基于漏磁檢測的長輸管道腐蝕缺陷識別

梁暖（國家管網集團廣東運維中心，廣東 廣州 510660）

0 引言

作為能源運輸的主要載體之一，長輸管道承擔著世界上絕大多數的能源運輸任務[1]。就現階段已知數據可知，世界上70%以上的石油資源和90%以上的天然氣資源都是通過長輸管道完成運輸的[2]。在實際的運輸過程中，運輸的介質中可能會含有CO2、H2S、Cl-以及一些具有腐蝕性的微生物、還原菌等，從宏觀角度分析，雖然上述物質對長輸管道質量的影響是微乎其微的，但是在長時間的作用與影響下，長輸管道管壁出現腐蝕缺陷的可能性較大[3]。不僅如此，長輸管道一般鋪設在地下環境中，對長輸管道維護的周期相對較長，尤其是在地下環境的冰凍、融化、地震、河床變遷等因素的作用下，管道的穩定性也會受到一定的影響[4]。綜上兩個角度的分析不難看出，對管道安全威脅問題加以關注是十分必要的。一般情況下，長輸管道失效前，會經歷一段相對漫長的時間，也可以理解為管道失效是一個逐漸發展的過程，因此，對長輸管道腐蝕缺陷進行有效地識別成為了事故預警的關鍵[5]。但是受管道所處位置的限制以及相關檢測技術的局限性，長輸管道異常狀況識別效果并不理想，這就直接導致相關維護工作難以有針對性地開展，造成大量無效成本投入，嚴重的會導致長輸管道因腐蝕而泄漏[6]。漏磁檢測作為一種可靠性高、缺陷檢出率高、性價比高的檢測技術，將其應用到管道異常檢測中具有巨大的潛力[7]。

本文提出基于漏磁檢測的長輸管道腐蝕缺陷識別研究，并通過試驗測試驗證了設計方法的有效性。

1 長輸管道腐蝕缺陷漏磁檢測

由于長輸管道運輸物質的特殊性以及管道所處環境的影響，腐蝕缺陷通常存在于管道的內壁或外壁上[8]。因此對應不同的腐蝕缺陷，漏磁檢測裝置的應用方式也要做出適應性調整[9]。本文分別針對腐蝕位于管道內壁和外壁這兩種情況進行了深入研究。

1.1 長輸管道外壁腐蝕缺陷識別

針對不同位置的長輸管道腐蝕缺陷，主要是通過改變對管道的磁化方式以及漏磁探頭傳感器的放置方式實現識別長輸管道腐蝕缺陷的目標。針對位于長輸管道外壁的腐蝕缺陷，本文將磁化和探頭傳感器都安置在管道的外表面。需要注意的是，腐蝕管道處的磁導率是遠遠小于正常管道材料的。在此基礎上，當探測線以流水線方式掃描管道的鐵磁性材料時，在直流線圈的作用下，橫向和縱向上都出現了磁化現象，這種交錯的磁場以及管道材料性質穩定條件下以均勻分布的方式存在，一旦出現腐蝕缺陷，管道本身的磁感應強度會減弱，對應的磁力線也會出現彎曲的現象。這也是區別外壁腐蝕缺陷與內壁腐蝕缺陷的主要特征之一。此時再利用橫向和縱向探頭對泄漏出管道表面磁力線進行檢測，一般情況下，利用傳感器檢測逸出漏磁場可以直接通過法拉第電磁感應定律實現對磁場信息的感知與轉化，無需對采集數據進行二次處理。此時得到的缺陷信號就是地下管道反饋出的漏磁場，其也是判斷管道是否存在腐蝕缺陷的基礎數據。通常情況下，對于外壁腐蝕識別的難度在于缺陷尺寸參數難以準確計算，而借助上述采集到的缺陷信號，可以直接通過漏磁場的產生機理實現對腐蝕位置的定位。

在具體的實施過程中，需要在識別范圍內分別安裝橫向和縱向磁感應檢測設備。其中，橫向探頭傳感器主要檢測缺陷在沿管道圓周方向的分布情況，對應定位的是缺陷X軸方向信息，縱向探頭傳感器主要檢測缺陷在沿管道軸向的分布情況，對應定位的是缺陷Y軸方向信息。為了適應多維的識別需求，本文設計的識別裝置由管道夾緊、定位、驅動裝置作為檢測推動構件，有橫、縱兩個方向的腐蝕缺陷探測裝置作為信號采集構件，裝置數據的傳送是通過分選傳送線實現的，同時在裝置的數據處理單元設置了缺陷前置分析電路，通過兩臺工業控制計算機實現對其的管理與控制。考慮到管道腐蝕識別的最終目標是判斷其位置以及程度，因此裝置的控制面板是以三維可視化裝置為基礎構建的，打造外圍電路板柜，提高其在不同環境下的應用價值。在此基礎上，利用可編程序控制器 PLC 控制分選傳送線的傳輸效率，在對處于地下淺層位置的管道缺陷進行識別過程中，調節至相對低頻的狀態，以此降低能耗，提高識別工作；而對于處于地下深層位置的管道識別檢測，調節至相對高頻的狀態，以此確保信息與識別位置之間的一一對應關系不會由于傳輸時延而被破壞。在進行腐蝕缺陷識別操作過程中，PLC 控制管道檢測裝置沿著管道軸線方向行進，當出現有缺陷疑問或者需要剔除的信號的情況下，PLC 控制結合信號對應的位置信息，向執行機構發布標識指令，并產生相應的動作，該部分動作中就包括腐蝕缺陷位置的定位。該過程的實現是通過驅動V 型拖輥和同步電機完成的。考慮到不同深度或者不同位置（地下、水下），管道的磁感應強度存在差異，可能會造成漏磁檢測結果可靠性降低，利用夾緊裝置對液壓電磁閥的開關程度進行調節，其基本原則是識別管道所處位置磁感應能力越強，開關打開的幅度越小，識別管道所處位置過程中的磁感應能力越弱，開關打開的幅度越大。不僅如此，為了降低后期識別結果分析的難度，本文以統一的標準設置目標采集磁感應強度值，將其作為開關調節的基準。這樣就能夠保證在對管道進行識別檢測時，不會出現信號電波的問題，確保腐蝕缺陷能夠被全部識別。

