非接觸式磁應(yīng)力在天然氣管道檢測中的應(yīng)用

曾維國 王 浩 李 超 馬熊熊 徐東曉 王 波 周 瑾

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院；2.長慶油田分公司a.第一采氣廠；b.氣田開發(fā)事業(yè)部）

天然氣是我國重要的化石能源之一，對天然氣輸送管道的腐蝕檢測與防護(hù)是保障天然氣安全生產(chǎn)與使用的重要作業(yè)［1，2］。趙夢露等對現(xiàn)有的一些天然氣管道檢測技術(shù)做了總結(jié)，主要檢測技術(shù)有低頻長距超聲波檢測技術(shù)、高頻導(dǎo)波檢測技術(shù)、C-SCAN管體腐蝕檢測技術(shù)、 超聲波壁厚檢測技術(shù)、管體腐蝕漏磁檢測和遠(yuǎn)場渦流檢測技術(shù)［3］。盡管上述檢測技術(shù)可準(zhǔn)確檢測天然氣管道的腐蝕程度和位置，但是上述檢測技術(shù)均為接觸式檢測技術(shù)， 使用時(shí)需要對埋地天然氣管道做開挖、防腐層清除等處理，操作復(fù)雜且對檢測管道具有一定程度的破壞風(fēng)險(xiǎn)［4，5］。 因此，開發(fā)一種非接觸式的天然氣管道檢測技術(shù)對簡化天然氣管線的檢測操作并準(zhǔn)確監(jiān)測天然氣管線的狀態(tài)具有重要的意義。

近年來，鋼制材料在地球磁場中的磁響應(yīng)現(xiàn)象被頻繁用于材料的無損非接觸式檢測中。 當(dāng)鋼制材料發(fā)生形變、減薄或腐蝕時(shí)，導(dǎo)致鋼制材料的化學(xué)組分甚至磁疇都發(fā)生改變，進(jìn)而影響鋼制材料的磁性［6］。 盡管目前已有關(guān)于非接觸式磁應(yīng)力在輸油管線的檢測分析案例，但是相關(guān)報(bào)道并不多見［7，8］。 并且，鮮有非接觸式應(yīng)用于天然氣管線的檢測和開挖驗(yàn)證的報(bào)道。

鑒于此，筆者以某天然氣采氣和輸送支線為研究對象， 首先確定該天然氣管線的基本情況，然后通過管線探測儀對天然氣采氣和輸送管線做非接觸式磁應(yīng)力檢測， 分析目標(biāo)管線的狀態(tài)，最后通過開挖的方式驗(yàn)證了非接觸式磁應(yīng)力檢測對天然氣輸送管線檢測的可靠性。

1 被檢查管線的基本情況

目標(biāo)天然氣（濕氣）管線為G-A采氣管線，采用20#鋼管材，管道規(guī)格為114mm×12mm，操作壓力5.7MPa，全長6.35km，平均埋深0.86m，主要沿山地丘陵敷設(shè)（圖1）。

圖1 G-A采氣管線的宏觀敷設(shè)走勢圖

2 非接觸式管道磁應(yīng)力檢測

2.1 非接觸式管道磁應(yīng)力檢測指標(biāo)

通常， 可根據(jù)磁異常綜合指數(shù)F評估所檢測管線的缺陷危險(xiǎn)程度， 磁異常綜合指數(shù)F的計(jì)算公式為：

其中，A為矯正系數(shù)，反映管道缺陷對磁場變化的影響，在校驗(yàn)程序完成之后確定；QaH、Qφ為在異常區(qū)沿管道軸線方向和背景靜區(qū)中磁場強(qiáng)度分布的密度。

非接觸式管道磁應(yīng)力檢測方法通過直接量化評估應(yīng)力變形水平?jīng)Q定缺陷的相對危險(xiǎn)度，而不是通過缺陷的幾何參數(shù)（長、寬、高）進(jìn)行計(jì)算。磁異常綜合指數(shù)F分級標(biāo)準(zhǔn)和安全等級見表1。

表1 磁異常綜合指數(shù)F分級標(biāo)準(zhǔn)和安全等級

2.2 非接觸式管道磁應(yīng)力檢測結(jié)果

檢測磁異常分布如圖2所示。 圖2顯示，經(jīng)磁應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)處理和濾波分析可知， 在G-A采氣管線中有15處為中等風(fēng)險(xiǎn)，63處為較低風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 G-A采氣管線的磁場強(qiáng)度信號異常位置分布

3 開挖驗(yàn)證

為驗(yàn)證非接觸式磁應(yīng)力的檢測可靠性，對GA采氣管線選取Ⅱ、Ⅲ級磁異常管段3段管道做開挖后進(jìn)行外觀檢測和超聲測厚（沿天然氣輸送方向環(huán)向順時(shí)針測壁厚）， 分析相應(yīng)管道的腐蝕與壁厚減薄程度。 1#開挖點(diǎn)：距檢測起點(diǎn)167m，GPS坐標(biāo)N37°02′02.21″，E109°11′54.82″。2#開挖點(diǎn)：距檢測起點(diǎn)2 729m，GPS坐標(biāo)N37°01′37.91″，E109°10′58.52″。 3#開挖點(diǎn)：距檢測起點(diǎn)5 227m，GPS坐標(biāo)N37°01′23.16″，E109°09′58.44″。

