山地小口徑管道的非接觸式磁力檢測(cè)

張少春,龐洪晨,廖柯熹,朱洪東,何騰蛟,喬 實(shí),李云飛

(1.山東省天然氣管道有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250101；2.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，成都 610500)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家對(duì)石油及天然氣等能源產(chǎn)品的需求在不斷增加，油氣管道的建設(shè)也備受重視。我國地形的復(fù)雜性以及對(duì)能源需求的多樣性，使得山地小口徑管道成為了油氣資源輸送的重要載體。在傳輸介質(zhì)、土壤、機(jī)械損傷、溫差等因素的影響下，管道容易產(chǎn)生腐蝕、疲勞、開裂等缺陷[1]，因此，山地小口徑管道的安全檢測(cè)對(duì)保證管道正常運(yùn)行和能源供應(yīng)至關(guān)重要。

對(duì)管道進(jìn)行有效檢測(cè)是避免管道發(fā)生事故及對(duì)管道完整性管理的重要手段[2]。傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法包括超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等[3]，這些方法雖然能有效檢測(cè)出管道表面的宏觀缺陷，但無法識(shí)別出微觀缺陷。DUBOV[4]提出了基于金屬磁記憶檢測(cè)理論的管道診斷方法，該方法可以檢測(cè)出管道的微觀缺陷，但由于該方法自身的局限性，無法對(duì)埋地管道進(jìn)行有效檢測(cè)。

目前，研究人員應(yīng)用傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)油氣管道進(jìn)行了內(nèi)外檢測(cè)，并取得了良好效果[5-9]；眾多學(xué)者把金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際工程中，獲得了管道缺陷處的磁異常信號(hào)[10-13]；國外學(xué)者利用非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)對(duì)埋地管道進(jìn)行了檢測(cè)，有效識(shí)別出了缺陷位置[14-15]，但是關(guān)于山地小口徑管道非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究較少。山地小口徑管道埋深變化大，地表上方磁信號(hào)較弱，非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)是否有效不得而知。文章采用非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)對(duì)某山地小口徑管道進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出損傷管段并確定其相應(yīng)的損傷等級(jí)；采用金屬磁記憶檢測(cè)和超聲檢測(cè)法驗(yàn)證了該技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果，證實(shí)了該技術(shù)可應(yīng)用于山地小口徑管道的檢測(cè)。

1 非接觸式磁力檢測(cè)

1.1 檢測(cè)原理和特點(diǎn)

埋地管道在地磁場(chǎng)和應(yīng)力載荷的共同作用下，管道內(nèi)部磁疇的取向會(huì)發(fā)生改變，致使管道的磁化率發(fā)生改變，進(jìn)而在管外周圍形成一個(gè)漏磁場(chǎng)[15]，管道應(yīng)力狀態(tài)的變化會(huì)使應(yīng)力集中位置處的漏磁場(chǎng)發(fā)生畸變(見圖1)，即該磁場(chǎng)能夠反映管道的應(yīng)力狀態(tài)。非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)通過對(duì)漏磁場(chǎng)磁特征信號(hào)的檢測(cè)和分析來確定管道的應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)根據(jù)漏磁場(chǎng)的變化程度來分析管道應(yīng)力的危險(xiǎn)程度。

圖1 管道缺陷處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)畸變示意

與傳統(tǒng)管道檢測(cè)技術(shù)相比，非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

(1) 不需要額外的磁化設(shè)備。非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)利用地磁場(chǎng)和應(yīng)力作用實(shí)現(xiàn)管道的磁化。

(2) 可實(shí)現(xiàn)管道缺陷的早期診斷。研究表明，應(yīng)力集中是大多數(shù)缺陷產(chǎn)生的原因，基于對(duì)應(yīng)力集中的非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)可預(yù)防事故的發(fā)生。

(3) 不需要提前處理。管道表面的防腐層和保溫層對(duì)磁信號(hào)無影響，無需對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行處理。

(4) 操作簡單，檢測(cè)速度快。非接觸式磁力檢測(cè)儀的操作非常簡單，檢測(cè)速度可達(dá)到0.5 m·s-1，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模檢測(cè)。