1.2 長輸管道內壁腐蝕缺陷識別

對于管道內壁的腐蝕缺陷識別，從地表對其進行識別的難度較大。一方面，其會受到外壁缺陷的干擾，影響識別結果的準確性；另一方面，內壁腐蝕的成因相對簡單，主要是由于輸送物質中的某些元素引起的，可以采用更加高效的方式實現對長輸管道內壁腐蝕缺陷的識別。為此，本文設計了一種磁化方式和探頭傳感器可以在管道內部通過的識別檢測裝置。裝置的主體結構為磁感應測量節，并輔以輔助測量節提高其識別結果的可靠性和穩定性，記錄裝置負責對采集到數據信息的記錄，電池為整個裝置的正常運行提供動力。為了確保識別過程中不會受到管壁內部環境條件的影響，裝置的每個構成都是將橡皮碗作為與管道之間的支撐，各節之間的連接是通過萬向節實現的，通過這樣的方式確保連接當識別管道出現轉彎處，或裝置在識別行進過程中出現撞擊時，可以通過自我調節的方式保證識別工作的順利進行。

在具體的識別過程中，測量節的磁化裝置發射磁感應射線掃描管壁內壁，霍爾元件傳感器應根據管道的不同規格調節射線的發射范圍，確保管壁識別結果的完整性。由于管道內壁的磁感應強度相對一致，因此，當出現漏磁信號時，利用前置放大裝置對該數據進行標記。磁化裝置中的磁鋼、襯鐵和鋼刷對待測管壁進行磁化時，管壁內會產生磁通現象，在鋼刷的作用下將其產生磁力線進行聚集處理，聚集的標準即所有磁力線均可以通過管壁，通過這樣的方式實現對管壁缺陷的精準識別。輔助測量節中主要是對傳感器中檢測到的磁場信號進行分析，判斷管道壁內是否存在腐蝕缺陷。不僅如此，考慮到磁力線會受管道內部溫度、壓力以及裝置的影響而在密度上出現一定的差異，輔助傳感器也會實時采集識別環境中的上述信息，并對指標出現異常的參數進行矯正，以此調節磁力線密度，確保識別結果的準確性。通過這樣的方式得到管道內部準確的腐蝕缺陷信息。

2 試驗測試

為了測試設計基于漏磁檢測的長輸管道腐蝕缺陷識別方法的應用效果，進行了試驗測試，并考慮實際環境中腐蝕缺陷的存在形式以及識別條件，對相關參數進行多樣化設計。

2.1 試驗設置

試驗測試的目標主要是測試漏磁檢測的基本運行模式是否合理以及檢測效果，為此，本文設計測試臺的主體結構相對簡單，包括左右磁極、磁軛和缺陷鋼板三部分，三者共同形成一個閉環結構。在該磁環路中，漏磁裝置經過腐蝕缺陷上方時，會自動記錄缺陷上方不同位置對應的漏磁場強度數據信息。本文采用的腐蝕缺陷測試板材為質16 Mn的鋼板，其厚度為 8.50 mm，腐蝕缺陷是采用電火花裝置構建的，在腐蝕缺陷的排布上，本文以中心線為基準均勻分布，數量共10個，并且在形狀和深度上都存在一定差異。在具體的測試過程中，為了最大限度保持測試條件的一致性，均按照以1.0 m/s 速度進行識別檢測，脈沖發射頻率為3.0 Hz。測試實施方式如圖1所示。

圖1 試驗測試實施現場

以此為基礎，采用文獻[8]和文獻[9]提出的方法作為對照組開展試驗測試。

2.2 測試結果與分析

按照圖1 的方式采集漏磁信息，最后，利用MATLAB 軟件將三種方法采集到的數據轉化為直觀的腐蝕缺陷結果，其結果如表1所示。

表1 腐蝕缺陷識別結果

在測試信息中，編號為3、7、8、10的測試組相當于內壁腐蝕，其余相當于外壁腐蝕，從表1中可以看出，文獻[8]方法對于腐蝕缺陷的識別結果誤差加大，特別是在腐蝕缺陷信息的寬度和深度信息上，誤差較高，以這種方法的識別結果為基礎對長輸管道進行維護將大大降低維護效果，甚至可能會對周圍完好管道造成負面影響。相比之下，文獻[9]方法的識別誤差有所下降，但是穩定性相對較低，難以實現對所有腐蝕缺陷的準確識別。觀察本文提出識別方法發現，在測試設置的10個缺陷中，最大誤差不超過0.03 mm，表明本文設計方法對于腐蝕缺陷具有良好的識別能力，識別精度更高。

3 結語

長輸管道的穩定性直接關系到能源運輸的安全性，而由于其長期處于地下使得對管道狀態的識別工作難以有效開展，這不僅加大了維護開挖的面積，同時也降低了管道的使用效率。本文以腐蝕缺陷識別為研究目標，利用漏磁檢測的方法對其識別工作展開設計，并通過測試驗證了設計方法的有效性。在實際的長輸管道檢測中，需要識別的缺陷類型是多種多樣的，通過本文的研究，以期為相關工作的開展提供有價值的參考，提高缺陷識別的精度，降低不必要的成本投入。