圖3為G-A采氣管線3處驗(yàn)證開挖后的超聲測厚結(jié)果和相應(yīng)管段的磁場強(qiáng)度測試結(jié)果。 1#開挖點(diǎn)的磁異常區(qū)域長0.53m， 磁場強(qiáng)度為981nT/m，磁異常綜合指數(shù)F值為0.575。 對管道表面進(jìn)行目視檢測發(fā)現(xiàn)管體表面無明顯腐蝕產(chǎn)物，開挖部位有對接焊焊縫熱收縮套；對管道壁厚進(jìn)行超聲波測厚，測得此段管道壁厚最小值為10.60mm，管段最大減薄1.4mm，相應(yīng)的腐蝕坑深為11.67%。 2#開挖點(diǎn)的磁異常區(qū)域長0.51m，磁場強(qiáng)度為333nT/m，磁異常綜合指數(shù)F值為0.662。 對管道表面進(jìn)行目視檢測發(fā)現(xiàn)管體表面無明顯腐蝕產(chǎn)物；超聲波測厚檢測結(jié)果顯示， 此段管道壁厚最小值為11.26mm，管段最大減薄0.74mm，相應(yīng)的腐蝕坑深為6.17%。3#開挖點(diǎn)的磁異常區(qū)域長0.77m，磁場強(qiáng)度為2 365nT/m，磁異常綜合指數(shù)F值為0.482。 查驗(yàn)結(jié)果顯示，管道表面無明顯腐蝕產(chǎn)物，開挖部位有對接焊焊縫熱收縮套；超聲波測厚檢測結(jié)果顯示，此段管道壁厚最小值為9.92mm，管段最大減薄2.08mm，相應(yīng)的腐蝕坑深為17.33%。

圖3 G-A采氣管線驗(yàn)證開挖宏觀查驗(yàn)圖和相應(yīng)管段的磁場強(qiáng)度測試結(jié)果

4 結(jié)果分析

以上驗(yàn)證結(jié)果顯示，盡管G-A采氣管線的3處管道表面均未出現(xiàn)明顯的外腐蝕痕跡，但是相應(yīng)管段的管道內(nèi)壁均出現(xiàn)了一定程度的減薄現(xiàn)象。根據(jù)SY/T 0087.2管道金屬腐蝕程度評價(jià)，G-A采氣管線中的1#和3#開挖點(diǎn)的腐蝕程度為“中”，2#開挖點(diǎn)的腐蝕程度為“輕”。 然而上述3處的非接觸式磁應(yīng)力檢測結(jié)果顯示，1#和2#管道處于Ⅲ級磁異常點(diǎn)（段），為低風(fēng)險(xiǎn)，無需做修復(fù)計(jì)劃；而3#管道處于Ⅱ級磁常點(diǎn)（段），為中風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)控下使用。可見，非接觸式磁應(yīng)力對天然氣管道的檢測分級結(jié)果與SY/T 0087.2中管道壁厚安全等級結(jié)果并不完全相符。

比較G-A采氣管線管道的磁異常綜合指數(shù)F值和超聲測厚驗(yàn)證測試得到的最大腐蝕坑的腐蝕程度發(fā)現(xiàn)，G-A采氣管線的磁異常綜合指數(shù)F值與超聲測厚驗(yàn)證測試得到的最大腐蝕坑的腐蝕程度之間則呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性（顯著性因子為0.006 98），相應(yīng)的線性擬合度（R2）超過了0.999（圖4）。

圖4 F值和超聲測厚驗(yàn)證測試得到的最大腐蝕程度之間的線性擬合

上述分析顯示，盡管非接觸式磁應(yīng)力對天然氣管道的檢測分級結(jié)果與傳統(tǒng)的接觸式天然氣管道檢測分級結(jié)果并不完全相符，但是天然氣管線的磁異常綜合指數(shù)F值與其腐蝕程度之間具有顯著相關(guān)性。 因此，非接觸式的磁應(yīng)力技術(shù)可用于天然氣管線的檢測，但是需要根據(jù)具體檢測管線評估并制定合理的磁異常綜合指數(shù)F值分級標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

應(yīng)用非接觸式磁應(yīng)力對天然氣管道進(jìn)行檢測， 發(fā)現(xiàn)G-A采氣管線均存在少量的Ⅱ級磁異常管段和大量的Ⅲ級磁異常管段，但沒有發(fā)現(xiàn)Ⅰ級磁異常管段。 選取3處管道開挖后，通過外觀查驗(yàn)和超聲測厚驗(yàn)證非接觸式磁應(yīng)力對天然氣管道檢測的可靠性。 結(jié)果顯示，盡管非接觸式磁應(yīng)力對天然氣管道的檢測分級結(jié)果與SY/T 0087.2中管道壁厚安全等級結(jié)果并不完全相符，但是天然氣管線的磁異常綜合指數(shù)F值與其腐蝕程度之間具有顯著相關(guān)性。 因此，將非接觸式的磁應(yīng)力技術(shù)用于天然氣管線的檢測時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的檢測管線評估并制定合理的磁異常綜合指數(shù)F值分級標(biāo)準(zhǔn)。