(5) 不受管道形狀和尺寸的限制。非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)是一種外檢測(cè)技術(shù)，不受管道內(nèi)徑和形狀的影響，可實(shí)現(xiàn)管道設(shè)備的100%檢測(cè)，為管道的完整性管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 檢測(cè)方法

操作人員使用非接觸式磁力檢測(cè)儀在管道上方沿著管道軸向進(jìn)行檢測(cè)，獲取管道上方的磁場(chǎng)矢量數(shù)據(jù)(見圖2，圖中D為管外徑)。當(dāng)管道出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，管道磁場(chǎng)將發(fā)生明顯變化，即出現(xiàn)磁異常信號(hào)。在檢測(cè)過程中，對(duì)每條管段的檢測(cè)起終點(diǎn)、標(biāo)示樁、金屬干擾物、磁異常位置進(jìn)行記錄。完成現(xiàn)場(chǎng)的磁力層析數(shù)據(jù)的采集后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入檢測(cè)軟件進(jìn)行分析處理并形成檢測(cè)結(jié)果，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到管道損傷等級(jí)指標(biāo)F(無量納),用以評(píng)估管道應(yīng)力狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖2 非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)實(shí)施示意

非接觸式磁力檢測(cè)儀記錄的數(shù)據(jù)為管道上方磁感應(yīng)強(qiáng)度的3個(gè)分量Bx，By，Bz沿水平方向的梯度?Bx，?By，?Bz。通過式(1)計(jì)算得到梯度模量GM。

(1)

1.3 管道損傷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于含有損傷的管段，依據(jù)損傷等級(jí)指標(biāo)F確定其損傷等級(jí)。F由式(2)計(jì)算得到。

F=exp(-AGM)

(2)

式中：A為修正系數(shù)；GM為梯度模量。

根據(jù)F可將管道損傷程度劃分為3個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)；Ⅱ級(jí)為中風(fēng)險(xiǎn)；Ⅲ級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)。管道損傷等級(jí)劃分及處理建議如表1所示。

表1 管道損傷等級(jí)劃分及處理建議

1.4 檢測(cè)工具

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用管道應(yīng)力非接觸三維磁場(chǎng)梯度檢測(cè)(PMDT)儀，型號(hào)為Grad-03-500，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置主要由3部分組成，第一部分為磁傳感器探頭，設(shè)置在探測(cè)器的兩端，兩傳感器之間的距離為0.5 m；第二部分為顯示與控制部分，其中顯示儀顯示探頭測(cè)得的2點(diǎn)數(shù)據(jù)的差值，包括3個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量以及沿x軸方向的梯度模量的差值;第三部分為電源，為設(shè)備提供可靠穩(wěn)定的輸出電流。

圖3 PMDT儀結(jié)構(gòu)示意

1.5 檢測(cè)條件

非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)條件如表2所示。

表2 非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)條件

PMDT檢測(cè)技術(shù)雖然可高效率、低成本地實(shí)現(xiàn)管道缺陷的準(zhǔn)確定位，及早發(fā)現(xiàn)管道隱患，但也具有一定的局限性，其主要適用范圍有：① 被檢測(cè)管道必須具有鐵磁性；② 不存在并行(同溝敷設(shè))、交叉的單條管道；③ 待檢測(cè)管道埋深應(yīng)不大于20倍管徑；④ 沿線無高壓線、電氣化鐵路、鐵質(zhì)構(gòu)件等；⑤ 管道在過去兩年內(nèi)進(jìn)行過漏磁檢測(cè)，會(huì)對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確性有影響；⑥ 環(huán)境中不存在其他磁信號(hào)干擾；⑦ 對(duì)于已穿孔管道無法識(shí)別。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 管道概況

