁場可以檢測裂紋； 感應場與動態激勵磁感應強度的變化率相關，可以造沖擊激勵場（理論上導數無窮大，頻域帶寬趨于無窮）。 由此可得出結論，正交激勵磁場可實現鐵磁性油氣管道金屬損失及裂紋同時檢測。

2 正交激勵磁場融合檢測技術

圖3 漏磁與動磁融合檢測示意圖

由上一章正交激勵磁場激勵感測原理可知， 正交激勵磁場可實現對管道金屬損失缺陷及裂紋缺陷同時檢測。 漏磁與動磁融合檢測的對象是基于鋼管靜態直流磁化與動態脈沖激勵聯合作用下所表現出的空間漏磁場與動磁場。 通過電磁控陣技術，空間漏磁場被三軸霍爾傳感器所檢測，空間動磁場被動磁線圈傳感器所檢測。 漏磁與動磁融合檢測示意圖如圖3 所示。為了實現物理上全覆蓋管道內壁，采用周向物理陣列如圖4 所示。其電磁控陣原理圖如圖5 所示。其中的勵磁陣列為探頭提供動態飽和磁化工作點，一般需要根據金屬材料電導率、磁導率、厚度、檢測速度要求，選擇預磁化方式與預磁化勵磁波形，這里使用直流磁場。 組內的探頭錯時異步啟動探測；不同集線器下的探頭陣列同步啟動探測。

圖4 探頭陣列實體

圖5 電磁控陣工作原理圖

3 正交激勵磁場內檢測原型機平板測試

通過陣列控陣技術及動磁漏磁融合技術實現， 完成了正交勵磁管道內檢測原型機。在X70 材質的11 塊樣板上，制備了裂紋缺陷、條狀缺陷、坑狀缺陷等三種不同類型、不同尺寸的人工缺陷。利用游標卡尺、卷尺、塞尺等測量工具測量每個樣板缺陷的實際尺寸，并記錄，形成缺陷列表，如表1 至表3 所示。

圖6 正交勵磁鐵磁性金屬平板缺陷實驗

表1 平板裂紋缺陷表

（續表1）

表2 平板溝槽缺陷表

表3 平板坑狀缺陷表

（續表3）

實驗結果為檢出率100%。正交勵磁檢測平板缺陷的典型波形圖如圖7 所示。

圖7 正交勵磁檢測平板缺陷圖

4 結論

綜上所述，本文給出了以下結論：①提出了正交勵磁檢測新原理和新方法； ②發明金屬損失及裂紋同時檢測新技術；③制作了正交勵磁原理型樣機；④制作了動態平板缺陷試驗臺， 實現平板缺陷自動檢測； ⑤通過實驗確認，正交勵磁檢測原理可行；⑥正交勵磁方法對鐵磁性金屬管道的軸向、軸向、傾斜等裂紋型缺陷、溝槽型缺陷及坑狀缺陷均能100%檢出。