對(duì)某山地小口徑埋地長輸管道進(jìn)行非接觸式磁力檢測(cè)，確定管道的應(yīng)力集中位置并評(píng)估管道的應(yīng)力狀態(tài)，檢測(cè)管道長為930 m。該管道投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間為13 a，管材類型為L325螺旋縫埋弧焊鋼管，焊縫種類包括環(huán)焊縫和螺旋焊縫，規(guī)格為φ355.6 mm×5.6 mm(外徑×壁厚)，管道運(yùn)行壓力為3.9 MPa，輸送介質(zhì)為天然氣，設(shè)計(jì)輸送量為5.03×108m3·a-1，管道采用3層PE(聚乙烯)外防腐層+強(qiáng)制電流保護(hù)和犧牲陽極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方式進(jìn)行防腐。管道敷設(shè)環(huán)境大部分位于山區(qū)，沿線山地起伏大，管道口徑小，管道上方磁信號(hào)較弱。

2.2 檢測(cè)流程

非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用分為4個(gè)階段：現(xiàn)場(chǎng)踏勘；路由檢測(cè)；非接觸式磁力檢測(cè)；開挖驗(yàn)證。首先進(jìn)行基礎(chǔ)資料收集與管道踏勘，收集被檢管道的基礎(chǔ)資料，包括管道運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)資料、竣工資料以及防腐資料等，對(duì)管道的基本情況進(jìn)行分析，制定適用于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)方法，勘察被檢管道沿線的環(huán)境情況，結(jié)合情況制定出相應(yīng)的檢測(cè)方案;其次進(jìn)行管道路由確定，利用PCM(埋地管道防腐層狀況檢測(cè)系統(tǒng))檢測(cè)目標(biāo)管道的走向和埋深，對(duì)管道路由進(jìn)行定位；然后進(jìn)行非接觸式磁力檢測(cè)與分析，檢測(cè)人員沿著目標(biāo)管道的路由采用非接觸式磁記憶檢測(cè)儀對(duì)管道正上方空間磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，根據(jù)國標(biāo)GB/T 35090-2018，計(jì)算管道沿線F的分布，判斷管道安全狀態(tài)并識(shí)別出管道應(yīng)力集中位置;最后進(jìn)行開挖驗(yàn)證，根據(jù)非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果，對(duì)應(yīng)力集中嚴(yán)重管段進(jìn)行開挖，并采取其他的無損檢測(cè)方法(金屬磁記憶檢測(cè)、超聲測(cè)厚等)進(jìn)一步檢測(cè)，驗(yàn)證非接觸式磁力檢測(cè)的結(jié)果。

2.3 非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)里程共計(jì)930 m，分3段進(jìn)行檢測(cè)。得到檢測(cè)管道上方空間磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度的分布(見圖4)。該地區(qū)的大地磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.63 mT，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度為15.635 mT·m-1。共發(fā)現(xiàn)6處管段信號(hào)有明顯波動(dòng)，在這6處管段的磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度x方向出現(xiàn)波峰、z方向出現(xiàn)波谷，且其絕對(duì)值均高于5 mT·m-1，存在明顯應(yīng)力集中，尤其是2#和6#磁異常信號(hào)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度大于10 mT·m-1，可以初步判斷為應(yīng)力集中較為嚴(yán)重的管段。

圖4 檢測(cè)管段上方磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度分布

根據(jù)國標(biāo)GB/T 35090-2018，基于非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果和管道的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算得到磁異常管段的損傷等級(jí)指標(biāo)F(見圖5)，評(píng)估管段應(yīng)力狀態(tài)并確定管段應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。經(jīng)計(jì)算分析，在6處磁異常管段中，4處為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，2處為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)磁信號(hào)特征可以初步判斷，這2處應(yīng)力集中發(fā)生在管道環(huán)焊縫位置。確定的6處磁異常管段的各特征參數(shù)見表3。

圖5 各磁異常管段損傷等級(jí)指標(biāo)

表3 磁異常管段的各特征參數(shù)

2.4 開挖驗(yàn)證

為驗(yàn)證非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)最大的6#處管段開挖進(jìn)行金屬磁記憶檢測(cè)和超聲測(cè)厚檢測(cè)。開挖后發(fā)現(xiàn)，該管段存在環(huán)焊縫，采用TSC-2M-8型金屬磁記憶檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行各個(gè)時(shí)鐘方向的軸向檢測(cè)，確定應(yīng)力集中位置；通過超聲波測(cè)厚儀測(cè)量應(yīng)力集中位置的剩余壁厚，完成進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.4.1 金屬磁記憶檢測(cè)

金屬磁記憶檢測(cè)的工作原理在于管體的應(yīng)力分布發(fā)生改變會(huì)影響表面磁場(chǎng)的分布，通過測(cè)量管道表面磁場(chǎng)HP的分布，實(shí)現(xiàn)管道的應(yīng)力狀況檢測(cè)。管道應(yīng)力集中區(qū)磁記憶信號(hào)分布如圖6所示，應(yīng)力集中區(qū)的法向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量HP(y)出現(xiàn)過零點(diǎn)現(xiàn)象，且切向磁場(chǎng)強(qiáng)度分量HP(x)達(dá)到極大值。HP計(jì)算公式為

(3)

式中：λH為磁彈性效應(yīng)的不可逆分量；μ0為真空磁導(dǎo)率；Δσ為周期性外加載荷。

圖6 管道應(yīng)力集中區(qū)磁記憶信號(hào)分布

利用磁記憶檢測(cè)儀對(duì)6#管段環(huán)焊縫進(jìn)行不同時(shí)鐘方向的軸向檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在其環(huán)焊縫12點(diǎn)鐘方向的磁信號(hào)變化最為明顯，故選擇12點(diǎn)鐘方向的檢測(cè)信號(hào)(見圖7)進(jìn)行分析。該管段磁信號(hào)具有以下特征：磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量過零點(diǎn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度存在最大值；在距檢測(cè)起點(diǎn)300 mm和1 100 mm位置，磁信號(hào)出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，是由環(huán)焊縫熱影響區(qū)分布不均勻引起的局部應(yīng)力集中造成的；HP-2和HP-4通道的磁信號(hào)均在距檢測(cè)起點(diǎn)700 mm左右的位置(環(huán)焊縫附近)處出現(xiàn)峰值3 128 A·mm-1，在該位置對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)梯度信號(hào)dH/dx為230 A·mm-1·m-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)力正常水平下的梯度值，說明此處應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。根據(jù)目前已有的磁信號(hào)特征識(shí)別方法[16]，可以初步定性判斷該段管道焊縫周圍存在局部腐蝕缺陷，腐蝕程度需進(jìn)一步檢測(cè)。

圖7 6#管段金屬磁記憶檢測(cè)12點(diǎn)鐘方向的磁信號(hào)

2.4.2 超聲測(cè)厚

采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量6#管段焊縫附近管道的剩余壁厚，沿管道環(huán)向一周12個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量4個(gè)圓周，焊縫左右各2個(gè)，圓周測(cè)量間隔為1 cm，共測(cè)量48次，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。最小剩余壁厚為3.6 mm，位于焊縫左端1 cm圓周上6點(diǎn)鐘方向處，壁厚損失率達(dá)35.7%，管道磁異常評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)，符合磁異常評(píng)價(jià)的金屬損失比例[17]，表明非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果具有可靠性。

圖8 管道圓周壁厚測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)語

利用非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)對(duì)山地小口徑管道進(jìn)行應(yīng)力集中檢測(cè)，識(shí)別出了6個(gè)磁異常管段，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)管段(6#)進(jìn)行開挖，利用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)和超聲測(cè)厚技術(shù)對(duì)非接觸式磁力檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。金屬磁記憶檢測(cè)儀和超聲波測(cè)厚儀的檢測(cè)結(jié)果與非接觸式磁力檢測(cè)儀的檢測(cè)結(jié)果一致，驗(yàn)證了非接觸式磁力檢測(cè)方法的可行性。山地小口徑管道的磁信號(hào)較弱，開展非接觸式磁力檢測(cè)仍可有效檢測(cè)出管道應(yīng)力集中位置和應(yīng)力集中程度，說明非接觸式磁力檢測(cè)技術(shù)是一種科學(xué)有效的檢測(cè)方法。